Refrigeración

La recolección estacional de nieve y hielo es una práctica antigua que se estima que comenzó antes del 1000 a. C. ^{[ 13 ]} Una colección china de letras de este período, conocida como el Shijing , describe ceremonias religiosas para llenar y vaciar bodegas de hielo. Sin embargo, se sabe poco sobre la construcción de estas bodegas de hielo o el propósito del hielo. La dinastía Tang (618 d. C.) usaba salitre raspado de las paredes para producir hielo en verano. ^{[ 14 ]} La siguiente sociedad antigua en registrar la recolección de hielo pudo haber sido la judía en el libro de Proverbios, que dice: "Como el frío de la nieve en el tiempo de la cosecha, así es un mensajero fiel para quienes lo envían". Los historiadores han interpretado esto como que los judíos usaban hielo para enfriar bebidas en lugar de para conservar alimentos. Otras culturas antiguas, como la griega y la romana, cavaban grandes pozos de nieve aislados con hierba, paja o ramas de árboles como almacenamiento en frío. Al igual que los judíos, los griegos y los romanos no usaban hielo ni nieve para conservar alimentos, sino principalmente para enfriar bebidas. Los egipcios enfriaban el agua por evaporación en tinajas de barro poco profundas colocadas en los tejados de sus casas por la noche. Los antiguos habitantes de la India utilizaban este mismo concepto para producir hielo. Los persas almacenaban hielo en un pozo llamado Yakhchal y es posible que fueran el primer grupo en utilizar el almacenamiento en frío para conservar alimentos. En el interior de Australia, antes de que existiera un suministro eléctrico fiable, muchos agricultores utilizaban una despensa Coolgardie , que consistía en una estructura de caja con laterales de arpillera empapados en agua. El agua se evaporaba y, por lo tanto, enfriaba el aire interior, lo que permitía conservar muchos productos perecederos como frutas, mantequilla y embutidos. ^{[ 15 ] [ 16 ] : 5–6}

Antes de 1830, pocos estadounidenses usaban hielo para refrigerar alimentos debido a la falta de almacenes de hielo y neveras. A medida que estos se hicieron más accesibles, la gente comenzó a usar hachas y sierras para extraer hielo para sus almacenes. Este método resultó ser difícil, peligroso y, sin duda, no se parecía a nada que pudiera replicarse a escala comercial. ^{[ 16 ] : 8–11}

A pesar de las dificultades para extraer hielo, Frederic Tudor creyó que podía sacar provecho de este nuevo recurso extrayéndolo en Nueva Inglaterra y exportándolo a las islas del Caribe y a los estados del sur. Al principio, Tudor perdió miles de dólares, pero finalmente obtuvo ganancias al construir almacenes de hielo en Charleston, Virginia, y en el puerto cubano de La Habana. Estos almacenes, junto con barcos mejor aislados, ayudaron a reducir el desperdicio de hielo del 66% al 8%. Esta mejora en la eficiencia impulsó a Tudor a expandir su mercado de hielo a otras ciudades con almacenes de hielo, como Nueva Orleans y Savannah. Este mercado se expandió aún más cuando la extracción de hielo se volvió más rápida y económica después de que uno de los proveedores de Tudor, Nathaniel Wyeth, inventara un cortador de hielo tirado por caballos en 1825. Este invento, junto con el éxito de Tudor, inspiró a otros a participar en el comercio del hielo , y así creció la industria del hielo.

El hielo se convirtió en un producto de consumo masivo a principios de la década de 1830, cuando su precio bajó de seis centavos por libra a medio centavo por libra. En la ciudad de Nueva York, el consumo de hielo aumentó de 12 000 toneladas en 1843 a 100 000 toneladas en 1856. El consumo de Boston se disparó de 6 000 toneladas a 85 000 toneladas durante ese mismo período. La recolección de hielo creó una «cultura de la refrigeración», ya que la mayoría de la gente usaba hielo y neveras para conservar sus productos lácteos, pescado, carne e incluso frutas y verduras. Estas primeras prácticas de almacenamiento en frío allanaron el camino para que muchos estadounidenses adoptaran la tecnología de refrigeración que pronto se extendería por todo el país. ^{[ 16 ] : 11–13 [ 17 ] : 20–23}

La historia de la refrigeración artificial comenzó cuando William Cullen diseñó una pequeña máquina de refrigeración en 1755. Cullen utilizó una bomba para crear un vacío parcial sobre un recipiente con éter dietílico , que luego hirvió , absorbiendo el calor del aire circundante. ^{[ 18 ]} El experimento incluso produjo una pequeña cantidad de hielo, pero no tenía ninguna aplicación práctica en ese momento.

En 1758, Benjamin Franklin y el químico John Hadley colaboraron en un proyecto para investigar el principio de la evaporación como método para enfriar rápidamente un objeto en la Universidad de Cambridge , Inglaterra . Confirmaron que la evaporación de líquidos altamente volátiles, como el alcohol y el éter, podía utilizarse para reducir la temperatura de un objeto por debajo del punto de congelación del agua. Realizaron su experimento con el bulbo de un termómetro de mercurio y un fuelle para acelerar la evaporación; bajaron la temperatura del bulbo del termómetro hasta -14 °C (7 °F) , mientras que la temperatura ambiente era de 18 °C (65 °F) . Observaron que, poco después de superar el punto de congelación del agua (0 °C/32 °F) , se formó una fina capa de hielo en la superficie del bulbo del termómetro, y que esta masa de hielo tenía un espesor de aproximadamente 6,4 milímetros ( 1/4 de pulgada ) cuando detuvieron el experimento al alcanzar los -14 °C (7 °F) . Franklin escribió: «A partir de este experimento, se puede ver la posibilidad de congelar a un hombre hasta la muerte en un cálido día de verano». ^{[ 19 ]} En 1805, el inventor estadounidense Oliver Evans describió un ciclo cerrado de refrigeración por compresión de vapor para la producción de hielo mediante éter al vacío.         

