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1

ESTUDIO SOBRE LA EVOLUCIN TECNOLOGICA DEL

CONSUMO DE ENERGA EN REFRIGERADORES DOMESTICOS

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3

Nomenclatura.

COP Coeficiente de operacin; [-]

E Energa; [kJ],

h Entalpa especfica, [kJ/Kg.],

I Irreversibilidad; [kW],

m Fraccin de masa [-], m Flujo masico; [Kg./s],

p Presin; [bar],

P Potencia; [kW],

q Calor por unidad de masa; [kJ/Kg.],

oq Efecto refrigerante; [kJ/Kg.],

Q Flujo de calor; [kW],

oQ

Carga trmica; [kW]

s Entropa especifica; [kJ/kgK],

T Temperatura; [C K],

t Tiempo; [s],

u Energa interna especifica;[kJ/Kg],

v Volumen especifico; [m3/Kg.],

V Volumen; [m3]

W Trabajo por unidad de masa; [kJ/Kg.],

LBP Condiciones a bajas temperaturas de evaporacin.

HBP Condiciones a altas temperaturas de evaporacin.


4

Objetivo General.

Determinar cuales son las principales mejoras tecnolgicas que han permitido la obtencin de

mejores rendimientos energticos de los refrigeradores domsticos.


5

ndice de contenido.

Capitulo1. Introduccin. 1

1.1 Antecedentes 2

Capitulo 2. Conceptos Fundamentales. 5

2.1 Concepto de refrigeracin. 6

2.2 Concepto de carga trmica. 6

2.3 Concepto de capacidad refrigerante. 6

2.4 El ciclo invertido de Carnot. 7

2.5 Concepto de COP 8

2.6 Condiciones para un COP ptimo 9

2.7 Modificaciones al ciclo de Carnot 10

2.7.1 Compresin hmeda 10

2.7.2 Compresin seca 11

2.7.3 Proceso de estrangulacin 12

2.8 Concepto de presin 13

2.9 Concepto de temperatura 13

2.10 Concepto de trabajo y calor 13

2.11 Concepto de entalpa 15

2.12 Concepto de entropa 15

2.13 Concepto de humedad 16

2.13.1 Humedad absoluta 16

2.13.2 Humedad relativa 16

Capitulo 3. Componentes del refrigerador domestico. 17

3.1 Descripcin y funcionamiento del refrigerador domestico 18

3.2 El compresor 20

3.3 El evaporador 21

3.3.1. Evaporador de corriente de aire natural 21

3.3.2. Evaporador de corriente de aire forzada 22

3.4 El condensador 23

3.4.1 Condensador de corriente natural 23

3.4.2 Condensador de corriente de aire forzada. 24

3.5 Tubo capilar 24

3.6 Filtros 25

3.7 Filtros deshidratadores 26


6

3.8 Deshidratadores de uniones de bronce 27

3.9 Deshidratadores recargables 27

3.10 Intercambiador de calor 28

3.11 Termostato 29

3.12 Temporizador 30

3.13 Puertas del refrigerador 30

3.14 Refrigerante 30

3.15 Aislamiento 31

Capitulo 4 Tecnologa de ahorro de energa en refrigeradores domsticos. 33

4.1. Tecnologas en el uso eficiente de energa. 34

4.1.1 Potenciales de ahorro 34

4.2. El aislamiento 36

4.2.1. Incremento en el espesor del aislamiento de gabinete y puertas 36

4.2.2. Mejora de la resistividad del aislamiento 37

4.2.3. Paneles al vaco llenados con polvos aislantes 37

4.2.4. Aislamientos compactos al vaco 39

4.2.5. Paneles llenos de gas 40

4.2.6. Aerogel 40

4.3 El compresor 43

4.3.1 Compresores de alta eficiencia 44

4.3.2 Sistemas de doble compresor 46

4.3.3 Protectores trmicos de sobrecarga del compresor 47

4.3.4 Capacitores electrolticos de arranque 47

4.3.5 Compresores de velocidad variable 48

4.4 El refrigerante 49

4.4.1 Tuberas 53

4.4.2 condensadores y evaporadores 53

4.4.3 Tubo capilar 53

4.4.4 Filtro secador 53

4.4.5 Carga de refrigerante 54

4.5 Mejoras en distintos componentes 54

4.5.1 Sellos de puertas 54

4.5.2 Ventiladores 54

4.5.3 Uso de un sistema de dos evaporadores 55

4.5.4 Mejorar intercambiador de calor 55


7

4.5.5 Usos de corrientes de conveccin natural 55

4.5.6 Vlvulas de control de fluido ajustables 56

4.5.7 Reduccin de consumo por descongelamiento automtico 56

4.5.8 Descongelamiento ajustable 57

4.5.9 Inclinacin del condensador 57

Capitulo 5 Conclusiones. 61

5.1 Resultados 62

5.1.1 El incremento en la resistividad trmica del aislamiento 62

5.1.2 Cambio de compresores 62

5.1.3 Mejorar sellos en puertas 63

5.2 Alternativas de ahorro 63

5.2.1 Seleccin del refrigerador 63

5.2.2 Ubicacin del refrigerador 63

5.2.3 Apertura de puertas 64

5.2.4 Limpieza 64

5.3 Ahorros estimados a nivel nacional 64

Referencias 66


8

INTRODUCCIN En este captulo se hace una breve resea histrica en cuanto a los orgenes de la refrigeracin

y sobre el panorama energtico nacional e internacional, as como tambin se realiza una

descripcin sobre el objetivo principal de este informe el cual enfatiza la tecnologa utilizada

en los refrigeradores domsticos.


9

1.1 Antecedentes.

Desde los tiempos ms remotos, el hombre conoci, en un nivel emprico, el uso de los

espacios cerrados que, debido a su disposicin, permitan conservar determinados alimentos a

una temperatura menor que la del medio. Por lo general, dichos espacios eran cavernas que al

tener entrada y salida de corrientes de aire natural permitan la conservacin.

Los primeros hombres se percataron de tal fenmeno y despus de agruparse en rudimentarias

formas sociales lo utilizaron para su provecho, comenzando a almacenar grandes trozos de

carne para resguardarlos de la accin de los rayos solares cuando la caza escaseaba.

En la Amrica precolombina, los emperadores aztecas organizaban grupos de individuos, que

desempeaban la tarea de llevar hielo de los volcanes cercanos al Valle de Mxico, es decir,

hasta la gran Tenochtitln. El uso del hielo de los glaciares de las montaas nevadas tambin

lo realizaron los griegos y los romanos.

