El cobre en el sistema de refrigeración
Las propiedades físico-químicas del cobre satisfacen con gran eficacia las exigentes necesidades de la industria del aire acondicionado y la refrigeración.
Sin los sistemas de aire acondicionado, el estilo de vida actual de una buena parte de la humanidad sería muy distinto, resultaría difícil contar con centros de cómputo o internet eficientes; o bien, desarrollar grandes edificios o diseños geométricamente complejos para el funcionamiento de hospitales, fábricas, viviendas o centros de espectáculo. Afortunadamente el aire acondicionado nos ha permitido controlar nuestra comodidad, regulando de la humedad y el calor extremo, así como del riesgo y la incertidumbre del clima. Pero también los sistemas frigoríficos (refrigeradores o neveras, según le llamen en cada región) han sido muy importantes para mantener nuestro estilo de vida moderno, siendo uno de los equipos más importantes en la cocina para mantener seguros los alimentos; de hecho, nos damos cuenta de la importancia del refrigerador en nuestra vida diaria, sólo cuando se nos va la luz o falla la unidad.
Conociendo el funcionamiento básico de estos equipos, nos daremos cuenta de la importancia del cobre como material idóneo para diversos elementos que integran estas tecnologías. Sin duda, el uso de cobre en los sistemas de aire acondicionado y la refrigeración ha crecido constantemente en los últimos años, y es que se necesitaba de un material que ayudara a aumentar la eficiencia operativa, y el cobre ha estado satisfaciendo esta necesidad con mucha eficacia.
Intercambiaderos de calor
Para comprender mejor el papel de este metal en los sistemas de refrigeración o aire acondicionado, necesitamos revisar algunos conceptos básicos. Se conoce como refrigeración al proceso de enfriamiento de un espacio u objeto por transferencia de calor y, como es lógico, la transferencia de calor a través de materiales de alta conductividad térmica sucede a una tasa más alta por medio de materiales de baja conductividad térmica. En este sentido, los intercambiadores de calor son dispositivos que transfieren calor para lograr el calentamiento o enfriamiento deseado, aprovechando la rapidez con que el intercambiador de calor lo traslada.
Los intercambiadores de calor que utilizan cobre y sus aleaciones han evolucionado junto con las tecnologías de transferencia de calor en los últimos cien de años. Los tubos de condensador de cobre se usaron por primera vez en 1769 para las máquinas de vapor. Inicialmente, los tubos estaban hechos de cobre sin alear, fue hasta 1870 cuando se usó el metal muntz, que es una forma de latón alfa-beta con aproximadamente 60% de cobre, 40% de zinc y un rastro de hierro. El metal muntz se utilizó para condensadores en el enfriamiento de agua de mar; su aplicación original fue como reemplazo del revestimiento de cobre en el fondo de los barcos, ya que mantuvo las capacidades antiincrustantes del cobre puro, sólo que con dos tercios de su precio.
Las tecnologías de refrigeración se han aplicado en numerosos sectores, por ejemplo en edificios, industria y transporte. Muchos dispositivos HVAC (siglas en inglés de calefacción, ventilación y aire acondicionado) usan lo que se conoce como “intercambiador de calor” para transferir calor de un fluido a otro. El intercambiador de calor, en los términos más básicos, es una pieza de metal que permite que el calor que posee un fluido se transfiera a otro. Si bien, la industria utiliza una gran variedad de metales para fabricar intercambiadores de calor, metales que van desde el bronce y el titanio hasta el latón, aluminio y acero al carbono, el cobre y el acero inoxidable tienden a ser los predominantes como resultado de sus bajos costos de fabricación y alta efectividad. Sin embargo, la conductividad térmica del cobre, que es 30 veces mayor que la del acero inoxidable (lo que significa que el cobre puede transferir calor 30 veces más rápido), le otorga un lugar especial. Si consideramos que la mayor conductividad térmica que ofrece el cobre equivale a una mayor eficiencia, esto también puede conducir a menores costos de energía.
