condensador y evaporador
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1. EL CONDENSADOR
El condensador tiene la función de extraer el calor que trae el refrigerante que ganó en el evaporador, en elcompresor y tuberías al ambiente. Para lograrlo, se debe asegurar que el refrigerante que vienen en estado
gaseoso, se condense para lo cual se debe tener una presión lo suficientemente alta que garantice que latemperatura de saturación a dicha presión, sea mayor que la del ambiente. Una parte de condensador tiene lafunción de quitar el calor sensible (1/6 parte), cuando llegamos a la temperatura de condensación ya no podemosenfriar más y empezamos a condensar. (4/6).
El condensador suele ser de un 35% a un 40% más grande que el evaporador. Para poder condensar ha de haberde 10ºC a 15ºC de ∆ t entre la temperatura de condensación a la presión de alta y la temperatura del mediocondensable o en otras palabras, la temperatura de condensación o saturación a la presión dada debe ser mayorde 10º a 15ºC con relación a la temperatura ambiental.
∆ t o DT = Temperatura Saturación – Temperatura ambiental
Con la temperatura de saturación y conociendo el tipo de refrigerante, se obtiene el valor de la presión de descargao de alta. La capacidad del condensador se expresa en Watts, BTU/Hr, Kcal/Hr y HP.
Un buen subenfriamiento, que es la diferencia de temperaturas entre la salida del condensador y la entrada delelemento de expansión, esta alrededor de 6ºC a 8ºC por debajo de la temperatura de condensación. Si elcondensador fuera demasiado grande no tendríamos suficiente presión de alta y no podríamos empujar el líquidohacia el evaporador.
La presión ideal de condensación es la mínima que podamos mantener todo el año. En el momento que cesa elmedio condensable aumentaría la temperatura de condensación y la presión.
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1.2. INFLUENCIA DEL CAMBIO DE PRESIÓN EN LA CONDENSACION
En la figura se muestran tres presiones diferentes de operación en su orden de mayor a menor, P1, P2 y P3. Lacapacidad del condensador es la cantidad de calor que el condensador es capaz de extraer al refrigerante. Si
disminuimos la temperatura de condensación el condensador podrá ser más pequeño. También nos modifica lacapacidad del condensador la relación de compresión, o la diferencia de presión entre la baja y la alta. Cuando másalta sea la temperatura de condensación más grande deberá ser el condensador para la misma potencia frigorífica.
Por ejemplo si tenemos dos cámaras de la misma potencia frigorífica pero de diferentes temperaturas aumentaríala capacidad del condensador al aumentar la relación de compresión.
1.3. INFLUENCIA DE FACTORES EXTERNOS QUE AFECTAN LA TRANSFERENCIA DE CALOR EN ELRENDIMIENTO DEL CONDENSADOR.
El problema de todos los condensadores es la suciedad que se acumula que hace de aislante impidiendo que salgael calor. En un ciclo normal, el liquido del condensador sale del mismo con un subenfriamiento, tal cual como seobserva en el punto 4 del diagrama, después de ello pasa al elemento de expansión hasta llegar al punto 1. Laabsorción de calor en el evaporador ocurre del punto 1 al punto 2.
Ahora si hay elementos que impiden la transferencia de calor al ambiente, el punto 4 se traslada al punto A,reduciendo la transferencia de calor al medio y por ende ya no hay subenfriamiento del liquido condensado. Delpunto A pasa al elemento de expansión, donde a la salida existen burbujas lo cual hace que la válvula no operebien, además , la absorción de calor ahora se reduce del punto B al punto 2, cayendo la eficiencia del sistema y suCOP. Veamos el efecto de la suciedad u objetos que impiden la transferencia de calor en el siguiente diagrama:
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1.4. CONTROL DE PRESION DEL CONDENSADOR
Uno de los retos en nuestros días es la reducción del consumo de energía de los sistemas de refrigeración. Lossistemas de refrigeración a diferencia de los de aire acondicionado, trabajan mucho mas tiempos y por tanto
consumen mucho mas energía. Uno de los métodos para ahorrar energía consiste en reducir el consumo delcompresor disminuyendo su presión de descarga.