En 1820, Michael Faraday licuó amoníaco y otros gases mediante altas presiones y bajas temperaturas, y en 1834, Jacob Perkins construyó el primer sistema de refrigeración por compresión de vapor funcional del mundo. Era un ciclo cerrado que podía operar de forma continua, como describió en su patente: «Puedo utilizar fluidos volátiles para enfriar o congelar otros fluidos, y al mismo tiempo condensarlos constantemente y volver a ponerlos en funcionamiento sin desperdicio». Su prototipo funcionó, aunque no tuvo éxito comercial. ^{[ 20 ]}

En 1842, el médico John Gorrie realizó un intento similar , ^{[ 21 ]} quien construyó un prototipo funcional, pero fue un fracaso comercial. Al igual que muchos expertos médicos de la época, Gorrie pensaba que la exposición excesiva al calor tropical provocaba degeneración mental y física, así como la propagación de enfermedades como la malaria. ^{[ 17 ] : 23} Concibió la idea de utilizar su sistema de refrigeración para enfriar el aire y brindar confort en hogares y hospitales, con el fin de prevenir enfermedades. El ingeniero estadounidense Alexander Twining obtuvo una patente británica en 1850 para un sistema de compresión de vapor que utilizaba éter.

El primer sistema práctico de refrigeración por compresión de vapor fue construido por el periodista James Harrison . Su patente de 1856 era para un sistema de compresión de vapor que utilizaba éter, alcohol o amoníaco. Construyó una máquina mecánica para fabricar hielo en 1851 a orillas del río Barwon en Rocky Point, Geelong , Victoria , y su primera máquina comercial para fabricar hielo le siguió en 1854. Harrison también introdujo la refrigeración comercial por compresión de vapor en cervecerías y plantas empacadoras de carne, y para 1861, una docena de sus sistemas estaban en funcionamiento. Posteriormente, participó en el debate sobre cómo competir contra la ventaja estadounidense de las ventas de carne de res sin refrigerar al Reino Unido . En 1873 preparó el velero Norfolk para un envío experimental de carne de res al Reino Unido, que utilizó un sistema de cámara frigorífica en lugar de un sistema de refrigeración. La empresa fue un fracaso, ya que el hielo se consumió más rápido de lo esperado.

El primer sistema de refrigeración por absorción de gas que utilizaba amoníaco gaseoso disuelto en agua (conocido como "aqua amoniaco") fue desarrollado por Ferdinand Carré en 1859 y patentado en 1860. Carl von Linde , un ingeniero especializado en locomotoras de vapor y profesor de ingeniería en la Universidad Técnica de Múnich , comenzó a investigar la refrigeración en las décadas de 1860 y 1870 en respuesta a la demanda de los cerveceros de una tecnología que permitiera la producción de cerveza lager a gran escala durante todo el año ; patentó un método mejorado de licuefacción de gases en 1876. ^{[ 22 ]} Su nuevo proceso hizo posible el uso de gases como el amoníaco , el dióxido de azufre (SO ₂ ) y el cloruro de metilo (CH ₃ Cl) como refrigerantes y se utilizaron ampliamente para ese propósito hasta finales de la década de 1920.

Thaddeus Lowe , aeronauta, poseía varias patentes de máquinas para fabricar hielo. Su "Máquina de Hielo por Compresión" revolucionaría la industria de la refrigeración. En 1869, él y otros inversores compraron un antiguo barco de vapor en el que cargaron una de las unidades de refrigeración de Lowe y comenzaron a transportar fruta fresca desde Nueva York a la costa del Golfo, y carne fresca desde Galveston, Texas, de regreso a Nueva York. Sin embargo, debido a la falta de conocimientos de Lowe sobre transporte marítimo, el negocio resultó un costoso fracaso.

En 1842, John Gorrie creó un sistema capaz de refrigerar agua para producir hielo. Aunque fue un fracaso comercial, inspiró a científicos e inventores de todo el mundo. El francés Ferdinand Carré fue uno de ellos y creó un sistema de producción de hielo más simple y pequeño que el de Gorrie. Durante la Guerra Civil, ciudades como Nueva Orleans ya no podían obtener hielo de Nueva Inglaterra a través del comercio costero de hielo. El sistema de refrigeración de Carré se convirtió en la solución a los problemas de hielo de Nueva Orleans y, para 1865, la ciudad contaba con tres de las máquinas de Carré. ^{[ 16 ] : 25} En 1867, en San Antonio, Texas, un inmigrante francés llamado Andrew Muhl construyó una máquina de hacer hielo para ayudar a abastecer la creciente industria cárnica antes de trasladarla a Waco en 1871. En 1873, la patente de esta máquina fue contratada por Columbus Iron Works, una empresa adquirida por WC Bradley Co., que pasó a producir las primeras máquinas de hielo comerciales en los Estados Unidos.