En el siglo XIX, la refrigeracin artificial fue un producto de la industrializacin, desde que se

produjo comercialmente el primer refrigerador domstico en 1927 hasta la fecha, se ha

modernizado el gabinete y el sistema de refrigeracin se ha hecho ms eficiente, sin embargo,

el ciclo termodinmico no ha cambiado.

El ahorro de energa y el buen empleo de la misma, ya no es una opcin sino una obligacin

para todos los que habitamos este planeta. Las reservas de los recursos naturales que se

emplean para generar energa son cada vez menores, sin embargo, la demanda de energa es

cada vez mayor, ya que a medida que los parques industriales crecen y el uso de artculos

elctricos en restaurantes, hoteles, tiendas y hogares se hace ms comn, la demanda de

energa elctrica se incrementa, por lo que el suministro y distribucin de la energa se torna

crtico.

Un artculo electrodomstico que se hace indispensable en cualquier hogar del mundo es el

refrigerador, como lo hemos podido constatar a lo largo de nuestra vida. Existen de diferentes

caractersticas, segn la funcin a desempear y pueden ser pequeos, medianos o muy

grandes.


10

El refrigerador actual es el resultado de ms de un siglo de evolucin a travs del tiempo. El

sistema de refrigeracin y su gabinete han sido optimizados por firmas como Mabe,

Whirpool, Samsung, Kelvinator, LG, etc. Estos fabricantes han ido mejorando la tecnologa

aplicada a los refrigeradores domsticos, con la finalidad de hacerlos ms eficientes.

Es interesante ver como una industria, que naci hace poco ms de un siglo, con la nica

finalidad de enfriar, ha podido llegar a ser la auxiliar de tantas otras industrias y comercios

transformando la vida social de millones de seres hasta el punto que se puede hablar con

sentido propio de las conquistas del fro.

Dentro de la refrigeracin domstica, existe la necesidad de contar con un compartimiento

congelador capaz de satisfacer las necesidades de enfriamiento que se requieren y con los

menores consumos de electricidad. La temperatura a la cual debe mantenerse dicho

compartimiento de alimentos es de 1 a 5C, desafortunadamente, todava la mayora de los

usuarios no cuentan con refrigeradores que controlen automticamente dicha temperatura; por

lo que ajustan manualmente sus refrigeradores a la temperatura que ellos consideran es la

adecuada.

La mayor parte del parque de refrigeradores domsticos en Mxico utiliza el ciclo de

refrigeracin por compresin. El motor elctrico acoplado al compresor es el principal

consumidor de energa en este tipo de refrigeradores. La frecuencia con la que opera depende

de la seal que enva un termostato. Conforme la temperatura interna aumenta, ms all de

cierto lmite definido por el control, regularmente manual, el compresor avanza y para en

cuanto alcanza la temperatura de consigna.

El consumo de energa depende de la rapidez con la que el ciclo de refrigeracin puede bajar

la temperatura del interior del refrigerador (absorbe el calor de los alimentos), y de la

capacidad del gabinete para oponerse al flujo de calor a travs de sus paredes; de esta forma

entre mejor sea el aislante, menor ser el consumo de energa para una misma temperatura

ambiente. Este consumo tambin depende del volumen interior y de la temperatura a la que

quiere enfriarse; por lo tanto, para comparar la operacin de refrigeradores debe establecerse

un ndice que contemple los parmetros inherentes al diseo del refrigerador: volumen y

temperaturas interiores del congelador y del compartimiento de comida fresca.


11

La mayora de los hogares mexicanos que tienen electricidad cuentan con refrigerador de uso

interno, el cual durante un estudio de campo en la ciudad de Mxico se demostr que

consume entre 30 y 40 % de la electricidad empleada para uso domstico. Adems de que la

refrigeracin domstica es responsable de poco ms del 29% del consumo de electricidad en

los hogares asentados en clima templado y del 14 % en los de clima clido en donde se usa

aire acondicionado.

En este informe se hace un anlisis de la evolucin tecnolgica de los refrigeradores y el

impacto que tiene este avance en cuanto a su eficiencia de acuerdo con las disposiciones

oficiales que dicta la NOM-015-ENER-2002, Eficiencia Energtica de Refrigeradores y

Congeladores Electrodomsticos. Limites, Mtodos de prueba y Etiquetado.


12

CONCEPTOS FUNDAMENTALES.

En este captulo se estudian los conceptos fundamentales que intervienen en la refrigeracin;

se inicia con el concepto formal de refrigeracin, carga trmica, unidad refrigerante, ciclo

termodinmico de la refrigeracin as como los conceptos de: presin, entalpa, entropa,

humedad, calor, trabajo y conductividad trmica los cuales son conceptos que es necesario

entender perfectamente para poder tener una idea clara de cmo opera un refrigerador

domstico como el que se tiene en los hogares.


13

2.1 Refrigeracin.

Se define como refrigeracin al fenmeno natural o artificial por medio del cual se logra

extraer calor de un espacio cerrado; esto es, hacer descender la temperatura de ese espacio con

respecto a la ambiental y mantener dicha temperatura por un lapso indefinido.

Se emplea el trmino refrigeracin para indicar el mantenimiento de un cuerpo a una

temperatura menor que la de sus alrededores. Para mantener o producir esta baja temperatura,

es necesario transferir calor desde el cuerpo o espacio por enfriar.

2.2 Carga trmica o de calor.

La rapidez con que debe retirarse el calor del espacio refrigerado o material enfriado para

producir y mantener las condiciones de temperatura deseadas, se denomina "carga trmica o

de calor.

En la mayora de las aplicaciones industriales y domsticas, la carga total de calor en el

equipo de refrigeracin es la suma del calor externo que se introduce al espacio refrigerado a

travs de las paredes aisladas, espacios libres, etc., y el calor que debe retirarse del mismo,

con el objeto de reducir la temperatura de ste a las condiciones de confort o conservacin

necesarias.

2.3 Unidades de capacidad refrigerante.

La especificacin de los sistemas de refrigeracin usualmente se da con base en las toneladas

de refrigeracin que absorbe la unidad operando en las condiciones de diseo. Tcnicamente

se refiere a la tonelada americana (2000lb = 907.2 Kg.). Una tonelada de refrigeracin es

aproximadamente el efecto refrigerante o intercambio calorfico equivalente al obtenido por la

fusin de una tonelada de hielo que tiene un calor latente de fusin de 80 kcal/kg a 0C.