En los días más calurosos, la presión ene le condensador aumenta y por ende el amperaje del compresor; esto sedebe a que se requiere de mayor trabajo para comprimir un gas refrigerante a una presión mayor. Cuando lapresión de descarga disminuye, disminuye el consumo de corriente del compresor.
Las capacidades de los condensadores dependen en parte del DT o diferencial de temperatura entre latemperatura de condensación y la temperatura ambiental del fluido que enfría el condensador. Si la temperatura delambiente disminuye, se incrementa la capacidad el condensador, esto se traduce en una presión menor y unconsumo menor del compresor.
En cuanto a los sistemas de expansión, la mucha caída de presión en el condensador afecta negativamente surendimiento de los mismos, reduciendo la capacidad el evaporados incrementándose el recalentamiento. Estacaída de presión también puede afectar el retorno de lubricante por las tuberías del sistema afectando la vida útildel mismo.
Se puede concluir entonces que el factor a tener en cuenta para determinar la presión mínima aceptable de trabajode un condensador es la máxima caída de presión permitida en el elemento de expansión. Una vez determinado,se ajustan los controles de presión del condensador para mantener la presión del mismo en los rangosestablecidos. Existen tres métodos comunes para controlar la presión en el condensador:
1.4.1. METODO DEL CICLAJE DE VENTILADORES
En los días donde la temperatura ambiente es muy baja, la presión en el condensador comienza a disminuir, para
no dejar caer mucho la presión se apagan ventiladores para disminuir la transferencia de calor y por ende seincrementa la presión en el condensador.
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Este método es sencillo de controlar, pero presenta fluctuaciones de presión en el recibidor de liquido y por tantovariará la presión que le llega al elemento de expansión fluctuando también su rendimiento.
1.4.2. METODO INUNDACION DE CONDENSADOR
Para este método se emplean válvulas reguladoras de presión, estas válvulas crean un diferencial de presión entreel condensador y el recibidor de líquido; la válvula no permite el paso de refrigerante hacia el recibidor hastacuando no haya llegado a un valor determinado, con esta acción el condensador se ira inundando de liquidorefrigerante incrementando la presión en el mismo.
Para compensar la caída de presión en el recibidor de liquido, se emplea una válvula adicional conectada entre ladescarga del compresor y el recibidor, que al detectar la diferencia de presión, hace que gas de la tubería dedescarga paso directamente al recibidor incrementando su presión.
Este método tiene la ventaja que se provee de un presión de liquido estable en el recibidor y por ende unaoperación estable del elemento de expansión, pero se requieren una carga adicional de refrigerante. Esterefrigerante adicional, debe almacenarse en el recibidor de liquido en los días calurosos.
1.4.3. METODO DE CONDENSADOR DIVIDO
Para eliminar el inconveniente de la adición de refrigerante extra al sistema, se establecen dos circuitos decondensadores ( en serie o paralelo ) para el funcionamiento en verano e invierno. El condensador de verano seapaga según sea necesario en los días de frio. Para lograr esto se emplea una válvula de tres vías que se ledenomina válvula recuperadora de calor. Esta válvula tiene una entrada común que viene de la descarga delcompresor y dos salidas que van a cada condensador.
En verano, se desenergiza la válvula permitiendo que el gas refrigerante pase en cantidades iguales a amboscondensadores alimentando las mitades de los mismos. En invierno, se energiza la válvula cerrando el flujo derefrigerante hacia el condensador de verano y ahora todo el refrigerante pasa por el condensador de invierno.
Para evitar que el condensador de verano acumule refrigerante liquido remanente durante el periodo de invierno,una válvula cheque se instala a su salida, para evitar el retorno de refrigerante. El refrigerante atrapado se devuelveal sistema mediante la conexión de una solenoide a la salida del condenador y la tubería de succión, y entre ellosuna restricción para disminuir la presión a su paso evitando golpes de presión en la línea de succión.
1.5. TIPOS DE CONDENSADORES
Los condensadores se dividen teniendo en cuenta el sistema de enfriamiento
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Algunas llevan una válvula de 3 vías para evitar quedarse sin presión en invierno si la temperatura de entrada esmenor de 20ºC.