Para la década de 1870, las cervecerías se habían convertido en los mayores consumidores de hielo cosechado. Si bien la industria de la cosecha de hielo había crecido enormemente a principios del siglo XX, la contaminación y las aguas residuales comenzaron a infiltrarse en el hielo natural, convirtiéndolo en un problema en los suburbios metropolitanos. Finalmente, las cervecerías comenzaron a quejarse del hielo contaminado. La preocupación pública por la pureza del agua, de la cual se formaba el hielo, comenzó a aumentar a principios del siglo XX con el auge de la teoría de los gérmenes. Numerosos medios de comunicación publicaron artículos que relacionaban enfermedades como la fiebre tifoidea con el consumo de hielo natural. Esto provocó que la cosecha de hielo se volviera ilegal en ciertas zonas del país. Todos estos escenarios aumentaron la demanda de refrigeración moderna y hielo manufacturado. Se recurrió a máquinas productoras de hielo como las de Carre y Muhl para producir hielo que satisficiera las necesidades de tenderos, agricultores y transportistas de alimentos. ^{[ 17 ] : 25 [ 16 ] : 110–111}

Los vagones refrigerados se introdujeron en los EE. UU. en la década de 1840 para el transporte de corta distancia de productos lácteos, pero estos utilizaban hielo cosechado para mantener una temperatura fría. ^{[ 23 ]}

La nueva tecnología de refrigeración se popularizó inicialmente en la industria como medio para congelar suministros de carne para su transporte marítimo en buques frigoríficos desde los Dominios Británicos y otros países hasta las Islas Británicas . Si bien no fue el primer buque en lograr un transporte exitoso de productos congelados al extranjero (el Strathleven llegó a los muelles de Londres el 2 de febrero de 1880 con un cargamento de carne de res, cordero y mantequilla congeladas procedentes de Sídney y Melbourne ^{[ 24 ]} ), el avance se atribuye a menudo a William Soltau Davidson , un empresario que había emigrado a Nueva Zelanda . Davidson creía que el creciente aumento de la población y la demanda de carne en Gran Bretaña podrían mitigar la caída de los mercados mundiales de lana que afectaba gravemente a Nueva Zelanda. Tras una extensa investigación, encargó al Dunedin la instalación de una unidad de refrigeración por compresión para el transporte de carne en 1881. El 15 de febrero de 1882, el Dunedin zarpó hacia Londres en lo que sería el primer viaje de transporte refrigerado comercialmente exitoso y la base de la industria de la carne refrigerada . ^{[ 25 ]}

El Times comentó: «Hoy tenemos que registrar tal triunfo sobre las dificultades físicas, que habría sido increíble, incluso inimaginable, hace tan solo unos días ...». El Marlborough  —buque gemelo del Dunedin—  fue convertido inmediatamente y se unió al comercio al año siguiente, junto con elbuque rival de la New Zealand Shipping Company, el Mataurua , mientras que el vapor alemán Marsala comenzó a transportar cordero neozelandés congelado en diciembre de 1882. En cinco años, se enviaron 172 cargamentos de carne congelada desde Nueva Zelanda al Reino Unido, de los cuales solo 9 tuvieron cantidades significativas de carne decomisada. El transporte refrigerado también condujo a un auge más amplio de la carne y los lácteos en Australasia y Sudamérica. J & E Hall de Dartford , Inglaterra, equipó el SS Selembria con un sistema de compresión de vapor para traer 30 000 canales de cordero de las Islas Malvinas en 1886. ^{[ 26 ]} En los años siguientes, la industria se expandió rápidamente a Australia, Argentina y Estados Unidos.

Para la década de 1890, la refrigeración desempeñaba un papel vital en la distribución de alimentos. La industria cárnica dependía en gran medida del hielo natural en la década de 1880 y continuó dependiendo del hielo fabricado a medida que esas tecnologías estuvieron disponibles. ^{[ 17 ] : 142} Para 1900, las plantas empacadoras de carne de Chicago habían adoptado la refrigeración comercial de ciclo de amoníaco. Para 1914, casi todos los lugares utilizaban refrigeración artificial. Los principales empacadores de carne , Armour, Swift y Wilson, habían comprado las unidades más caras que instalaron en vagones de tren y en sucursales y almacenes en las áreas de distribución más remotas.

A mediados del siglo XX, las unidades de refrigeración se diseñaron para su instalación en camiones. Los vehículos refrigerados se utilizan para transportar productos perecederos, como alimentos congelados, frutas y verduras, y productos químicos sensibles a la temperatura. La mayoría de los refrigeradores modernos mantienen la temperatura entre -40 y -20  °C y tienen una carga útil máxima de aproximadamente 24 000  kg de peso bruto (en Europa).

Aunque la refrigeración comercial progresó rápidamente, tenía limitaciones que impidieron su adopción en los hogares. En primer lugar, la mayoría de los refrigeradores eran demasiado grandes. Algunas de las unidades comerciales utilizadas en 1910 pesaban entre cinco y doscientas toneladas. En segundo lugar, los refrigeradores comerciales eran costosos de producir, comprar y mantener. Por último, estos refrigeradores eran inseguros. No era raro que los refrigeradores comerciales se incendiaran, explotaran o liberaran gases tóxicos. La refrigeración no se convirtió en una tecnología doméstica hasta que se superaron estos tres desafíos. ^{[ 17 ] : 38}

A principios del siglo XIX, los consumidores conservaban sus alimentos almacenando en neveras de hielo los alimentos y el hielo que compraban a los recolectores. En 1803, Thomas Moore patentó una tina metálica para almacenar mantequilla, que se convirtió en el prototipo de la mayoría de las neveras de hielo. Estas neveras se utilizaron hasta casi 1910 y la tecnología no avanzó. De hecho, los consumidores que usaban la nevera de hielo en 1910 se enfrentaban al mismo problema de tener una nevera mohosa y maloliente que los consumidores de principios del siglo XIX. ^{[ 17 ] : 23, 38}

