Els sistemes de producció de fred o refrigeradors es basen en cicles termodinàmics, en què de manera continua té lloc un transport d'energia tèrmica entre una regió a baixa temperatura i una regió a alta temperatura. En general és l'aire ambient que, directament o indirectament, constitueix el focus calent a alta temperatura.

La figura il·lustra el cicle termodinàmic (simplificat) que segueix qualsevol refrigerant, i que és comú sempre que es fa servir el mètode de refrigeració per evaporació de líquid.

COP (coeficient de prestació d'un sistema). Coeficient entre l'energia tèrmica cedida pel sistema i l'energia, de tipus convencional, absorbida.

Entalpia. En paraules senzilles, es defineix com la mesura del contingut de calor total que té una massa d'una determinada substància. És útil per determinar la quantitat de calor necessària en qualsevol operació on es produeixi una transferència de calor.

Calor latent. Es defineix com la calor absorbida o cedida que es fa servir exclusivament per modificar l'estat d'agregació d'una substància, sense influir-ne en la temperatura. Calor sensible. Quantitat de calor que cedeix o absorbeix un cos sense canviar d'estat.

Calor sensible. Quantitat de calor que un cos cedeix o absorbeix sense canviar d'estat.

3.1 Grup de fred

Podem classificar els processos de producció frigorífica en dos grups:

Cicle obert. És el procés en què el refrigerant es perd a l'atmosfera després d'evaporar-se. Aquest tipus de condicionadors consisteix en un panell humectat amb aigua, a través del qual circula aire (fluid que es vol refredar), impulsat per un ventilador. És el cas de les torres de refrigeració.

Cicle tancat. El refrigerant no es perd a l'atmosfera, sinó que circula permanentment dins d'un circuit tancat. Principalment es fan servir dos cicles:

Compressió mecànica. Comprimeix un vapor saturat a baixa temperatura i pressió, tot duent-lo a un estat de major pressió i entalpia mitjançant un treball extern.

Està format per quatre elements basics: l'evaporador, el compressor, el condensador i l'expansor.

A continuació es descriuen les funcions generals de cada component i les etapes que els corresponen a cadascun a la figura.

Compressor (etapa 1-2)

La seva comesa és aspirar el gas o vapor reescalfat procedent de l'evaporador i comprimir-lo, tot enviant-lo cap al condensador; en aquest moment el refrigerant es troba en estat gasós.

Condensador (etapa 2-3)

És l'encarregat de dissipar la calor del gas refrigerant, convertint-lo en líquid, cosa que en permet la condensació.

Dispositiu d'expansió (etapa 3-4)

El refrigerant en estat líquid procedent del condensador és conduït a l'expansor a fi d'abaixar el punt d'ebullició i, per tant, la temperatura d'evaporació.

Evaporador (etapa 4-1)

L'evaporador s'encarrega que el gas en estat líquid es vaporitzi a pressió i temperatura constants, gràcies a la calor latent subministrada pel refrigerant que creua l'espai de l'evaporador. Un cop s'ha evaporat el gas o el refrigerant, es reescalfa sense els anomenats "cops de líquid" en el compressor.

Cicle de refrigeració per absorció. Se substitueix el compressor d'un cicle mecànic per un absorbidor i un generador. Aquest sistema consumeix energia tèrmica. Utilitza un fluid secundari, anomenat absorbent (bromur de liti, etc.), per absorbir el fluid primari que ha estat vaporitzat a l'evaporador.

3.2 Torre de refrigeració

Aquest equip aconsegueix disminuir la temperatura de grans volums d'aigua amb molt poques pèrdues. Per tant, és un equip amb un elevat rendiment que evita les freqüents reposicions d'aigua necessàries en un sistema tradicional.

Les torres de refrigeració es classifiquen:

Segons el mode en què hi circula l'aire, en:

• Torres de tiratge natural: quan l'aire és induït a través de la torre a causa de la diferència de densitats que hi ha entre l'aire humit i calent de l'interior de la torre, i l'aire atmosfèric exterior més fred i, per consegüent, més dens.



• Torres de tiratge mecànic: quan l'aire és induït ó forçat a circular per la torre mitjançant ventiladors.