Si esto ocurre el agua vuelve a circular por el condensador hasta que alcance una temperatura elevada.
TRATAMIENTO DEL AGUA:
Los problemas que puede crear el agua como elemento refrigerante son muchos, los más habituales son:
• La formación de incrustaciones.• Los cultivos orgánicos.• La corrosión de los metales empleados en la instalación.• Las aguas pueden clasificarse como duras o blandas o también ácidas o alcalinas.• Las aguas duras son aquellas que contienen un elevado contenido en sales de calcio y magnesio.• Las blandas son aquellas que contienen pequeñas cantidades de estas sales.• La acidez o alcalinidad del agua se refleja principalmente por su P.H.
• El agua utilizada en refrigeración generalmente procede de;
• Aguas subterráneas.• Aguas superficiales.• Aguas de mar.• Aguas de la red urbana.
Las aguas subterráneas o de pozos profundos son muy estimadas para procesos de enfriamiento debido a sutemperatura. Pero usualmente estas aguas son muy duras y tienen un alto contenido de sólidos disueltos por lo quesi no son debidamente tratadas presentan problemas de incrustaciones.
Las aguas superficiales generalmente están sujetas a grandes variaciones de temperatura y por el contrario
contienen poca cantidad de sólidos disueltos.
El agua de mar puede ser empleada siempre que la instalación esté construida con materiales resistentes a lacorrosión.
Las aguas de la red urbana no son adecuadas para muchos procesos de refrigeración.
Antes de realizar un tratamiento del agua debemos conocer su P.H. siendo por debajo de P.H. 7 ácida y por encimaalcalina.
Existen varios procedimientos para evitar la formación de incrustaciones o el ensuciamiento del circuito derefrigeración, los más destacados son:
• Filtración.
• Descalcificación.
• Acidificación.
La filtración del agua es empleada para evitar el ensuciamiento de las instalaciones. Los filtros están formados porelementos filtrantes como pueden ser tejidos metálicos o sintéticos.
La descalcificación se emplea para evitar la formación de incrustaciones.
Consiste en pasar el agua a una determinada velocidad a través de una resina que está alojada en un depósito.
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La resina cede los iones de sodio al agua modificando la dureza de ésta.
Cuando todos los iones del agua han sido cedidos el intercambiador está gastado y hay que regenerarlo.
El agua, una vez descalcificada, tiene tendencia a producir fenómenos de corrosión, por lo que es convenientecomplementar este tratamiento con otro para la corrosión.
La acidificación consiste en la adición de un ácido, normalmente el sulfûrico, que evita las incrustaciones.
1.6. CÁLCULOS DEL CONDENSADOR.
En los condensadores de aire debemos conocer el volumen de aire que es capaz de mover el condensador paraasegurar el intercambio de calor.
Para conocer el volumen primero debemos conocer la velocidad del aire, este valor nos lo da el anemómetro. Lasmedidas se han de hacer dentro de la superficie del condensador, se suman todas y se divide por el número de
lecturas. Después debemos conocer la superficie del condensador.
Por ejemplo si el condensador hace 40 cm x 25 cm = 1m² y si la velocidad obtenida es de 10m/s el resultado será:
10 m/s x 1m² = 10m³/s = 3600m³/h
Ejemplo 1: Tenemos un condensador que mueve 500m³/h, la temperatura del aire que entra es de 30ºC y del quesale 38ºC.
El calor específico del aire seco es 0,24 y el del aire húmedo 0,29.
La cantidad de calor que roba el condensador al refrigerante es de:
Q=m x t c Ce
Q= 500m3/h x 8 x 0,29= 1160 kcal/h.
Ejemplo 2: Tenemos un condensador de agua que mueve 500 l/h de agua. La temperatura de entrada es de 18ºC yla de salida de 25ºC.
El calor especifico del agua es 1.
La potencia del condensador es de:
Q= 500l/h x (25-18) x 1 = 3500kcal/h
Ejemplo 3: Hallar la longitud de un condensador a contra corriente para ayudar a un condensador de aire, la ayudaes de 1.500 kcal/h, empleando un tubo exterior circulación del agua de 7/8" y 5/8" para la circulación del gas.