General Electric (GE) fue una de las primeras empresas en superar estos desafíos. En 1911, GE lanzó una unidad de refrigeración doméstica que funcionaba con gas. El uso de gas eliminó la necesidad de un motor compresor eléctrico y redujo el tamaño del refrigerador. Sin embargo, las compañías eléctricas que eran clientes de GE no se beneficiaron de una unidad a gas. Por lo tanto, GE invirtió en el desarrollo de un modelo eléctrico. En 1927, GE lanzó el Monitor Top, el primer refrigerador que funcionaba con electricidad. ^{[ 17 ] : 43–45}

En 1930, Frigidaire, uno de los principales competidores de GE, sintetizó Freón . ^{[ 17 ] : 44} Con la invención de refrigerantes sintéticos basados ​​principalmente en un clorofluorocarbono (CFC), fue posible obtener refrigeradores más seguros para uso doméstico y de consumo. El Freón condujo al desarrollo de refrigeradores más pequeños, ligeros y económicos. El precio promedio de un refrigerador bajó de $275 a $154 con la síntesis del Freón. Este precio más bajo permitió que la posesión de refrigeradores en los hogares estadounidenses superara el 50% para 1940. ^{[ 17 ] : 45} Freón es una marca registrada de DuPont Corporation y se refiere a estos CFC, y posteriormente a los hidroclorofluorocarbonos (HCFC) e hidrofluorocarbonos (HFC), refrigerantes desarrollados a finales de la década de 1920. Estos refrigerantes se consideraban —en ese momento— menos dañinos que los refrigerantes de uso común de la época, incluidos el formiato de metilo, el amoníaco, el cloruro de metilo y el dióxido de azufre. El objetivo era proporcionar equipos de refrigeración para uso doméstico sin peligro. Estos refrigerantes CFC satisfacían esa necesidad. Sin embargo, en la década de 1970, se descubrió que estos compuestos reaccionaban con el ozono atmosférico, una importante protección contra la radiación ultravioleta solar, y su uso como refrigerante a nivel mundial se restringió mediante el Protocolo de Montreal de 1987.

El vagón refrigerado ( furgoneta refrigerada o vagón frigorífico ), junto con la densa red ferroviaria, se convirtió en un vínculo sumamente importante entre el mercado y la granja, lo que permitió una oportunidad a nivel nacional en lugar de solo regional. Antes de la invención del vagón refrigerado, era imposible transportar productos alimenticios perecederos a largas distancias. La industria cárnica fue la que impulsó inicialmente la demanda de vagones refrigerados. Las compañías ferroviarias tardaron en adoptar este nuevo invento debido a sus grandes inversiones en vagones para ganado, corrales de engorde y cebaderos . ^{[ 27 ]} Los vagones refrigerados también eran complejos y costosos en comparación con otros vagones, lo que también ralentizó su adopción. Tras esta lenta adopción, la industria cárnica dominó el negocio de los vagones refrigerados gracias a su capacidad para controlar las fábricas de hielo y fijar las tarifas de hielo. El Departamento de Agricultura de los Estados Unidos estimó que, en 1916, más del sesenta y nueve por ciento del ganado sacrificado en el país se procesaba en plantas involucradas en el comercio interestatal. Las mismas empresas que también participaban en el comercio de carne posteriormente implementaron el transporte refrigerado para incluir verduras y frutas. Las empresas de envasado de carne contaban con gran parte de la maquinaria costosa, como vagones refrigerados e instalaciones de almacenamiento en frío, lo que les permitía distribuir eficazmente todo tipo de productos perecederos. Durante la Primera Guerra Mundial, la Administración de los Estados Unidos estableció un parque nacional de vagones refrigerados para abordar el problema de los vagones inactivos, el cual continuó después de la guerra. ^{[ 28 ]} El problema de los vagones inactivos consistía en vagones refrigerados que permanecían parados sin motivo entre las cosechas estacionales. Esto significaba que vagones muy costosos permanecían en depósitos ferroviarios durante gran parte del año sin generar ingresos para sus propietarios. El parque de vagones era un sistema en el que los vagones se distribuían a las zonas según la maduración de los cultivos, asegurando así su máximo aprovechamiento. Los vagones refrigerados se desplazaban hacia el este desde viñedos, huertos, campos y jardines en los estados del oeste para abastecer el mercado de consumo estadounidense en el este. ^{[ 29 ]} El vagón refrigerado hizo posible el transporte de cultivos perecederos a cientos e incluso miles de kilómetros o millas. El efecto más notable que produjo el vagón fue una especialización regional de frutas y verduras. El vagón frigorífico se utilizó ampliamente para el transporte de productos perecederos hasta la década de 1950. Para la década de 1960, el sistema nacional de autopistas interestatales estaba suficientemente desarrollado, lo que permitió que los camiones transportaran la mayor parte de los alimentos perecederos y desplazara el antiguo sistema de vagones frigoríficos. ^{[ 30 ]}