Por definicin se tiene: ( ) kcalkgkg

kcal 725762.90780 =

(1)


14

Con frecuencia, la tonelada americana de refrigeracin se considera como una velocidad

refrigerante con base en un da (24 horas) de manera que:

kWs

kJsegkcalkcal

hkcal

horaskcalTR 516.35162.384.0

min4.503024

24725761 ====== (2)

2.4 El Ciclo de Carnot Invertido.

En la figura 2.1 se muestra el diagrama de una mquina trmica de Carnot invertida que

opera como refrigerador; la cantidad de calor QB se transfiere reversiblemente desde una

fuente a temperatura baja TB, hacia el motor trmico invertido. Este ltimo opera a travs de

un ciclo durante el cual se suministra trabajo neto Wneto al motor y la cantidad de calor QA se

transfiere en forma reversible a un sumidero a temperatura TA.

Figura 2.1 (a) Esquema de una mquina trmica de Carnot invertida.

(b) Diagrama temperatura entropa del ciclo.

El ciclo de Carnot representa la mxima eficiencia posible de una mquina frigorfica entre

dos temperaturas y consta de las transformaciones reversibles esquematizadas en el diagrama

Temperatura-entropa de la Figura 2. 1(b).


15

Proceso 1-2; se da desde una zona de vapor hmedo a la presin p1 hasta vapor saturado seco

a una presin p2.

Proceso 2-3; se produce la condensacin completa de vapor, mediante la cesin reversible de

calor a presin constante.

Proceso 3-4; esta transformacin isoentrpica, desde el punto de lquido saturado (3) hasta la

presin correspondiente a la temperatura de evaporacin; se produce con ello una mezcla

vapor-lquido (vapor hmedo 4) y una cierta cantidad de energa cedida por el sistema.

Proceso 4-1; se produce la vaporizacin parcial del lquido presente en el estado 4; es una

transformacin a temperatura y presin constantes, que permiten el cierre del ciclo.

La absorcin del calor del foco fro en el proceso 4-1, es la operacin de refrigeracin

propiamente dicha, conocida como efecto refrigerante, y por tanto el nico efecto til del

ciclo.

Los dems procesos desempean la misin de hacer factible tcnicamente, el transporte de

energa desde un foco fro a baja temperatura (espacio por refrigerar) hasta otro foco a

temperatura mayor (medio ambiente).Sin embargo, la imposibilidad real de todo proceso

trmicamente reversible impide que el ciclo inverso de Carnot (que es el de mayor eficiencia)

pueda llevarse a efecto en la prctica, sirve, no obstante, como una gua conveniente en los

propsitos de diseo para fijar las temperaturas que deberan mantenerse, con el fin de obtener

la mayor eficiencia.

2.5 Coeficiente de operacin (COP).

Para poder determinar el grado de eficiencia del funcionamiento de un sistema de

refrigeracin, se define un trmino que evalu numricamente su efectividad refrigerante, con

base en la refrigeracin til y al trabajo neto del ciclo; dicho valor se denomina coeficiente de

operacin y se expresa por la relacin.

neto

B

WQCOP = (3)


16

En donde QB es el calor suministrado al sistema por refrigerar, o sea la refrigeracin til y

Wneto el trabajo neto del ciclo.

2.6 Condiciones para un coeficiente de operacin ptimo (COPptimo).

Es deseable disponer del mejor COP posible, pues esto indica que una remocin de calor o

refrigeracin dada, necesita para su operacin el menor trabajo Wneto.

Figura 2.2 Refrigeracin til y trabajo neto del ciclo de Carnot representados por las reas en

el diagrama de temperatura-entropa.

El calor en todo proceso reversible, si se consideran valores especficos de la entropa tiene

por valor:

= 21

Tdsqrev (4)

Las reas por debajo de la lnea de un proceso reversible en el plano temperatura-entropa,

representan, por lo tanto, la energa en forma de calor que interviene en el proceso. Las reas

de la figura 2.2 representan el equivalente en calor del trabajo neto suministrado y la cantidad

de refrigeracin obtenida con el mismo. La refrigeracin til es el calor absorbido en el

proceso isotrmico 4-1, representado por el rea que se encuentra debajo de la propia lnea del

proceso 4-1. El rea por debajo de la lnea 2-3 representa el calor cedido en el ciclo.


17

La diferencia entre el calor cedido y el calor absorbido en el ciclo, representa el equivalente

calorfico del trabajo neto Wneto o sea el rea 1-2-3-4.

Por lo tanto una expresin de entropa equivalente del COP es:

BA

B

BA

BCarnotrefr TT

TssTT

ssTCOP ==

))(()(

41

41 (5)

El COP del ciclo de Carnot es funcin nicamente de los lmites de temperatura, y puede

variar desde cero hasta infinito. Si TA es pequeo, el COP aumentar; si TB es mayor

aumentar el numerador y disminuir el denominador con lo que por ambos lados aumentar

el COP. Por consiguiente, el valor de TB tiene un efecto ms pronunciado sobre el COP que

TA.

Los lmites de temperatura vienen impuestos por el sistema de refrigeracin adoptado,por lo

tanto, TA no puede ser menor que la temperatura del ambiente a la cual se expulsa el calor, y

TB no puede ser mayor que la temperatura de la regin fra de la que se extrae el calor.

2.7 Modificaciones importantes del ciclo de Carnot, en un proceso real de

refrigeracin.

Por consideraciones prcticas, es necesario llevar a cabo algunas modificaciones del ciclo

ideal de Carnot. Estos cambios se efectan en el proceso de compresin 1-2 y el de expansin

3-4 que se presentan en las figuras 2.3 y 2.4.

2.7.1 Compresin hmeda.

Si se considera el proceso de compresin 1-2 de la figura 2.3, se llama compresin hmeda,

cuando el proceso completo tiene lugar en la zona de dos fases en presencia de pequeas

gotas (nocivas para el funcionamiento del compresor, dando lugar a desperfectos materiales).

Aunque el estado final de la compresin, sealado en el punto 2 de la figura 2.3, corresponde

a vapor saturado seco, esto no sucede en la realidad debido a que, durante la compresin las

pequeas gotas de lquido se vaporizan segn un proceso de transferencia de calor que

requiere cierto tiempo para su realizacin completa.


18

Figura 2.3 Sistema de trabajo en rgimen hmedo en el diagrama T-s.

Los compresores de alta velocidad, son especialmente vulnerables a ciertas averas originadas

por lquidos residuales que no pueden eliminarse debido al corto tiempo disponible para tal

efecto, en el funcionamiento de la propia mquina para una transferencia de calor ms

completa.