K= 600
D t= de entre 10 a 12ºC
1 metro lineal de 5/8" tiene 0,05m2
Q= 600 x 0,05 x 12= 360kcal/h./m
Longitud del tubo = 1500: 360 = 4,16m de tubo de 5/8".
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1.7. SELECCIÓN DEL CONDENSADOR
1.7.1 METODO DEL FACTOR DE RECHAZO DE CALOR
El calor total rechazado en el condensador incluye tanto el calor absorbido en el evaporador, como la energíaequivalente del trabajo del compresor, así cualquier tipo de calor que el sistema adquiera en su ciclo. Algunosfabricantes de compresores publican o suministran datos referentes al rechazo total de calor como una parte de lasespecificaciones del compresor ( columna o dato designado como THR ), cuando se dispone de estos datos, debenusarse como una referencia para la selección del condensador.
Capacidad condensador = THR * [ 1 + ( % factor seguridad /100 ) ]
Cuando no se dispone de estos datos, la carga del condensador puede estimarse multiplicado la capacidad deenfriamiento del compresor ( que es la misma del evaporador ) por un factor de rechazo de calor que se obtiene entablas:
CUADRO 1. FACTORES DE RECHAZO DE CALOR PARA COMPRESORES ABIERTOS.TEMPERATURA
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90 100 110 120 130 140-30 1.37 1.42 1.47-20 1.33 1.37 1.42 1.47-10 1.28 1.32 1.37 1.42 1.470 1.24 1.28 1.32 1.37 1.41 1.4710 1.21 1.24 1.28 1.32 1.36 1.4220 1.17 1.20 1.24 1.28 1.32 1.3730 1.14 1.17 1.20 1.24 1.27 1.3240 1.12 1.15 1.17 1.20 1.23 1.2850 1.09 1.12 1.14 1.17 1.20 1.24
CUADRO 2. FACTORES DE RECHAZO DE CALOR PARA COMPRESORES HERMETICOS DE ENFRIAMIENTOEN SUCCION
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Capacidad Condensador = Capacidad enfriamiento compresor * Factor rechazo de calor.
1.7.2. METODO EMPIRICO
Se sabe que la capacidad del condensador debe ser mayor que la del evaporador. A medida que disminuye lapresión de baja en el evaporador, la capacidad del condensador disminuye, entonces en sistemas de lata
temperatura de evaporación, es donde el condensador debe incrementar su capacidad. Para estos sistemas, se ha
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experimentado que el condensador debe ser de un 30% a un 35% mas grande que la capacidad del evaporador,por tanto:
RANGO TEMPERATURA DE
EVAPORACION
CAPACIDAD COONDENSADOR
10º A - 0º CAPACIDAD CONDENSADOR = 1.25 * CAPACIDAD DEL EVAPORADOR-1ºC A -10ºC CAPACIDAD CONDENSADOR = 1.3 * CAPACIDAD DEL EVAPORADOR-11ºC A -20ºC CAPACIDAD CONDENSADOR = 1.35 * CAPACIDAD DEL EVAPORADOR-21ºC A -30ºC CAPACIDAD CONDENSADOR = 1.4 * CAPACIDAD DEL EVAPORADOR-31 A -40ºC CAPACIDAD CONDENSADOR = 1.45 * CAPACIDAD DEL EVAPORADOR
NOTA: Cuando se hayan seleccionado los elementos hay que cuidar que la capacidad frigorífica del evaporadorsumada a la del compresor no sea mayor que la del condensador, en otras palabras:
Capacidad Frig Condensador > Capacidad Frig Evaporador + Capacidad Frig compresor
1.7.3. METODO DE LOS FABRICANTES
Los fabricantes ofrecen diferentes formulas para calcular la potencia frigorífica de los condensadores; estos variande fabricante a fabricante, pero en general, la formula tiene que ver con los siguientes aspectos:
• El número de toberas para los ventiladores.• El tipo de refrigerante.• La capacidad del evaporador• La temperatura ambiente.• La temperatura de saturación del refrigerante.• Temperatura de entrada del aire.• Altitud de la instalación.• Material de las aletas.
