evaluación de la presencia de gases no condensables en el

MEMORIAS DEL XXVII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 22 al 24 DE SEPTIEMBRE DE 2021 PACHUCA, HIDALGO, MÉXICO

Tema A4 Termofluidos: (Gases no condensables)

"Evaluación de la presencia de gases no condensables en el consumo de energía en un refrigerador doméstico"

M. F. Noyola Retaa, F. A. Sánchez Cruza,*, H. G. Ramírez Hernándeza, A. Morales Fuentesa, S. Méndez Díaza, S. Martínez Martíneza, R. Salgado Ayalab.

a Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (FIME), Laboratorios de Investigación e Innovación en Tecnología

Energética (LIITE), Av. Universidad s/n. Ciudad Universitaria, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, C.P. 66455, México. b Whirlpool Corporation, Carretera Miguel Alemán Km 16.13 Col. El Milagro, Apodaca NL México, CP.66634.

*E-mail Responsable de la investigación: [email protected].

R E S U M E N

La presencia de gases no condensables (GNC) dentro de los sistemas de refrigeración provoca que exista un flujo de dos

fases dentro del circuito, lo que genera una degradación en la capacidad de enfriamiento. Por lo que en este artículo se

presenta un estudio experimental para evaluar el desempeño energético de un refrigerador de uso doméstico que se

encontraba contaminado con una cantidad conocida de aire seco. Al contaminar la unidad con un 0.5% de fracción de

masa, el consumo de energía incremento un 43%. Además, se observó que durante todo el tiempo de operación se

presentaron oscilaciones en el flujo másico debido al bloqueo que generan los GNC a la entrada del tubo capilar.

A B S T R A C T

The presence of Non Condensable Gases (NGC) inside of a refrigerating system provokes that a two-phase flow exist inside the

refrigeration circuit, spoiling the energy efficiency of the system. This article reports an experimental study on the energy consumption

of a household refrigerator that was contaminated with known quantity of dry air. It was noticed that the energy consumption increased

up to 43% when the system was doped with a mass fraction of 0.5% of dry air, Also, fluctuations in the ratio mass flow were observed

during the operation time due to the clogging of the capillary tube.

1. Introducción

En los refrigeradores de uso doméstico el tubo capilar es

el dispositivo de expansión más utilizado debido a su

simplicidad y bajo costo [1]. Las condiciones de líquido en

la entrada del tubo capilar son necesarias para evitar

consecuencias negativas, como son el ruido, disminución en

el desempeño y la capacidad de enfriamiento del sistema [2].

Cuando la carga de refrigerante llega a contaminarse con

gases no condensables (GNC), como son el nitrógeno y el

oxígeno presentes en el aire, estos permanecen de forma

gaseosa durante todo el ciclo de refrigeración debido a que

cuentan con puntos de ebullición muy bajos, provocando

que dentro del refrigerador viaje una mezcla de refrigerante

líquido y burbujas de gas. Este flujo de dos fases provoca

que exista una degradación en la capacidad de enfriamiento,

intensas oscilaciones en el flujo, un desbalance en la tasa del

flujo másico entre el compresor y el tubo capilar y una

disminución en el rendimiento del sistema [3].

La carga de refrigerante llega a contaminarse

principalmente por un proceso de vacío inadecuado, por

ejemplo, cuando las empresas de manufactura minimizan el

tiempo de vaciado del sistema de refrigeración con el

objetivo de mejorar sus tasas de producción, provocan que

queden residuos de aire atmosférico dentro de la unidad [5].

Asimismo, la carga de refrigerante puede contaminarse

después de un tiempo de operación, cuando existen fugas en

la línea de succión, lo que facilita que aire de los alrededores

pueda infiltrarse a la unidad sellada cuando la presión de

evaporación sea menor que la atmosférica, como sucede con

algunos refrigerantes como el R600a[4].