El uso generalizado de la refrigeración permitió que se abrieran numerosas oportunidades agrícolas en Estados Unidos. Surgieron nuevos mercados en todo el país, en zonas previamente deshabitadas y alejadas de las áreas densamente pobladas. Se presentaron nuevas oportunidades agrícolas en zonas consideradas rurales, como los estados del sur y del oeste. Los envíos a gran escala desde el sur y California se realizaron casi simultáneamente, aunque en California se utilizó hielo natural de las Sierras en lugar de hielo fabricado en el sur. ^{[ 31 ]} La refrigeración permitió que muchas zonas se especializaran en el cultivo de frutas específicas. California se especializó en varias frutas, como uvas, melocotones, peras, ciruelas y manzanas, mientras que Georgia se hizo famosa especialmente por sus melocotones. En California, la aceptación de los vagones refrigerados condujo a un aumento de las cargas de vagones de 4500 cargas en 1895 a entre 8000 y 10000 cargas en 1905. ^{[ 16 ] : 156} Los estados del Golfo, Arkansas, Missouri y Tennessee entraron en la producción de fresas a gran escala, mientras que Mississippi se convirtió en el centro de la industria del tomate . Nuevo México, Colorado, Arizona y Nevada cultivaban melones cantalupo. Sin refrigeración, esto no habría sido posible. Para 1917, las áreas bien establecidas de frutas y verduras que estaban cerca de los mercados del este sintieron la presión de la competencia de estos centros especializados distantes. ^{[ 16 ] : 158} La refrigeración no se limitó a la carne, las frutas y las verduras, sino que también abarcó los productos lácteos y las granjas lecheras. A principios del siglo XX, las grandes ciudades obtenían su suministro de lácteos de granjas a una distancia de hasta 640 kilómetros (400 millas) . Los productos lácteos no se transportaban tan fácilmente a grandes distancias como las frutas y verduras debido a su mayor perecibilidad. La refrigeración hizo posible la producción en el oeste, lejos de los mercados orientales, hasta tal punto que los productores de leche podían pagar el costo del transporte y aun así vender a precios más bajos que sus competidores orientales. ^{[ 16 ] : 168} La refrigeración y el ferrocarril refrigerado brindaron oportunidades a áreas con suelos fértiles lejos de canales de transporte naturales como ríos, senderos de valles o puertos. ^{[ 32 ]} 

El término "ciudad periférica" ​​fue acuñado por Joel Garreau , mientras que el de "ciudad galáctica" fue acuñado por Lewis Mumford . Estos términos se refieren a la concentración de negocios, tiendas y entretenimiento fuera del centro tradicional o distrito comercial principal, en lo que anteriormente había sido una zona residencial o rural. Varios factores contribuyeron al crecimiento de ciudades como Los Ángeles, Las Vegas, Houston y Phoenix. Entre los factores que contribuyeron a estas grandes ciudades se incluyen automóviles confiables, sistemas de carreteras, refrigeración y el aumento de la producción agrícola. Las grandes ciudades como las mencionadas no han sido infrecuentes en la historia, pero lo que las distingue del resto es que no se ubican a lo largo de una vía de transporte natural, ni en la confluencia de dos o más vías, como un sendero, un puerto, una montaña, un río o un valle. Estas grandes ciudades se han desarrollado en áreas que hace tan solo unos siglos habrían sido inhabitables. Sin una forma rentable de refrigerar el aire y transportar agua y alimentos desde grandes distancias, estas grandes ciudades nunca se habrían desarrollado. El rápido crecimiento de estas ciudades estuvo influenciado por la refrigeración y un aumento de la productividad agrícola, lo que permitió que granjas más distantes alimentaran eficazmente a la población. ^{[ 32 ]}

La introducción de la refrigeración y la evolución de tecnologías adicionales transformaron drásticamente la agricultura en Estados Unidos. A principios del siglo XX, la agricultura era una ocupación y un estilo de vida común para los estadounidenses, ya que la mayoría de los agricultores vivían en sus granjas. En 1935, existían 6,8 millones de granjas en Estados Unidos y una población de 127 millones. Sin embargo, a pesar del continuo crecimiento demográfico, el número de personas dedicadas a la agricultura sigue disminuyendo. Según el censo estadounidense de 2007, menos del uno por ciento de una población de 310 millones de personas se dedica a la agricultura. No obstante, el aumento de la población ha generado una mayor demanda de productos agrícolas, que se satisface mediante una mayor variedad de cultivos, fertilizantes, pesticidas y mejoras tecnológicas. Estas mejoras han reducido el riesgo y el tiempo necesarios para la gestión agrícola, permitiendo a las grandes explotaciones aumentar su producción per cápita para satisfacer la demanda de la sociedad. ^{[ 33 ]}

Antes de 1882, la Isla Sur de Nueva Zelanda experimentaba con la siembra de pastos y el cruce de ovejas, lo que inmediatamente brindó a sus agricultores un potencial económico en la exportación de carne. En 1882, se realizó el primer envío exitoso de canales de oveja desde Port Chalmers en Dunedin , Nueva Zelanda, a Londres . Para la década de 1890, el comercio de carne congelada se volvió cada vez más rentable en Nueva Zelanda, especialmente en Canterbury , de donde provenía el 50% de las canales de oveja exportadas en 1900. Pronto, la carne de Canterbury se hizo famosa por su altísima calidad, lo que generó una demanda de carne neozelandesa en todo el mundo. Para satisfacer esta nueva demanda, los agricultores mejoraron la alimentación de sus ovejas para que estuvieran listas para el sacrificio en tan solo siete meses. Este nuevo método de envío impulsó un auge económico en Nueva Zelanda a mediados de la década de 1890. ^{[ 34 ]}