2. EL EVAPORADOR
El evaporador es el lugar de la instalación donde se produce el intercambio térmico entre el refrigerante y el medioa enfriar; en otras palabras, es el encargado de absorber el calor de los alimentos, aire u otros fluidos para despuéspasárselo al refrigerante que entra en estado liquido evaporándose en el proceso debido a la absorción de calor.
Para que esto pueda ocurrir, se debe asegurar que la temperatura del refrigerante , en especial la de saturación oevaporación en este caso, este por debajo o inferior de la temperatura del recinto, esto con el fin que el refrigerantepueda absorver el calor del recinto. Para poder evaporar, ha de haber de 7ºC a 10ºC de ∆ t entre la temperatura deevaporación a la presión de baja y la temperatura del recinto a refrigerar o en otras palabras, la temperatura deevaporación o saturación a la presión dada debe ser menor de 7º a 10ºC con relación a la temperatura del recintoo espacio refrigerado.
∆ t o DT = Temperatura Recinto o espacio refrigerado – Temperatura saturación a presión de baja
Con la temperatura de saturación y conociendo el tipo de refrigerante, se obtiene el valor de la presión de succion ode baja.
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2.3. INFLUENCIA DE FACTORES EXTERNOS QUE AFECTAN LA TRANSFERANCIA DE CALOR EN ELRENDIMIENTO DEL CONDENSADOR.
El problema de todos los evaporadores, al igual que los condensadores, es la suciedad que se acumula que hace
de aislante impidiendo que absorva el calor, hay que agregar también cuando se congela que tiene también unefecto parecido al de la suciedad, afectando la transferencia de calor. En un ciclo normal, el vapor del evaporadorsale del mismo con un recalentamiento ( del orden de los 3ºC a los 7ºC ) tal cual como se observa en el punto 2 deldiagrama, después de ello pasa al compresor hasta llegar al punto 3. La absorción de calor en el evaporadorocurre del punto 1 al punto 2.
Ahora si hay elementos que impiden la transferencia de calor al evaporador tales como sucio o hielo, el punto 2 setraslada al punto A, reduciendo la transferencia de calor del recinto al evaporador, su COP y por ende ya no hayrecalentamiento del vapor refrigerante a la salida del evaporador. Si del punto A pasa al compresor, habrá gotasque afecten el mecanismo del mismo, al mismo tiempo la salida a la descarga del compresor posee menortemperatura. Veamos el efecto de la suciedad u objetos que impiden la transferencia de calor en el siguientediagrama:
2.3. TIPOS DE EVAPORADORES SEGÚN LA VENTILACION
Los evaporadores pueden ser estáticos o de tiro forzado, según el ∆ t que quedamos conseguir.
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NOTA: La temperatura de succión o de evaporación o de saturación a presión de succión , para método deconveniencia, debe estar de 7ºC a 10ºC por debajo de la temperatura del cuarto o del ambiente que se deseaenfriar.
2.4. TIPOS DE EVAPORADORES SEGÚN LA CONSTRUCCION
2.4.1. EVAPORADOR DE PLACAS
• Empleado en congelamiento por contacto colocando tubos pegados a las placas o dentro de estas.• Pueden armarse en grupos o en bancos para instalaciones de cuartos fríos de almacenamiento.• Sistema simple de construcción.• Construidos generalmente en aluminio.• La circulación de aire se hace diferencia de densidades entre el aire frío y el aire caliente.
2.4.2. EVAPORADOR DE TUBO ALETEADO Y AIRE FORZADO
• Los tubos pueden tener o no aletas de transferencia de calor.• Se utilizan ventiladores para forzar el aire ya sea impulsándolo y o succionándolo.• La transferencia de calor es mejor que en los de placa.• El enfriamiento se realiza por el aire frío que pasa por el evaporador.• Empleado en sistema de neveras no-frost, cuartos frios, acondicionadores de aire.
2.4.3. EVAPORADOR DE EXPANSIÓN INUNDADA
• Se encuentra lleno de refrigerante líquido.• El nivel del refrigerante líquido se mantiene por un flotador o boya que esta en un acumulador y fuera del
serpentín evaporador.