Segons el mode de contacte entre les dues fases, d’aire i d’aigua:

• Torres a contracorrent: quan els fluxos d'aire i aigua són paral·lels, l'ascendent d'aire i el descendent d'aigua.



• Torres de flux creuat: quan els corrents són transversals, el descendent d'aigua i el lateral d'aire.

Segons on se situï el ventilador:

• Tiratge induït: quan el ventilador està situat a la zona de descàrrega de l'aire.



• Tiratge forçat: l'aire es descarrega a baixa velocitat per la part superior de la torre.



• La màxima eficiència s'aconsegueix mitjançant el flux a contracorrent de l'aigua més freda en contacte amb l'aire més sec.

Intenteu que la sala de màquines sigui el més a prop possible dels llocs de demanda de fred; qualsevol disseny que no s’hagi concebut en aquest sentit afectarà la instal·lació frigorífica tant en rendiments (pèrdues de pressió en línia, guany de calor, etc.) com en inversió inicial (major traçat de canonades amb el seu consegüent aïllament i cablejat).

Una altra mesura quan la temperatura exterior és de 5º C consisteix a fer passar el refrigerant pel condensador per refredar-lo sense necessitat de comprimir-lo en el compressor. D’aquesta manera n'evitem el consum.

L' equipament s'ha de dissenyar de forma adient. El sobredimensionament duu aparellades pèrdues excessives i innecessàries.

Verifiqueu el nivell de refrigerant de la instal·lació.

Elimineu fuites en les instal·lacions.

Col·loqueu les unitats condensadores fora de les zones que cal condicionar.

Desconnecteu el sistema de climatització en períodes de no ocupació o quan detecteu finestres obertes.

A les torres de refrigeració:

• Eviteu que s'hi incrustin carbonats en els sistemes.
• Controleu la temperatura dels ventiladors de les torres de refrigeració.
• Si es vol aconseguir un bon rendiment, l’apropament (diferència entre la temperatura de sortida i la temperatura de bulb humit d'aire) ha de ser de 5º C a 6º C i el marge (diferència entre la temperatura d'entrada i la de sortida) de 6º C a 7º C.

Col·loqueu l'aïllament necessari a totes les àrees, parts i superfícies que en necessitin (a les canonades d'aigua freda i refrigerant, les parets i els sostres que es puguin considerar lleugers des del punt de vista tèrmic, els canals o conductors d'aire, etc.), i repareu l'aïllament danyat.

Des del punt de vista energètic, l'ús de compressors oberts és millor que el de compressors hermètics o semihermètics, ja que en aquests el gas aspirat ha d'absorbir l'equivalent tèrmic de les pèrdues del motor.

Com més elevada és la pressió d’aspiració (o la temperatura d’evaporació), menor és el consum energètic per unitat de refrigeració.

Cada 3º C de disminució de la temperatura de l'aire aspirat dóna lloc a un 1% més d'aire comprimit, per al mateix consum d'energia.

També disminueix el consum energètic per unitat de refrigerant amb la disminució de la temperatura de condensació.

La ubicació dels equips en llocs bruts o polsosos disminueix el rendiment; amb un bon manteniment de l'equip aconseguim estalvis d'energia d'entre un 3% i un 10%.

Faciliteu tot el que pugueu la ventilació dels equips sense obstacles al voltant.

És recomanable situar les sondes de control del sistema de producció de fred a les zones més representatives del medi, per evitar les falses alarmes o mesures errònies.

L'exemple intenta valorar la rendibilitat econòmica del sobrecost d'una màquina de condicionament amb refrigeració natural (free-cooling). La refrigeració natural consisteix a aprofitar la temperatura de l'aire exterior per refrigerar l'edifici.

La instal·lació on s'aplica aquesta tècnica es troba en un hotel de 4 estrelles de la costa d'Alacant i consisteix en un condicionador autònom partit verticals d’aire-aire, només fred de 99 kW de potència frigorífica nominal, que s'ocupa de condicionar la sala-menjador d’una superfície de 600 m2. Es calcula que les hores de funcionament de la refrigeració natural seran de 400 h/any (4,57% del temps total de funcionament de l'equip), la qual cosa suposarà un estalvi tant energètic com de diners. La taula indica els estalvis aconseguits.