En general los cuatro componentes principales del

circuito de refrigeración se ven afectados por la presencia de

los gases no condensables. Esto es debido a que las burbujas

de gas que transitan dentro del circuito de refrigeración

tienden a pegarse a la pared del tubo capilar lo que provoca

que este se bloquee parcialmente. Cuando esto sucede se

crea un desequilibrio entre el flujo que recibe el dispositivo

de expansión y el flujo másico del compresor. Dado que el

ISSN 2448-5551 T 217 Derechos Reservados © 2021, SOMIM

mailto:[email protected]


compresor sigue funcionando y la cantidad de refrigerante

en el evaporador es baja, la presión de succión cae

repentinamente. Como consecuencia, el volumen específico

del refrigerante en la succión del compresor aumenta y el

flujo másico disminuye. Por lo tanto, la potencia del

compresor también se reduce significativamente. Después

de unos segundos, las burbujas de GNC se mueven y el tubo

capilar se desbloquea, por lo tanto, el refrigerante migra

gradualmente al evaporador y la presión de succión aumenta

de nuevo [3].

La obstrucción que se genera en el tubo capilar debido a

los GNC provoca que exista una reducción en el flujo del

refrigerante y, en consecuencia, una reducción en la

capacidad de enfriamiento del sistema. Además, esto

provoca que la relación de compresión del compresor

aumente, generando que el COP del sistema disminuya y,

consecuentemente aumente el consumo de energía.

Existen muy pocos estudios reportados en la literatura

abierta acerca de este tema. A continuación, se describen los

más relevantes. Cecchinatto et al. [2] realizaron un estudio

experimental sobre los efectos que tienen los gases no

condensables en refrigeradores de uso doméstico, analizaron

un refrigerador de una sola puerta y un congelador vertical.

Ellos inyectaron pequeñas cantidades de aire al circuito de

refrigeración y observaron que la presencia de los gases no

condensables degrada la eficiencia energética del sistema,

como consecuencia de un aumento en la presión de

condensación y una disminución en la temperatura de

evaporación, lo anterior como resultado de la obstrucción

del tubo capilar. También observaron que el rendimiento del

refrigerador no resulta notablemente afectado cuando se

encuentran presentes cantidades muy pequeñas de gases no

condensables. Sin embargo, para concentraciones altas, el

consumo de energía aumenta dramáticamente.

Espíndola et al. [3] investigaron de manera experimental

los efectos que tienen los gases no condensables en un

refrigerador tipo bottom-mount, es decir con el congelador

en la sección inferior y que trabaja con R600a. En sus

experimentos se contaminó el refrigerador con cantidades de

nitrógeno en las proporciones de 0.09%, 0.17%, 0.26% y

0.43%, y observaron que el tiempo de abatimiento de

temperatura aumenta significativamente, para el caso de una

concentración de 0.43%, el tiempo de abatimiento de

temperatura se incrementó en diez horas, confirmando que

existe una degradación en la capacidad de enfriamiento.

Durante el inicio de las pruebas con alta contaminación de

Nitrógeno, se observaron oscilaciones intensas de potencia

consumida en el compresor, debido a un desbalance en el

flujo másico. Como la cantidad de refrigerante es muy baja

en el lado del evaporador durante la puesta en marcha,

cuando el tubo capilar se obstruye parcialmente, el

compresor evacua el fluido restante y provoca que la presión

de succión disminuya repentinamente. Cuando el tubo

capilar se desbloquea, se reanuda la migración del

refrigerante al evaporador, de modo que tanto la presión de

succión como la razón del flujo de refrigerante vuelve

aumentar de nuevo. Este patrón intermitente puede durar

horas.

El objetivo de este estudio es cuantificar el efecto que

tienen los gases no condensables en el desempeño

energético de un refrigerador de uso doméstico, inyectando

una cantidad conocida de masa de aire seco. En particular,

se busca analizar los efectos que tienen los GNC en un

refrigerador top-mount, al inyectarle una cantidad alta

(0.5%) de aire seco, para poder cuantificar y analizar de

forma detallada el efecto que tienen los GNC con respecto

al consumo energético, las presiones de descarga y succión

del compresor y la potencia consumida.