Por ejemplo, en un compresor que gire a 1800 rpm la compresin se realiza en 1/60 seg,

insuficiente para la eliminacin total de la humedad del refrigerante, de tal manera que al final

de la compresin, el punto 2, sobre la lnea de vapor saturado, representa nicamente las

condiciones medias de vapor sobrecalentado y lquido.

Otro posible peligro de la compresin hmeda, reside en el hecho de que las pequeas gotas

de lquido pueden arrastrar el aceite de lubricacin de las paredes del cilindro acelerando su

desgaste.

2.7.2 Compresin seca.

La compresin seca se realiza en completa ausencia de humedad y esto ocurre cuando el

refrigerante que entra en el compresor es vapor saturado seco como se muestra en la figura 2.4


19

Figura 2.4 Ciclo de refrigeracin de Carnot utilizando compresin seca en el diagrama

temperatura- entropa.

Con la compresin seca el ciclo de refrigeracin pierde la forma rectangular de Carnot debido

a que la temperatura del estado 2 de la figura 2.4, que es superior a la temperatura de

condensacin, por lo cual el refrigerante abandona el compresor como vapor sobrecalentado.

El rea del tringulo de sobrecalentamiento del diagrama T-s, representa el equivalente

calorfico del trabajo adicional necesario, para la obtencin de la compresin seca que permite

eliminar la humedad en los cilindros del compresor.

2.7.3 Proceso de estrangulacin.

Otra modificacin importante en el ciclo de Carnot consiste en alterar termodinmicamente el

proceso de expansin. En el ciclo de Carnot la expansin es isoentrpica y el trabajo que se

obtiene de la misma se utiliza para mover al propio compresor o algn otro medio de

impulsin mecnica que permita continuar el ciclo.

Sin embargo, las dificultades prcticas tales como la complejidad de un sistema mecnico

adaptado con su lubricacin adecuada y la de un mantenimiento efectivo de ese equipo

integrado, lo hacen inoperante ya que el trabajo de expansin (3-4) es insignificante

comparativamente con el de compresin (proceso 1-2).

Sin embargo, sigue siendo necesario reducir la presin de lquido en el proceso de expansin

(3-4) de la figura 2.4, con el fin de que est en condiciones de absorber la carga de calor en el

siguiente proceso.


20

Regularmente se usa un estrangulamiento, generado con una vlvula u otro dispositivo

similar, de tal manera que si no existen cambios significativos de energa potencial ni cintica

y si no hay transferencia de calor apreciable, podr cubrirse casi todo este proceso mediante

una expansin a entalpa constante durante el proceso (3-4) en el cual h3 = h4, proceso

irreversible que se verifica con un incremento de entropa entre los estados tres y cuatro de la

figura 2.4.

2.8 Presin.

La presin, que es una fuerza por unidad de rea, es una de las propiedades termodinmicas,

ms tiles porque se mide directamente con facilidad En relacin con la teora cintica, la

presin de un gas se debe a la variacin de la cantidad de movimiento de las molculas

cuando chocan con las fronteras del sistema (paredes del recipiente). Si el sistema es un

lquido, puede decirse lo mismo, excepto que el efecto de la fuerza de gravedad sobre la

presin en un punto debe incluirse ms frecuentemente, an en sistemas relativamente

pequeos.

2.9 Temperatura.

De acuerdo con la teora cintica, la temperatura es una medida de la energa cintica media

de traslacin de la molcula (en virtud de la transferencia de energa de la sustancia al

termmetro), pero es ms importante que, desde el punto de vista macroscpico, la

temperatura de un cuerpo es su estado trmico considerado con referencia a su poder de

transferir calor a otros cuerpos.

2.10 Trabajo y Calor.

Para que se realice un trabajo, W, tiene que haber una fuerza actuando sobre el cuerpo que

mueve. El trabajo de una fuerza, F, se define por el desplazamiento dx de un cuerpo

(considerado como una partcula) multiplicado por la componente Fx de la fuerza en la

direccin del desplazamiento.

dxFdW x= (6)


21

Esta definicin proporciona una unidad bsica de energa, el Kgm (o bien, pie-lb), cuando la

fuerza se mide en Kg (o bien, lb) y el desplazamiento en metros (o bien, en pies).

El trabajo es energa en transicin; esto es: solo existe cuando una fuerza vence una

resistencia y slo cuando una fuerza se mueve a travs de una distancia. Cuando el punto de

aplicacin de la fuerza deja de moverse, no hay trabajo.

Contrasta el concepto de trabajo con el de energa interna. La energa interna es energa

almacenada; el cuerpo la contiene. Por el contrario, un cuerpo nunca contiene trabajo. El

cuerpo o el sistema puede tener capacidad para efectuar trabajo , al contrario, el trabajo

puede realizarse sobre el sistema, pero despus de que est dentro, no es trabajo; puede

haberse convertido en energa interna.

Podemos imaginar al trabajo como si fuera energa que est toda disponible para convertirla

en alguna otra forma.

El calor, Q, es energa en transicin (en movimiento) de un cuerpo o sistema a otro, solamente

debida a una diferencia de temperaturas entre los cuerpos o sistemas. En un sistema, el calor

se transmite por conduccin, conveccin, y radiacin, o por varios de ellos.

La conduccin del calor tiene lugar en virtud de dos mecanismos: las molculas o tomos

movindose ms aprisa (con vibracin en un slido, movimiento en forma restringida en un

lquido), en las partes ms calientes de un cuerpo, Estos transfieren una parte de su energa

por medio de choques a las molculas adyacentes y los electrones libres proporcionan un

flujo de energa en el sentido de la temperatura decreciente.

La conveccin es estrictamente un medio de mover energa de un lugar a otro: es un

transporte de energa. Ocurre debido a que un fluido en movimiento recoge energa de un

cuerpo caliente y la entrega a un cuerpo ms fro.

La energa trmica radiante se concibe como ondas electromagnticas o cuantos (segn

convenga), una emanacin de la misma naturaleza que las ondas luminosas y de radio. Todos

los cuerpos irradian calor de manera que una transmisin de calor por radiacin tiene lugar

debido a que un cuerpo caliente emite ms calor que el que recibe y un cuerpo fro recibe ms

calor del que emite.


22

Se observa que el calor, como el trabajo, es energa en trnsito; es un concepto de algo que se

mueve a travs de una frontera saliendo de un sistema o entrando en l en virtud de un

potencial impulsor conocido como temperatura.

