El arte del cambio de estado: la fabricación de cubitos de hielo

Antonio Manuel Martín Esteban »

Una de las mejores puestas en práctica de las leyes de Boyle-Mariotte y de Charles-Gay Lussac es, a mi entender, cualquier proceso de generación de frío a nivel industrial o doméstico. En este artículo me dedicaré a explicar paso a paso los procesos que se llevan a cabo en el interior de una máquina que fabrica cubitos de hielo, pero estos procesos se producen igualmente en otro tipo de máquinas que generan frío, ya sea el frigorífico que tenemos en la cocina, el aire acondicionado, cámaras o congeladores industriales, etc.

Hay que tener en cuenta que para darle frío a un compuesto, en este caso el agua que queremos solidificar mediante una disminución de temperatura, necesitamos que otro compuesto se caliente. El calor pasa de una sustancia a otra, no se crea o elimina sin alguna reacción química; luego para quitar calor al agua necesitamos otro compuesto que lo absorba. A este compuesto se le denomina gas refrigerante y su composición puede ser bastante variada.

Como ejemplo de refrigerantes, tenemos el grupo de los hidroclorofluorocarbonos (HCFC), como el R22, que fue uno de los refrigerantes más extendidos; pero todos ellos se están dejando de utilizar puesto que se descubrió que dañan la capa de ozono, así que por motivos ambientales se recurre a otro tipo de refrigerantes. Normalmente nos encontramos hidrofluorocarbonos (HFC) (R404, R134), pero también podemos encontrar refrigerantes basados en el amoniaco (R717), en el dióxido de carbono (R744), en el isobutano (R600), en el propano (R290), etileno, propileno y mezcla de algunos de ellos. Cada uno de ellos tiene diferentes propiedades y se debe elegir el refrigerante adecuado según la temperatura ambiente del lugar de trabajo, el compuesto a refrigerar y la temperatura que necesitamos que alcance dicho compuesto. También influye el aspecto económico y lo fácil o difícil que sea cambiar el estado de agregación de estos gases, ya que tendremos un mayor o menor consumo de energía para efectuar esos cambios.

El proceso

Después de este obligado preámbulo, vamos a entrar en materia. ¿Dónde se crea el cubito de hielo? El cubito se crea en unos alojamientos especiales con la forma del cubito deseada que se llaman evaporadores. El nombre parece ser incorrecto ya que, ¿por qué recibe ese nombre si en él se solidifica el agua? Pues porque se le da el nombre del proceso que sucede con el refrigerante. En él se evapora el refrigerante que llega en estado líquido. Durante este proceso el refrigerante absorbe mucho calor del agua, tanto que la lleva a cambiar de estado transformándola de líquido a sólido y creando el cubito de hielo.

Hay que hacer obligada mención a los materiales de los que están hechos los evaporadores. El gas refrigerante no entra en contacto directo con el agua, sino que lo hace a través de un metal con el que se elaboran los conductos o tuberías por los que pasa. Normalmente son de cobre ya que es un estupendo transmisor de la temperatura a un coste aceptable, pero también los podemos encontrar de aluminio que es peor conductor aunque más barato. Tenemos metales en la naturaleza que son mejores conductores de la temperatura que el cobre, pero no serían aceptables económicamente hablando, ya que estaríamos hablando de la plata, el oro, el titanio…

Pero una vez que el refrigerante se ha evaporado y ha realizado su función congelando el agua y creando el cubito, ¿qué se hace con él? Si se desechase y se utilizase más refrigerante en estado líquido para seguir creando cubitos, el coste sería inaceptable. Tenemos que buscar la manera de volver a utilizar ese mismo gas y crear un circuito cerrado en donde no haya aporte de refrigerante.

Nos encontramos con un refrigerante en estado gaseoso al que queremos llevar a estado líquido, ¿cuáles serán los pasos a seguir? Primero, usamos la ley de Boyle-Mariotte para aumentar la presión del refrigerante. Según esta ley, lo mejor es disminuir su volumen, con lo que hacemos que el refrigerante en estado gaseoso sea absorbido por un compresor, que comprimirá el gas reduciendo su volumen con el consiguiente aumento de presión.

Ahora tenemos un gas con bastante presión, pero a una alta temperatura. Lo recomendable es hacer caso de la ley de Charles-Gay Lussac y bajar la temperatura para disminuir su volumen. Al hacerlo, nos encontraremos con una de las excepciones de dicha ley: cuando reducimos mucho el volumen de un gas, lo condensamos y lo transformamos en líquido y ya no podemos seguir usando estas leyes puesto que ya no hablamos de un gas. Este proceso lo realizamos en el condensador que, como su nombre indica, condensa el refrigerante que viene del compresor bajando su temperatura. Como el gas llega al condensador a una alta presión, no necesitamos llevarlo a una temperatura muy baja para condensarlo. Los condensadores los podemos encontrar de dos tipos, refrigerados por agua o por aire.

Los condensadores por agua están en desuso por su elevado consumo de la misma. Ahora que se empieza a considerar el agua como un bien escaso, la maquinaria que hace un abuso de ella se descarta por otras opciones. Aun así, todavía se venden este tipo de maquinaria para sitios donde dispongan de depuradoras y el consumo no sea excesivo. Este condensador suele estar compuesto por dos serpentines de cobre unidos, por uno de ellos pasa el refrigerante y por otro el agua. Debido a la interacción entre ellos el calor pasa del refrigerante al agua, con la consiguiente condensación del mismo. Uno y otro circulan en direcciones opuestas, para que la transmisión de temperatura sea mucho más efectiva que si circulan en la misma dirección.

Los condensadores por aire funcionan de manera algo diferente. Consisten en una red de tubos de cobre dispuestas sobre un entramado de láminas de aluminio (también podrían ser de cobre, pero no suelen serlo por motivos económicos). A uno de los lados se coloca un ventilador que hace circular el aire entre las láminas de aluminio. El calor del refrigerante pasa de los tubos a las láminas de aluminio y de éstas al aire que se renueva continuamente gracias al ventilador. El resultado es un traspaso de calor desde el refrigerante al aire, que tiene como resultado la condensación del refrigerante. Un sistema parecido lo encontramos en los radiadores de los coches, aunque en ellos no se quiere condensar nada, solo enfriar el líquido que sirve de refrigeración para el calentamiento del motor.

Ahora ya disponemos del refrigerante a baja temperatura y a alta presión en estado líquido. Es el momento de que vaya al evaporador para volver a cambiar de estado y hacerse gaseoso al liberarse de la presión y absorber el calor del agua, transformándola en cubitos y volviendo al principio del ciclo cerrado.

En definitiva y como resumen, usamos el cambio de estado de un líquido para absorber el calor del agua y cambiarla de estado igualmente, jugando para ello con los cambios de presión y temperatura.