En Estados Unidos, la Ley de Inspección de Carne de 1891 se promulgó debido a que los carniceros locales consideraban que el sistema de vagones refrigerados era insalubre. ^{[ 35 ]} Cuando la industria cárnica comenzó a desarrollarse, los consumidores se mostraron preocupados por la calidad de la carne. La novela de Upton Sinclair de 1906, La Jungla, atrajo la atención negativa hacia la industria cárnica al exponer las condiciones laborales insalubres y el procesamiento de animales enfermos. El libro llamó la atención del presidente Theodore Roosevelt , y la Ley de Inspección de Carne de 1906 se promulgó como una enmienda a la Ley de Inspección de Carne de 1891. Esta nueva ley se centró en la calidad de la carne y el entorno en el que se procesa. ^{[ 36 ]}

A principios de la década de 1930, el 90% de la población urbana de Estados Unidos contaba con electricidad , en comparación con solo el 10% de los hogares rurales. En aquel entonces, las compañías eléctricas no creían que extender el suministro eléctrico a las zonas rurales ( electrificación rural ) generaría suficientes ganancias como para que les resultara rentable. Sin embargo, en plena Gran Depresión , el presidente Franklin D. Roosevelt se percató de que las zonas rurales seguirían rezagadas con respecto a las urbanas tanto en pobreza como en producción si no contaban con conexión eléctrica. El 11 de mayo de 1935, el presidente firmó una orden ejecutiva denominada Administración de Electrificación Rural (REA, por sus siglas en inglés). Esta agencia proporcionó préstamos para financiar la infraestructura eléctrica en las zonas rurales. En tan solo unos años, 300 000 personas en zonas rurales de Estados Unidos recibieron electricidad en sus hogares.

Si bien la electricidad mejoró drásticamente las condiciones de trabajo en las granjas, también tuvo un gran impacto en la seguridad de la producción de alimentos. Se introdujeron sistemas de refrigeración en los procesos agrícolas y de distribución de alimentos , lo que contribuyó a la conservación de los alimentos y a la seguridad de los suministros . La refrigeración también permitió el transporte de productos perecederos por todo Estados Unidos. Como resultado, los agricultores estadounidenses se convirtieron rápidamente en los más productivos del mundo ^{[ 37 ]} y surgieron sistemas alimentarios completamente nuevos.

Para reducir los niveles de humedad y el deterioro causado por el crecimiento bacteriano, actualmente se utiliza la refrigeración en el procesamiento de carne, frutas, verduras y productos lácteos en la agricultura. Los sistemas de refrigeración se utilizan con mayor intensidad durante los meses más cálidos para los productos agrícolas, que deben enfriarse lo antes posible para cumplir con los estándares de calidad y prolongar su vida útil. Por su parte, las granjas lecheras refrigeran la leche durante todo el año para evitar que se eche a perder. ^{[ 38 ]}

La introducción de la refrigeración permitió la manipulación y el almacenamiento higiénicos de productos perecederos ^{[ 44 ]} , lo que impulsó el crecimiento de la producción, el consumo y la disponibilidad de nutrientes. El cambio en nuestro método de conservación de alimentos nos alejó de la sal y nos llevó a un nivel de sodio más manejable. La capacidad de transportar y almacenar productos perecederos como la carne y los lácteos conllevó un aumento del 1,7 % en el consumo de lácteos y una ingesta total de proteínas del 1,25 % anual en los EE. UU. después de la década de 1890 ^{[ 45 ] .}

La gente no solo consumía estos productos perecederos porque les resultaba más fácil almacenarlos, sino también porque las innovaciones en el transporte y almacenamiento refrigerado reducían el deterioro y el desperdicio, lo que provocaba una disminución en los precios de estos productos. La refrigeración representa al menos el 5,1 % del aumento de la estatura adulta (en EE. UU.) gracias a una mejor nutrición, ^{[ 46 ] [ 47 ]} y cuando se tienen en cuenta los efectos indirectos asociados a las mejoras en la calidad de los nutrientes y la reducción de las enfermedades, el impacto general se vuelve considerablemente mayor. ^{[ 45 ]} Estudios recientes también han demostrado una relación negativa entre el número de refrigeradores en un hogar y la tasa de mortalidad por cáncer gástrico. ^{[ 48 ]}

Este método de refrigeración enfría un área confinada mediante la fusión del hielo, la sublimación del hielo seco o la evaporación del nitrógeno líquido . ^{[ 59 ]} Un ejemplo sencillo es una nevera portátil, donde se vierte hielo sobre los artículos que necesitan refrigeración, manteniéndolos fríos y aislados del calor. El hielo común mantiene temperaturas de congelación , pero no por debajo del punto de congelación, a menos que se use sal para enfriarlo aún más (como en una máquina de helados tradicional ). También se utilizan mezclas de otros disolventes con refrigerantes como hielo de agua, hielo seco o nitrógeno líquido para hacer baños de enfriamiento para química. El hielo seco puede bajar la temperatura de forma fiable muy por debajo del punto de congelación del agua, hasta 195 K.

Este proceso consiste en un ciclo de refrigeración, donde el calor se extrae de un espacio o fuente de baja temperatura y se disipa en un sumidero de alta temperatura mediante trabajo externo, inverso del ciclo de potencia termodinámico . En el ciclo de potencia, el calor se suministra desde una fuente de alta temperatura al motor, utilizándose parte de este calor para producir trabajo y disipándose el resto en un sumidero de baja temperatura. Esto cumple con la segunda ley de la termodinámica .

Un ciclo de refrigeración describe los cambios que experimenta el refrigerante al absorber y liberar calor alternativamente mientras circula por un refrigerador . También se aplica a los sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVACR) para describir el proceso de flujo del refrigerante a través de una unidad HVACR, ya sea un sistema compacto o dividido.