2. Instalación experimental

2.1. Cuarto de prueba

Figura 1 – Cámara de ambiente controlado

Los experimentos se realizaron en una cámara de

ambiente controlado, como se muestra en la Fig. 1, la cual

fue construida para cumplir las condiciones establecidas en

la NOM-015-ENER-2018. La cámara cuenta con cuatro

estaciones de medición, donde cada estación puede registrar

hasta 24 termopares, así como tensión, intensidad de

corriente y la potencia consumida por el refrigerador. La

cámara es capaz de mantener la temperatura del aire en un

rango de 10 ºC a 50 ºC, con una variación máxima de ± 0.5

ºC. La velocidad del aire en cualquier punto de la cámara no

excede los 0.25 m/s.

2.2. Instrumentación del refrigerador

Para realizar el estudio se instrumentó un refrigerador

tipo top-mount, como se muestra en la Fig. 2. El refrigerador

trabaja con 50g de R600a (Isobutano), cuenta con un

evaporador flujo forzado mediante un ventilador axial, el

cual dirige aire a un deflector, una parte del aire se va al

compartimiento de conservación de alimentos y la otra al

compartimiento de congelación. El condensador es de flujo

forzado y se encuentra localizado en la parte inferior del

refrigerador, a lado del compresor.



Figura 2 – Instalación experimental

El refrigerador se instrumentó con 32 termopares tipo T

(+/- 0.5°C de incertidumbre). Se colocaron once termopares

en el evaporador, once termopares en el condensador, uno

sobre la carcasa del compresor, uno en la succión y descarga

del compresor, uno sobre el filtro, uno en la salida del tubo

capilar, tres termopares en el compartimiento de

conservación de alimentos y tres termopares en el

compartimiento congelación. Se utilizaron transductores de

presión para medir la presión en la succión y descarga del

compresor (+/-10.6 kPa de incertidumbre). Se colocó un

flujómetro tipo coriolis en la línea de la succión del

compresor para medir el flujo másico del refrigerante (+/-

0.25 g/s de incertidumbre) y se midieron los parámetros

eléctricos, como voltaje (+/- 1.3 V de incertidumbre),

corriente (+/- 0.07ª de incertidumbre) y potencia (+/- 5.9 W

de incertidumbre), los parámetros eléctricos se midieron

mediante tarjetas de la firma National Instrumets, modelos

NI 9225 y NI 9227, para el voltaje y la corriente,

respectivamente. Todos los parámetros se registraron cada

50 segundos en una Workstation en el que se ejecuta un

programa de adquisición de datos escrito en el lenguaje de

LabView v2018.

2.3. Metodología

En este documento se presenta los resultados de dos

experimentos, los cuales fueron realizados una sola vez. El

primero se realizó sin contaminación de GNC y el segundo

se realizó a una contaminación de 0.5% de aire seco.

Para contaminar la carga de refrigerante se creó un

dispositivo de inyección, el cual se muestra en la Fig. 3. Para

este proceso primero se realiza un vacío de 450 micrones al

dispositivo, al llegar a esta presión la válvula 1 se abre,

permitiendo el paso del flujo de aire seco hasta llegar a la

presión inicial deseada. Posteriormente, se cierra la válvula

1 y después de alcanzar las condiciones de estado

estacionario, se registra la presión inicial pi y la temperatura

inicial Ti. A continuación, se abre la válvula 2, dejando que

el aire entre al circuito de refrigeración. La válvula 2 se

cierra y se registra la presión final pf y la temperatura final

Tf. Suponiendo que el aire seco se comporta como un gas

ideal, la masa del gas (mas) inyectada se calcula a partir de

la ecuación (1) de los gases ideales.

𝑚𝑎.𝑠. = (𝑝𝑖

𝑇𝑖−

𝑝𝑓

𝑇𝑓)

𝑉𝑑𝑖𝑠𝑝

𝑅 (1)

Donde Vdisp es el volumen interno del dispositivo y R es

la constante del gas ideal aire. Después de haber preparado

la unidad de refrigeración esta se coloca en la cámara de

ambiente controlado para realizar la prueba de abatimiento

de temperatura y de consumo de energía.