2.11 Entalpa.

Una propiedad, que slo se define en relacin con funciones puntuales y que a menudo

encuentra aplicacin til entre ingenieros y cientficos, es la llamada entalpa (H, h). Es una

propiedad compuesta aplicable a todos los fluidos y se define por:

Jpvuh += y

+=

KgkJ

JpVUH (7)

Tiene las unidades de la energa, pero slo representa energa bajo ciertas condiciones

definidas

2.12 Entropa.

Probablemente el concepto ms difcil de comprender, pero el ms til de toda la

termodinmica es la entropa. Esta es semejante a otras funciones de punto o estado y tiene

valores nicos en todos los estados de equilibrio.

Desde un punto de vista prctico a menudo interesa el cambio de entropa entre dos estados en

equilibrio. El cambio de entropa de un sistema se obtiene llevando al sistema a lo largo de

una trayectoria reversible que conecte dos estados de equilibrio, dividiendo el calor agregado

al sistema en cada punto de la trayectoria por la temperatura del sistema y sumando el

cociente que se obtenga.

El cambio de entropa entre los estados S1 y S2 es:

== KKgkJTdQSSS

2

112 (8)

El concepto de entropa ayuda a medir el grado de irreversibilidad de un sistema.


23

2.13 Humedad.

La humedad es la cantidad de vapor de agua presente en el aire. Se puede expresar de forma

absoluta mediante la humedad absoluta, o de forma relativa mediante la humedad relativa o el

grado de humedad.

2.13.1 Humedad absoluta.

Es la cantidad de agua contenida en un volumen de aire ( gramos de vapor de agua contenido

por metro cbico de aire).Esta medida es independiente de la temperatura o la presin. La

cantidad de agua mxima que puede admitir el aire sin condensacin s vara con la

temperatura y la presin atmosfrica. Tambin la facilidad con la que ste absorbe vapor de

agua. En el caso de que el aire no pueda admitir ms agua, se dice que el aire est saturado y

tendra una humedad relativa del 100%.

2.13.2 Humedad relativa.

Es la humedad que contiene una masa de aire, en relacin con la mxima humedad absoluta

que podra admitir, sin producirse condensacin, conservando las mismas condiciones de

temperatura y presin atmosfrica. Esta es la forma ms habitual de expresar la humedad

ambiental. Si una masa de aire tiene el 50% de agua respecto a la mxima que podra admitir,

su humedad relativa es del 50%.

Como la capacidad del aire para absorber humedad vara con la temperatura, la humedad

relativa aumenta cuando desciende la temperatura; aunque la humedad absoluta se mantenga

invariable.


24

COMPONENTES DEL REFRIGERADOR DOMESTICO.

En este captulo se describe el funcionamiento del refrigerador domstico as como sus

componentes principales: compresor, evaporador, condensador y tubo capilar. Por otra parte,

se mencionan otros componentes como el temporizador (timer), las resistencias de deshielo,

aislantes, filtros, intercambiador de calor y refrigerante.


25

3.1. Descripcin y funcionamiento del refrigerador domstico.

El refrigerador es un electrodomstico que se conecta a la red elctrica y puede trasladarse

fcilmente de un sitio a otro. No se requiere ninguna licencia para instalar este equipo. Las

unidades vienen completamente montadas de fbrica y cargadas con refrigerante.

El compresor es el dispositivo que se encarga de mover el refrigerante y lo impulsa por un

ducto metlico hacia el condensador, el cual se forma por una serie de tuberas que pueden

unirse o soldarse sobre una lmina o bien en la parte posterior del gabinete. En el

condensador, el refrigerante se condensa; es decir, pasa del estado gaseoso al lquido y

elimina su energa.

Del condensador, el refrigerante circula por el deshidratador, que es un elemento dotado de

finas mallas metlicas en su interior con un compuesto denominado oxido de silicio (silica),

que se encarga de secar el refrigerante a su paso, es decir, le extrae toda la humedad que

pudiese tener. En el deshidratador, el refrigerante circula en estado lquido y de ah pasa a la

lnea o tubo capilar, denominado as porque su dimetro interno es tan pequeo como el de un

cabello.

El tubo capilar dosifica la entrada del refrigerante al evaporador o congelador, como

comnmente se le conoce y, al mismo tiempo, contribuye a la estrangulacin del paso del

refrigerante. Con lo anterior se logra una mejor condensacin del refrigerante al elevar la

presin de las tuberas del condensador que se encuentran antes del tubo capilar en el sistema

de refrigeracin. Tambin ayuda a que la evaporacin del refrigerante que viaja en su interior

en estado lquido se realice ms eficientemente, al encontrarse libre de la restriccin que la

lnea capilar le impone a la entrada del evaporador.

El refrigerante que est en el evaporador, se evapora absorbiendo calor de su alrededor. El

evaporador se encuentra en la parte interna del gabinete, por lo que el calor que necesita el

refrigerante para evaporarse se obtendr del interior mismo del gabinete a travs de las

paredes de las lneas del evaporador, extrayendo dicho calor por conduccin.

A la salida del evaporador se encuentra la lnea de realimentacin o de retorno, por donde

circula el refrigerante en forma de vapor y arrastra consigo el calor que absorbi en el

evaporador.


26

El refrigerante en estado de vapor es absorbido por el lado de succin del compresor que, a su

vez, con esta accin facilita la completa evaporacin del refrigerante antes de su reingreso al

compresor.

A la salida del compresor, el refrigerante sale por la lnea de expulsin del compresor hacia el

condensador, donde, para condensarse, se desprende del calor que necesit absorber en el

evaporador y reinicia nuevamente el ciclo de refrigeracin.

Este ciclo se repite continuamente mientras el equipo se encuentra en marcha y produce poco

a poco la refrigeracin del interior del gabinete y de los productos contenidos.


27

3.2. El Compresor.

Se conoce genricamente como compresor al que correctamente es una unidad de moto-

compresor.

El compresor pone en circulacin el refrigerante que transporta la energa trmica, al sacarlo

del evaporador a baja presin y bombearlo hacia el condensador en forma de vapor

sobrecalentado, a una presin ms alta. Los compresores que se utilizan en los refrigeradores

domsticos son muy pequeos, comparados con los que se usan en los sistemas de aire

acondicionado y de refrigeracin comercial, segn el tamao de la unidad, su potencia oscila

entre 1/10 y 1/3 de HP.