El calor fluye naturalmente de lo caliente a lo frío. Se aplica trabajo para enfriar un espacio habitable o un volumen de almacenamiento bombeando calor desde una fuente de calor de menor temperatura a un sumidero de calor de mayor temperatura. El aislamiento se utiliza para reducir el trabajo y la energía necesarios para alcanzar y mantener una temperatura más baja en el espacio enfriado. El principio de funcionamiento del ciclo de refrigeración fue descrito matemáticamente por Sadi Carnot en 1824 como una máquina térmica .

Los tipos más comunes de sistemas de refrigeración utilizan el ciclo de refrigeración por compresión de vapor de Rankine inverso , aunque las bombas de calor de absorción se utilizan en una minoría de aplicaciones.

La refrigeración cíclica se puede clasificar como:

1. Ciclo de vapor y
2. Ciclo de gases

La refrigeración por ciclo de vapor se puede clasificar además como:

1. Refrigeración por compresión de vapor
2. refrigeración por sorción
   1. Refrigeración por absorción de vapor
   2. refrigeración por adsorción

Ciclo de compresión de vapor

El ciclo de compresión de vapor se utiliza en la mayoría de los refrigeradores domésticos, así como en muchos sistemas de refrigeración comerciales e industriales de gran tamaño. La figura 1 muestra un diagrama esquemático de los componentes de un sistema típico de refrigeración por compresión de vapor.

La termodinámica del ciclo se puede analizar en un diagrama ^{[ 60 ]} como se muestra en la Figura 2. En este ciclo, un refrigerante circulante, como un hidrocarburo de bajo punto de ebullición o hidrofluorocarbonos , entra al compresor como vapor. Del punto 1 al punto 2, el vapor se comprime a entropía constante y sale del compresor como vapor a una temperatura más alta, pero aún por debajo de la presión de vapor a esa temperatura. Del punto 2 al punto 3 y luego al punto 4, el vapor viaja a través del condensador que lo enfría hasta que comienza a condensarse, y luego condensa el vapor en un líquido eliminando calor adicional a presión y temperatura constantes. Entre los puntos 4 y 5, el refrigerante líquido pasa por la válvula de expansión (también llamada válvula de mariposa) donde su presión disminuye abruptamente, causando evaporación instantánea y autorrefrigeración de, típicamente, menos de la mitad del líquido.

Esto da como resultado una mezcla de líquido y vapor a menor temperatura y presión, como se muestra en el punto 5. La mezcla fría de líquido y vapor circula a través de la serpentina o los tubos del evaporador y se vaporiza completamente al enfriarse el aire caliente (proveniente del espacio que se está refrigerando) que un ventilador impulsa a través de la serpentina o los tubos del evaporador. El vapor refrigerante resultante regresa a la entrada del compresor en el punto 1 para completar el ciclo termodinámico.

La discusión anterior se basa en el ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor y no considera efectos reales como la caída de presión por fricción en el sistema, la ligera irreversibilidad termodinámica durante la compresión del vapor refrigerante o el comportamiento no ideal del gas , si lo hubiera. Los refrigeradores de compresión de vapor pueden configurarse en dos etapas en sistemas de refrigeración en cascada , donde la segunda etapa enfría el condensador de la primera. Esto permite alcanzar temperaturas muy bajas.

En el clásico Manual del Ingeniero Químico de Perry se puede encontrar más información sobre el diseño y el rendimiento de los sistemas de refrigeración por compresión de vapor . ^{[ 61 ]}

La refrigeración termoeléctrica utiliza el efecto Peltier para crear un flujo de calor entre la unión de dos tipos de material. ^{[ 63 ]} Este efecto se utiliza comúnmente en neveras portátiles y de camping, y para enfriar componentes electrónicos ^{[ 64 ]} e instrumentos pequeños. Los enfriadores Peltier se utilizan a menudo donde un refrigerador tradicional de ciclo de compresión de vapor sería poco práctico o ocuparía demasiado espacio, y en sensores de imagen refrigerados como una forma fácil, compacta y ligera, aunque ineficiente, de alcanzar temperaturas muy bajas, utilizando enfriadores Peltier de dos o más etapas dispuestos en una configuración de refrigeración en cascada , lo que significa que dos o más elementos Peltier se apilan uno encima del otro, siendo cada etapa más grande que la anterior, ^{[ 65 ] [ 66 ] [ 67 ]} para extraer más calor y el calor residual generado por las etapas anteriores. La refrigeración Peltier tiene un COP (eficiencia) bajo en comparación con el del ciclo de compresión de vapor, por lo que emite más calor residual (calor generado por el elemento Peltier o el mecanismo de refrigeración) y consume más energía para una capacidad de refrigeración dada. ^{[ 68 ]}

La refrigeración magnética, o desmagnetización adiabática , es una tecnología de enfriamiento basada en el efecto magnetocalórico, una propiedad intrínseca de los sólidos magnéticos. El refrigerante suele ser una sal paramagnética , como el nitrato de cerio y magnesio . En este caso, los dipolos magnéticos activos son los de las capas electrónicas de los átomos paramagnéticos.

Se aplica un campo magnético intenso al refrigerante, forzando la alineación de sus dipolos magnéticos y reduciendo su entropía . Un disipador de calor absorbe el calor liberado por el refrigerante debido a esta pérdida de entropía. Posteriormente, se interrumpe el contacto térmico con el disipador, aislando así el sistema, y ​​se desactiva el campo magnético. Esto aumenta la capacidad calorífica del refrigerante, disminuyendo su temperatura por debajo de la del disipador.