Abatimiento de temperatura. El refrigerador se coloca

dentro de la cámara climática, con las puertas abiertas y

apagado. La temperatura de la cámara se establece en 43.3

ºC y se espera a que el refrigerador se encuentre en equilibrio

térmico con el ambiente de la cámara, típicamente esto dura

doce horas. Cuando se cumple este lapso, se cierran las

puertas y se enciende el refrigerador con el termostato en la

posición media. En condiciones normales el refrigerador

debe tardar menos de 6 horas para abatir la temperatura, sin

embargo, la duración es diferente dependiendo el nivel de

contaminación que exista en el refrigerador.

Figure 3 – Esquema del Sistema de inyección de los gases no

condensables.

Prueba de consumo de energía. Después de que termine

el abatimiento de temperatura, se cambia la consigna de

temperatura de la cámara a 32.2 ºC y se espera a que la

unidad de refrigeración llegue al estado permanente, esto

sucede cuando en dos ciclos del compresor, el promedio de



las temperaturas del compartimiento de alimentos como del

congelador no cuentan con una variación mayor a 0,6 ºC (1

ºF).

Al llegar al estado permanente, como se muestra en la

figura 4, comienza la prueba del consumo de energía, donde

se deja el refrigerador dentro de la cámara climática por un

lapso de 12 horas. Durante el transcurso de la prueba se

miden los parámetros eléctricos (voltaje, potencia y

corriente) a través de transductores que se encuentran en la

cámara climática, la temperatura, presiones y el flujo másico

del refrigerante cada cincuenta segundos.

Figure 4 – Metodología para el cálculo del consume de energía.

A partir de los datos obtenidos de la prueba de consumo

de energía sé gráfica la potencia del compresor con respecto

al tiempo. Para el cálculo del consumo de energía se

seleccionan cinco ciclos que haya realizado el refrigerador

en estado permanente y se integra el área bajo la curva para

poder obtener el consumo de energía en Wh.

3. Resultados y Discusión

Los resultados obtenidos de la experimentación en estado

permanente se encuentran resumidos en la tabla 1. Para este

trabajo se realizaron solamente dos pruebas de consumo de

energía, una sin contaminación y otra a un porcentaje de

0.5%. Se puede observar que la presencia de los GNC ha

perjudicado de manera notable el consumo energético, así

como los parámetros de presión y flujo másico.

La presencia de los GNC provoca que la presión de

succión disminuya, esto se puede atribuir a que los gases

tienden adherirse a la pared de la tubería provocando que se

bloquee el tubo capilar, teniendo como efecto que el flujo

másico disminuya y se genere una interrupción en el

refrigerante que recibe el evaporador, provocando que la

presión de succión se reduzca. En cambio, la presión de

descarga tiende aumentar drásticamente como podemos

observar en la Fig. 5. Si comparamos los experimentos

podemos observar que la presión de descarga tuvo un

aumento de 290 kPa, mientras que la presión de succión se

redujo 5 kPa.

Tabla 1 – Prueba de consumo de energía.

Test 1 Test2

Porcentaje de fracción de masa [%] 0.0 0.5

Masa de aire [g] 0.0 0.35

Temperatura ambiente [ºC] 32.0 32.0

Presión promedio de succión [kPa] -41.07 -36.42

Presión promedio de descarga [kPa] 483.07 773.56

Temperatura promedio de evaporación [ºC] -24.30 -22.59

Consumo de energía [Wh] 595.68 856.17

Tiempo de operación [h] 13.29 16.52

El bloqueo del tubo capilar provoca que durante todo el

tiempo de operación existan fluctuaciones en el flujo

másico, como se muestra en la Fig. 6, lo que provoca que el

evaporador, el compresor y el condensador no reciban una

cantidad constante de refrigerante. Esto genera que existan

caídas de presión repentinas en un lapso muy corto de

tiempo. Este comportamiento intermitente se presenta

durante todo el tiempo de operación del sistema.