Los compresores que se emplean en los refrigeradores domsticos estn hermticamente

soldados y sellados (Figura 3.1). Son compresores de desplazamiento positivo y pueden usar

bombeo giratorio o alternativo. Estos compresores son fiables y duraderos, un refrigerador

domstico comn puede usarse ininterrumpidamente durante 20 aos o ms.

Figura 3.1 Compresor Sellado Hermticamente

Figura 3.2 Pistn interno del

Compresor.


28

3.3. El Evaporador.

Un evaporador es el dispositivo que absorbe el calor hacia el sistema de refrigeracin. El tipo

bsico de evaporador que se utiliza en un refrigerador domstico es el de expansin directa,

tambin son llamados serpentines de tipo mixto, ya que dentro de l est el refrigerante en dos

estados: lquido y gaseoso, es decir, ni est seco, ni completamente inundado.

En condiciones normales de operacin, el 95% del evaporador est lleno de lquido. El ciclo

de refrigeracin comienza en el orificio de salida del tubo capilar. Al pasar por este orificio, el

refrigerante se expande y entra a la lnea de conexin del evaporador que es de un dimetro

mayor.

El evaporador de un refrigerador domstico generalmente es fabricado de tubo de aluminio y

puede tener aletas de diferentes formas, los evaporadores se pueden clasificar como de

conveccin forzada o natural, dependiendo si el aire que pasa a travs del evaporador es

forzado por un ventilador o simplemente circula naturalmente por diferencia de densidades

entre el aire fro y el caliente. Otra forma de clasificar a los evaporadores es si el refrigerante

se evapora dentro o fuera de los tubos

3.3.1. De corriente de aire natural.

Los evaporadores de este tipo suelen tener forma de placa lisa y llevan estampados los

conductos del refrigerante. Son efectivos desde el punto de vista de la transferencia de calor y

requieren que el aire circule por encima de ellos. El aire de la parte inferior y de los laterales

puede fluir hacia el compartimiento de alimentos frescos. Utilizan sistemas de descongelacin

manual o automtica (Figura 3.3).

Figura 3.3 Evaporador de corriente de aire natural.


29

3.3.2. De corriente de aire forzada.

En stos se utiliza un ventilador que mejora el rendimiento del evaporador y permite instalar

evaporadores de menor tamao, ya que en los refrigeradores es importante ahorrar espacio.

Este tipo de evaporador suele estar incrustado en la unidad y no quedan a la vista por ello se

emplean conductos para regular la direccin del flujo de aire y desviadores para regular el

volumen de aire que llega a los distintos compartimientos.

Normalmente est hecho de aluminio y puede tener aletas para aumentar la superficie de la

tubera, las cuales estn distanciadas para dejar que se acumule la escarcha y no bloque el

flujo de aire.

Figura. 3.4 Evaporador de corriente de aire forzada.

Figura 3.5 Ubicacin del evaporador en el refrigerador.


30

3.4. El Condensador.

Un condensador es el dispositivo de los refrigeradores domsticos en el que se disipa el calor

absorbido de los alimentos a un medio circundante por medio de conveccin natural o

forzada. Todos los condensadores de los refrigeradores domsticos son enfriados por aire.

3.4.1. Condensador de corriente natural.

Algunos condensadores de conveccin natural se colocan en la pared exterior del refrigerador

y se fijan los tubos del condensador a la cara interior de la coraza metlica.

Figura 3.6 Posicin del condensador y direccin del flujo de calor


31

3.4.2. Condensador de corriente de aire forzada.

Los condensadores de corriente de aire forzada se sitan debajo del refrigerador domstico y

normalmente en la parte posterior. El aire entra por un lado de la parte frontal inferior de la

unidad y sale por el otro lado

Figura 3.7 (a) En la izquierda condensador de corriente forzada, (b) Ubicacin del

condensador de corriente forzada.

3.5. Tubo Capilar.

Las tuberas limitadoras de flujo de uso ms comn en refrigeracin domstica son los

llamados capilares. Su uso se destina a controlar el flujo de refrigerante en estado lquido del

condensador hacia el evaporador. Consiste en un tubo de dimetro reducido, pulido en su

interior, por el cual al pasar el refrigerante a alta presin sufre una prdida de la misma, que lo

coloca en las condiciones de temperatura que se desean en el evaporador.

El dimetro interno de los tubos capilares vara segn la capacidad del compresor del sistema

de refrigeracin en el cual va a utilizarse.

El empleo del tubo capilar en un sistema de refrigeracin es para lograr una completa y

correcta condensacin del refrigerante en estado lquido antes de penetrar en el evaporador, y

una completa reduccin de la temperatura en el mismo.


32

Tambin es un medio de dosificar el refrigerante lquido que se acumula en la parte anterior

del condensador, para efectuar una continua alimentacin hacia el evaporador para la

produccin del fro.

3.6. Filtros.

Entre el condensador y la lnea capilar que es la que alimenta de refrigerante en estado lquido

al evaporador, se conectan unos dispositivos llamados filtros y filtros deshidratadores, que

tienen la funcin de purificar el refrigerante que circula del condensador hacia el evaporador.

Los filtros consisten de un tubo de cobre provisto de una malla metlica fina en su interior del

mismo material, la cual impide el paso de las impurezas que pudiese arrastrar el refrigerante

para evitar la obstruccin del tubo capilar.

En caso de que el refrigerante arrastre ms humedad de la tolerable y el filtro lo deje pasar

libremente hacia el evaporador, esto produce cristales de hielo que pueden obstruir el paso del

refrigerante e impedir la marcha correcta del sistema de refrigeracin. El uso de los filtros es

solamente recomendable cuando se dispone de una bomba de alto vaco y de un medidor

Micrn-Gauge, para lograr una perfecta evacuacin de la tubera antes de inyectar el fluido

refrigerante en el sistema de refrigeracin. En caso contrario, es ms recomendable el empleo

de filtros deshidratadores.

Figura 3.8 Esquema de un filtro para impurezas.


33

3.7. Filtros Deshidratadores.

Una variacin de los dispositivos detallados anteriormente son los filtros deshidratadores, que

se emplean en los sistemas de refrigeracin para remover pequeas cantidades de humedad

que puedan existir en el refrigerante.

Es necesario recordar que la humedad es soluble en los refrigerantes slo en muy pequeas

proporciones y que si exceden estos niveles existe siempre el riesgo de un taponamiento de la

lnea capilar por cristales de hielo a su entrada en el evaporador.