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• Al evaporarse el refrigerante, desciende su nivel, baja el flotador y hace que pase mas refrigerante líquidoal acumulador, manteniendo el nivel constante.
• Parte del refrigerante líquido se evapora en el serpentín ese vapor pasa al acumulador de succión y de allíal compresor.
2.4.4. EVAPORADOR DE CARCASA Y SERPENTIN
• El refrigerante circula por el interior del serpentín y el agua u otro líquido por el lado de la carcasa a unatemperatura superior a la de congelación del liquido circundante por el serpentín.
• Empleado en bebederos y enfriadores de agua.•
De fácil construcción.• De uso en sistemas tipo chiller.
2.4.5. EVAPORADOR DE DOBLE TUBO
• Semejante en construcción al condensador de doble tubo.• Se emplea para enfriar un líquido.• Para aplicaciones industriales.
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2.5. EVAPORADORES SEGÚN LA TEMPERATURA DE SATURACIÓN
Se dividen en:
2.5.1. DE BAJA TEMPERATURA.
Para bajas temperaturas de saturación -15º C para abajo. Se distinguen porque la separación de las aletas esmayor que los evaporadores de media y alta temperatura. Esto debido a que entre mayor sea la separación dealetas, menor es la probabilidad de una obstrucción de aire debido al proceso de escarchado.
Generalmente traen sistemas de descongelación de tipo eléctrico, pero se pueden adaptar para descongelación porgas caliente.
2.5.2. MEDIA TEMPERATURA
Para temperaturas de saturación entre los -15º C y 0ºC. la separación entre aletas es menor que el losevaporadores de baja temperatura. Traen descongelación por sistema eléctrico por lo general.
2.5.3. ALTA TEMPERATURA
Para temperatura de saturación de 0ºC a 15ºC; estos evaporadores son los que tienen la mayor separación dealetas entre si. La descongelación de estos equipos es por aire.
2.6. SELECCIÓN DE EVAPORADOR
La carga del evaporador es la misma carga necesaria calculada para la necesidad que se tiene o requiere. Uno delos factores importantes a tener en cuenta a la hora de seleccionar un evaporador es la DT del mismo. La DT delevaporador está definido como la diferencia de temperatura entre la temperatura del aire que llega al evaporador,tomada generalmente como la temperatura de diseño del espacio refrigerado y la temperatura de saturación delrefrigerante correspondiente a la presión a la salida del evaporador.
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A medida que el DT es mayor, mayor será la capacidad del evaporador para retirar calor, para condicionesnormales de diseño, en los manuales se tienen DT= 7ºC y DT = 10ºC.
Es evidente entonces que un evaporador con un área superficial pequeña trabajando con una DT grande, podrátener la misma capacidad que otro evaporador que tenga un área superficial más grande pero que tenga una DTmás pequeña. El DT también tiene efectos en la humedad del espacio refrigerado, mientras menor sea la DT,mayor será la humedad del espacio refrigerado, así mismo, a mayor DT, se tendrá menor humedad en el espaciorefrigerado.
Como conclusión de lo expresado anteriormente se deduce que:
• La temperatura de saturación del refrigerante debe estar mínimo 7ºC a 10º C por debajo de la temperaturadel espacio refrigerado, para evaporadores con convección forzada.
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• A mayor DT mayor será la absorción de calor del evaporador.• Sabiendo la temperatura de saturación del refrigerante en el evaporador, se determina la presión de
succión a la que debe operar el sistema.
Los otros factores a tener en cuenta en la selección de un evaporador son:
• La capacidad del evaporador en BTU/Hr, Kcal/Hr, Watt, etc.• La temperatura de evaporación del refrigerante. Existen evaporadores de baja, media y alta temperatura de
evaporación.• La temperatura del recinto o cámara.• El tipo de refrigerante.• El espaciado entre aletas. A menor temperatura de evaporación, mayor es al separación entre aletas.• El caudal de aire que debe pasar por el mismo para obtener el rendimiento indicado por el fabricante.• El numero de toberas para los ventiladores.• El tipo de deshielo.