Figura 5 – Diferencia en la presión de descarga debido a la presencia

de los gases no condensables.

Figura 6 – Fluctuaciones en el flujo másico debido a la presencia de

GNC.



3.1. Consumo Energético

La presencia de los GNC dentro de un circuito de

refrigeración provoca que exista una resistencia térmica

adicional en el condensador y genera una disminución en la

eficiencia energética del sistema, por lo que el compresor

realiza ciclos más largos para lograr que la unidad de

refrigeración alcance las temperaturas de operación. En la

Fig. 7, podemos observar que los ciclos del compresor de la

prueba que se encontraba contaminada fueron más largos,

teniendo una duración de 30 minutos más en comparación a

la prueba que se encontraba contaminada.

Figura 7 – Comparación de los ciclos del compresor.

Con respecto al consumo de energía hubo un aumento de

260 Wh, lo que equivale a un deterioro del 43% y si

observamos la figura 8, podemos ver que le tomó 3 horas

más a la prueba que se encontraba contaminada con GNC

realizar los 5 ciclos.

Figura 8 – Comparación de la potencia consumida.

4. Conclusión

En este trabajo se estudiaron los efectos que tienen los

GNC en los sistemas de refrigeración de uso doméstico,

inyectando una pequeña cantidad conocida de aire seco al

sistema de refrigeración. A partir de la metodología

presentada se realizaron pruebas de consumo de energía en

estado permanente, donde se midieron los parámetros de

presión, potencia, temperatura y flujo másico.

Los resultados obtenidos comprueban que existe una

degradación en la eficiencia energética del sistema, al

demostrar que al contaminar la unidad con un 0.5% de

fracción de masa, el consumo de energía incremento un

43%.

Durante el tiempo de operación se presentaron

oscilaciones en el flujo másico debido al bloqueo que

generan los GNC a la entrada del tubo capilar. Provocando

que cuando el tubo capilar se encuentre tapado, el

evaporador reciba muy poca cantidad de refrigerante y como

el compresor continúa funcionando, se genera una caída de

presión drástica. Al momento en que el tubo capilar se

desbloquea, el flujo másico aumento y vuelve aumentar

presión. Este patrón se observó durante todo el periodo de

operación.

Agradecimientos

Los autores agradecen al CONACyT por la beca de

posgrado otorgada al estudiante vinculado a este trabajo de

investigación.

Los autores agradecen al programa de apoyo a la

investigación científica y tecnológica PAICYT UANL 2021

por el apoyo económico a la presente investigación.

Los autores agradecen a Whirlpool Corporation por la

unidad de refrigeración proporcionada para el estudio y por

la asesoría técnica.

REFERENCIAS

[1]Laetitia Bardoulet, José M. Corberán, Santiago Martínez-Ballester. How to achieve full liquid conditions at the capillary tube inlet of a household refrigerator (2019), International Journal of Refrigeration, 100, pp. 265-273.).

[2]Cecchinato L., Dell'Eva M., Fornasieri E., Marcer M., Monego O., Zilio C. The effects of non-condensable gases in domestic appliances (2007) International Journal of Refrigeration, 30 (1) , pp. 19-27.

[3]Espindola R.S., Knabben F.T., Melo C., Hermes C.J.L. Performance evaluation of household refrigerators 2running with R600a contaminated with non-condensable gases (2020) International Journal of Refrigeration, 111 , pp. 86-93.

[4]Václav Vin, Jan Hruby Solubility of nitrogen in one-component refrigerants: Prediction by PC-SAFT EoS and a correlation of Henry's law constants (2011) International Journal of Refrigeration, 34, pp. 2109-2117.

[5]Cavestri, D. Seeger-Clevenger. Partitioning of noncondensable gases in refrigerant liquid and vapor phases ASHRAE Trans., 114 (2008), pp. 351-35


evaluación de la presencia de gases no condensables en el

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