Los filtros deshidratadores consisten en un tubo de cobre que tiene en su interior dos mallas

de metal (una gruesa y otra fina) entre las que se encuentra colocado un desecante que

absorbe la humedad y purifica con ayuda de las mallas el refrigerante, a la vez que stas

mantienen en su lugar ese desecante (Silicagel o Perlisilica).

Figura 3.9 Filtro deshidratador.


34

3.8. Deshidratadores de uniones de bronce.

Una variante de los filtros- deshidratadores la constituye la formada por los deshidratadores

de uniones de bronce que, a diferencia de los anteriores, no se sueldan en el sistema de

refrigeracin y van conectados por medio de tuercas unin de bronce especiales para tubera

de cobre.

Estos deshidratadores tienen marcada en su parte inferior la direccin del flujo del fluido

refrigerante, ya que como sus dos extremos son iguales puede llegar a crearse una confusin

en cuanto a la manera en que van colocados en la tubera. Se fabrican en diferentes

capacidades (en hp) de acuerdo con la potencia del compresor que se opera. Cuando se

encuentran saturados de humedad es inevitable su sustitucin. Tienen la desventaja de

presentar prdidas de refrigerante a la altura de las tuercas unin.

3.9. Deshidratadores recargables.

Los deshidratadores recargables son los nicos que pueden utilizarse en un sistema de

refrigeracin, ya que por su construccin es posible el cambio de la Silica de su interior. Este

tipo de deshidratadores tambin son de tuercas unin y en la actualidad su uso se destina casi

exclusivamente para la refrigeracin comercial, ya que la capacidad ms pequea en que se

fabrican es de 1/3 a 1/2 de hp, o bien media tonelada de refrigeracin.

Cuando en los refrigeradores domsticos se utiliza este tipo de deshidratadores, puede

presentar el inconveniente de ocasionar cadas de presin demasiado severas entre el

condensador y la lnea capilar, con la perniciosa formacin de burbujas en el refrigerante que

circula por l, o bien, golpes de aceite a la salida del deshidratador, que son pequeas

porciones de aceite del compresor en estado lquido dentro de las tuberas.

La creacin de golpes de aceite en el sistema de refrigeracin es altamente perjudicial para el

compresor, ya que al existir aceite en estado lquido en las tuberas comienza a disminuir la

cantidad de aceite en su interior, por lo que las partes mecnicas que lo componen se pueden

daar por falta de lubricacin. Por tanto su uso no es recomendable en refrigeradores

domsticos con compresores de poca capacidad.


35

3.10. Intercambiador de calor

Se denomina intercambiador de calor a la unin exterior de la lnea capilar con la lnea de

retorno. Este tipo de contacto de intercambio de temperatura se puede establecer de tres

formas:

1. Al soldar ambas lneas por el exterior.

2. Al enrollar alrededor de la lnea de retorno la lnea capilar.

3. Al perforar la lnea de retorno y hacer circular la lnea capilar por su interior.

La funcin de este mecanismo consiste en asegurar que el gas comprimido por el compresor y

convertido a lquido en el condensador, est completamente lquido en el capilar. Con el fin

de asegurar que la licuefaccin del refrigerante sea completa, se hace pasar por esta unin el

fro que lleva la lnea de retorno hacia la lnea capilar, para que con la ayuda de ste se

complete bien la transformacin del refrigerante del estado gaseoso al lquido. Este

procedimiento asegura una buena condensacin y, por tanto, una correcta evaporacin en el

evaporador.

Figura 3.10 Ubicacin del intercambiador de calor.


36

3.11. Termostato.

El termostato de temperatura interior controla al compresor. Es un dispositivo que se conecta

a la red elctrica y suministra energa al circuito de arranque y funcionamiento del compresor.

Es un dispositivo de temperatura que cierra el circuito cuando sta alcanza un cierto nivel

mximo.

Para regular el compresor se utilizan varios mtodos, pero todos se basan en la temperatura

interior. Independientemente del mtodo que se utilice, el compresor ser apagado por el

termostato, basndose en alguna condicin del interior de la unidad refrigerada. Esta

condicin se elige con la intencin de mantener ambos compartimientos a la temperatura

correcta.

Durante mucho tiempo a este regulador se le llam termostato o control de fro, es ajustable y

puede considerarse como un termostato de bulbo remoto. Los termostatos son pequeos, pero

suelen tener un dial graduado de gran tamao. Los nmeros oscilan de 1 a 10 y no tiene nada

que ver con la escala de temperatura real.

Los termostatos de refrigeracin contienen un fluido en el bulbo sensor que ejerce presin

contra la pared inferior de un diafragma o fuelle.

Figura 3.11 Termostato.


37

3.12. Temporizador (Timer).

Este dispositivo es prcticamente un reloj, que avanza continuamente, 24 horas al da Cada 6,

8 12 horas, el temporizador da vuelta a una leva apagando el sistema de enfriamiento del

refrigerador y energiza a la resistencia de deshielo para provocar la descongelacin. El

temporizador se coloca en paralelo con el compresor y registra el tiempo transcurrido,

siempre que el compresor est funcionando. El periodo de funcionamiento del compresor est

directamente relacionado con el nmero de veces que se abre la puerta, con la infiltracin de

aire y con la colocacin de comida caliente dentro del refrigerador.

3.13. Puertas del refrigerador.

Las puertas del refrigerador tienen un sello, una junta parecida a la goma pegada a la puerta.

Generalmente es blanca, almendra, negro o marrn. El trabajo del sello es confinar el aire

fresco dentro del refrigerador y el aire del medio ambiente mantenerlo fuera. El sello se alinea

con un imn, ste ayuda a sostener la puerta cerrada y a crear un sello justo.

3.14. Refrigerante.

Para contar con un refrigerante adecuado se requiri de una sustancia que fuera fcilmente

transformable del estado lquido al gaseoso y que al liberarlo del recipiente se evaporara; y

que, a la vez, tambin fuese relativamente fcil de transformar en lquido (condensarlo) para

poderlo volver a evaporar y obtener una produccin uniforme de fro.

Los gases ms aptos para refrigerar se desarrollaron despus de innumerables pruebas de

laboratorio; stos se fabricaron dado que su punto de evaporacin, condensacin y dems

cualidades son ideales para los propsitos del estudio en cuestin.

El ms comn de los refrigerantes es el R-12, que tiene dos nombres comerciales: Fren y

Genetrn. El ms abundante y ampliamente conocido es el Fren, por lo que se denominar

de aqu en adelante Fren 12. El punto de ebullicin del Fren 12 es de 29.83 C a la presin

atmosfrica. Las presiones promedio en el lado de succin de los equipos alimentados con

Fren 12 varan de 13 a 16 lb/pulg2 con una temperatura de evaporacin en el refrigerante de -

12.2C. El Fren 12 se mezcla con los aceites minerales en todas proporciones.