Debido a que pocos materiales presentan las propiedades necesarias a temperatura ambiente, hasta ahora sus aplicaciones se han limitado a la criogenia y la investigación.

Otros métodos de refrigeración incluyen la máquina de ciclo de aire utilizada en aeronaves; el tubo de vórtice utilizado para enfriamiento localizado, cuando se dispone de aire comprimido; y la refrigeración termoacústica que utiliza ondas sonoras en un gas presurizado para impulsar la transferencia e intercambio de calor; la refrigeración por chorro de vapor popular a principios de la década de 1930 para el aire acondicionado de grandes edificios; la refrigeración termoelástica que utiliza una aleación de metal inteligente que se estira y se relaja. Muchos motores térmicos de ciclo Stirling pueden funcionar a la inversa para actuar como refrigeradores, y por lo tanto estos motores tienen un uso específico en criogenia . Además, existen otros tipos de criorefrigeradores como los refrigeradores Gifford-McMahon, los refrigeradores Joule-Thomson, los refrigeradores de tubo de pulso y, para temperaturas entre 2 mK y 500 mK, los refrigeradores de dilución .

Otra técnica potencial de refrigeración en estado sólido, y un área de estudio relativamente nueva, proviene de una propiedad especial de los materiales superelásticos . Estos materiales experimentan un cambio de temperatura al ser sometidos a una tensión mecánica (conocido como efecto elastocalórico). Dado que los materiales superelásticos se deforman reversiblemente a altas deformaciones , presentan una región elástica aplanada en su curva tensión-deformación, causada por una transformación de fase resultante de una fase cristalina austenítica a una martensítica .

Cuando un material superelástico se somete a una tensión en la fase austenítica, experimenta una transformación de fase exotérmica a la fase martensítica, lo que provoca su calentamiento. Al eliminar la tensión, el proceso se revierte, el material vuelve a su fase austenítica y absorbe el calor del entorno, enfriándose así.

Lo más atractivo de esta investigación es el potencial de eficiencia energética y respeto al medio ambiente de esta tecnología de refrigeración. Los diferentes materiales utilizados, comúnmente aleaciones con memoria de forma , proporcionan una fuente de refrigeración no tóxica y libre de emisiones. Los materiales más estudiados son las aleaciones con memoria de forma, como el nitinol y el Cu-Zn-Al. El nitinol es una de las aleaciones más prometedoras, con una liberación de calor de aproximadamente 66 J/cm³ ^y un cambio de temperatura de aproximadamente 16–20 K. ^{[ 69 ]} Debido a la dificultad de fabricar algunas de las aleaciones con memoria de forma, se han estudiado materiales alternativos como el caucho natural . Si bien el caucho puede no liberar tanto calor por volumen (12 J/cm³ ⁾ como las aleaciones con memoria de forma, aún genera un cambio de temperatura comparable de aproximadamente 12 K y opera en un rango de temperatura adecuado, con bajas tensiones y a bajo costo. ^{[ 70 ]}

El principal desafío, sin embargo, radica en las posibles pérdidas de energía en forma de histéresis , frecuentemente asociadas a este proceso. Dado que la mayor parte de estas pérdidas se deben a incompatibilidades entre las dos fases, es necesario un ajuste adecuado de la aleación para reducir las pérdidas y aumentar la reversibilidad y la eficiencia . El equilibrio entre la deformación de transformación del material y las pérdidas de energía permite que se produzca un gran efecto elastocalórico y, potencialmente, una nueva alternativa para la refrigeración. ^{[ 71 ]}

El método Fridge Gate es una aplicación teórica que utiliza una única puerta lógica para controlar un refrigerador de la manera más eficiente posible sin violar las leyes de la termodinámica. Se basa en el hecho de que una partícula puede existir en dos estados de energía: el estado fundamental y el estado excitado. El estado excitado posee un poco más de energía que el estado fundamental, una cantidad lo suficientemente pequeña como para que la transición ocurra con alta probabilidad. Existen tres componentes o tipos de partículas asociados con la puerta Fridge Gate. El primero se encuentra en el interior del refrigerador, el segundo en el exterior y el tercero está conectado a una fuente de alimentación que se calienta periódicamente hasta alcanzar el estado E y recargar la fuente. En la etapa de enfriamiento en el interior del refrigerador, la partícula en estado g absorbe energía de las partículas ambientales, enfriándolas y pasando al estado e. En la segunda etapa, en el exterior del refrigerador, donde las partículas también se encuentran en estado e, la partícula cae al estado g, liberando energía y calentando las partículas externas. En el tercer y último paso, la fuente de alimentación mueve una partícula en el estado e, y cuando cae al estado g induce un intercambio energéticamente neutro donde la partícula e interior es reemplazada por una nueva partícula g, reiniciando el ciclo. ^{[ 72 ]}

Al combinar un sistema pasivo de enfriamiento radiativo diurno con aislamiento térmico y enfriamiento evaporativo , un estudio encontró un aumento del 300 % en la potencia de enfriamiento ambiental en comparación con una superficie de enfriamiento radiativo independiente, lo que podría extender la vida útil de los alimentos en un 40 % en climas húmedos y en un 200 % en climas desérticos sin refrigeración. La capa de enfriamiento evaporativo del sistema requeriría recargas de agua cada 10 días a un mes en áreas húmedas y cada 4 días en áreas cálidas y secas. ^{[ 73 ]}