Las bondades del cobre
El cobre posee propiedades ideales para utilizarse en intercambiadores de calor que pretendan ser eficientes y duraderos. En primer lugar, el cobre es un excelente conductor del calor, lo que significa, como señalábamos antes, que su alta conductividad térmica permite que el calor lo atraviese rápidamente. Otras propiedades incluyen su resistencia a la corrosión, resistencia a la bioincrustación, tensión máxima permisible y presión interna; resistencia a la rotura por fluencia, resistencia a la fatiga, dureza, expansión térmica, calor específico, propiedades antimicrobianas y resistencia a la tracción. Pero también su límite de fluencia, alto punto de fusión, facilidad de fabricación y facilidad de unión. Por todo esto, el cobre es una maravilla para la ingeniería en muchas aplicaciones.
La resistencia a la corrosión es un aspecto fundamental en las aplicaciones de transferencia de calor en las que intervienen fluidos. El único material que tiene una resistencia a la corrosión, similar al cobre, es el acero inoxidable; sin embargo, la conductividad térmica del acero inoxidable, como ya señalamos, es 30 veces menor que el cobre. También vale la pena destacar que las aleaciones de cobre y cobre-níquel, tienen una alta resistencia natural a la bioincrustación, es decir a la acumulación indeseable de microorganismos, plantas, algas y/o animales sobre estructuras mojadas, en este sentido, otros metales utilizados en intercambiadores de calor, como el acero, el titanio y el aluminio, se ensucian fácilmente. En la industria, la protección contra bioincrustaciones, particularmente en estructuras marinas, se logra aplicando metales de cobre.
Procesos de refrigeración
El sistema convencional de refrigeración, siendo el más utilizado en el aire acondicionado, es el sistema de refrigeración por compresión. En este proceso se utiliza la energía mecánica para comprimir un gas refrigerante; al condensar, este gas emite el calor latente que antes, al evaporarse, había absorbido el mismo refrigerante a un nivel de temperatura inferior. Para mantener este ciclo se emplea energía mecánica, generalmente a partir de energía eléctrica.
En un refrigerador, el frío se produce mediante un sistema de refrigeración por compresión, cuya función es tomar el calor del interior del refrigerador y expulsarlo al exterior. Por su parte, un acondicionador de aire enfría una edificación con una bobina fría interior llamada evaporador. El condensador, una bobina exterior caliente, libera el calor acumulado hacia el exterior. Las bobinas del evaporador y del condensador son tubos de cobre serpentinos rodeados por aletas de aluminio o cobre. Una bomba, llamada compresor, mueve un fluido de transferencia de calor (o refrigerante) entre el evaporador y el condensador. La bomba fuerza el refrigerante a través del circuito de tubos y aletas en las bobinas. El refrigerante líquido se evapora en la bobina del evaporador interior, extrayendo el calor del aire interior y enfriando la casa. El gas refrigerante caliente se bombea al exterior, a través del condensador, donde vuelve a convertirse en líquido y cede su calor al aire que fluye por las tuberías y aletas metálicas del condensador.
Los pequeños tubos de cobre tienen un gran impacto en la eficiencia del aire acondicionado. Las bobinas hechas con tubos de cobre pequeños especialmente acanalados hacen que los aires acondicionados sean más livianos y más eficientes. Ante la necesidad de una eficiencia energética, sobre todo por los altos costos de la energía eléctrica en los hogares, es importante saber si el sistema de aire acondicionado está funcionando de manera eficiente o simplemente es un “monstruo” de alto consumo de energía. El papel del cobre en la industria del aire acondicionado y la refrigeración es cada vez más importante. En la búsqueda de reducir los gastos de operación en los hogares, además de utilizar electrodomésticos ecológicamente racionales, elegir sistemas que utilicen las características superiores de transferencia de calor del cobre es una decisión sabia y concienzuda.
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