38

Es inodoro en pequeas concentraciones, despide un ligero olor a ter cuando es mucho y

posee un grado mnimo de toxicidad. No es explosivo ni inflamable, y se puede utilizar para

extinguir fuego. Es estable hasta temperaturas que oscilen entre los 500C y pesa cuatro veces

ms que el aire.

Se sabe que los CFC juegan un papel importante en la destruccin de la capa de ozono y en el

cambio climtico del planeta, en un esfuerzo por solucionar esta problemtica fue adoptado el

Protocolo de Montreal en 1987 la cual regula la produccin y consumo de estas sustancias.

Los progresos han llevado al desarrollo de refrigerantes como el R152a y R134a para

refrigeradores domsticos e industriales el impacto de estos nuevos refrigerantes se espera

resulte en la eliminacin del consumo de Fren 12, en pases desarrollados en 1997 y en

pases en desarrollo en 2005.

El R134 a es una alternativa probada y est disponible desde 1991, principalmente operaba en

aires acondicionados de autos, pero actualmente es el nico utilizado en los refrigeradores

domsticos; posee niveles de presin y propiedades comparables con el Fren 12.

3.15. Aislamiento.

Este componente del refrigerador es muy importante porque permite conservar la temperatura

adecuada dentro del gabinete. Mientras ste tenga un buen nivel de aislamiento, la capacidad

refrigerante aumentar, ya que entre el 50 y 60% de las prdidas de calor en el refrigerador

se dan a travs de las paredes de la puerta y el gabinete.

La mayora de los investigadores y fabricantes de refrigeradores usan valores de resistividad

en unidades inglesas:

BTUFhrftR =

2

(9)

Para cuantificar la resistencia trmica neta y la lgpu

R para la resistencia trmica especfica

que es la que se utilizar, con las siguientes unidades:

lglg

2

puBTUFhrft

puR

= (10)


39

La mayora de los pases usan el sistema internacional para la conductividad o la resistencia

trmica, es decir:

sistividaddadConductivi

Re1= (11)

Por lo que finalmente la conductividad tendra las unidades [W/m K].

Tabla 3.1 Resistividad Trmica.

Neta Especfica

Unidades inglesas

BTUFhrftR =

2

Unidades S.I

WKmR =

2

Unidades inglesas

lglg

2

puBTUFhrft

puR

=

Unidades S.I

WKm

mR =

R-1 0.18 R-1/pulg. 6.94

R-5 0.88 R-5/pulg. 34.6

R-20 3.52 R-20/pulg. 138.7

R-100 17.6 R-100/pulg. 693.5


40

TECNOLOGIA DE AHORRO DE ENERGIA EN REFRIGERADORES

DOMESTICOS.

En este captulo se realiza una breve descripcin sobre la evolucin tecnolgica que se ha

desarrollado en torno a los refrigeradores domsticos, mediante el anlisis de los componentes

principales del refrigerador que han llevado a un importante ahorro de energa y, por ende, a

una mayor eficiencia. Los avances se centran principalmente en el compresor, evaporador,

condensador y materiales aislantes, los cuales forman el ciclo de refrigeracin bsico,

acompaados de algn fren como fluido de trabajo. Tambin se hace mencin de algunos

accesorios importantes como el termostato, temporizador, las resistencias de deshielo y el

intercambiador de calor.


41

4.1. Tecnologas en el uso eficiente de energa

4.1.1. Potenciales de ahorro.

Los potenciales de ahorro se refieren a la energa que se puede dejar de utilizar en los

refrigeradores domsticos; este ahorro de energa se ha logrado en mayor parte de dos

maneras que son:

Disminuyendo la transferencia de calor con el exterior.

Esta primera opcin se ha logrado incrementando la resistividad trmica del aislante y

disminuyendo las fuentes de calor del aparato.

Haciendo ms eficiente el sistema de refrigeracin.

La segunda se logro al modificar algunos elementos del sistema de refrigeracin; el principal

es el compresor que ha tenido gran posibilidad de mejora al paso de los aos.

Existe un gran nmero de variables, opciones de diseo e innovaciones tecnolgicas a nivel

internacional que han repercutido directamente en la disminucin del consumo de energa en

refrigeradores domsticos y que actualmente se pueden encontrar en el mercado nacional y

otras ms estn en desarrollo; estas innovaciones aplicndose en forma individual o en

combinacin con otras, han producido diferentes niveles de consumo de energa y obviamente

afectan en mayor o menor grado el costo de produccin de los refrigeradores.

Adicionalmente, aunque algunas de ellas pueden desarrollarse fcilmente, otras opciones de

diseo requieren disponer de tecnologas de alto nivel para poder madurarse y utilizarse en

prototipos. Adems, una vez desarrollados los prototipos es necesario realizar grandes

inversiones para poderlos producir en gran escala.


42

Se han realizan estudios, dirigidos a los siguientes componentes debido a su gran potencial de

ahorro de energa y su problemtica ambiental los cuales con el paso del tiempo han hecho

mas eficientes a los refrigeradores domsticos, entre estas grandes mejoras podemos tener:

4.2. El aislamiento.

El material aislante; ya que entre el 50% y el 60% de las prdidas de calor en el refrigerador

salen a travs de las paredes de puerta y gabinete.

4.3. El compresor.

Compresores de alta eficiencia de velocidad variable o sistemas de doble compresor;

considerando que aproximadamente el 75% del total de la energa consumida en el

refrigerador se utiliza precisamente en el sistema de compresin del gas refrigerante.

4.4. El Refrigerante.

El gas refrigerante, ya que pertenece a la familia de los CFC (fren 12) y ha sido sustituido

por R-134a en los refrigeradores modernos.

4.5. Mejoras en distintos componentes.

Localizacin y mejoras en reas del evaporador y condensador debido a que tienen una

influencia importante en el desempeo del refrigerador y su aplicacin no involucra altas

tecnologas.


43

4.2. El aislamiento.

La espuma de poliuretano se usa casi universalmente en todos los refrigeradores como

aislante tanto en las paredes como puertas (algunos usan fibra de vidrio). Si se remplaza la

fibra de vidrio por espuma con el mismo espesor el flujo de calor a travs de las paredes

disminuye, as se ve que el aislamiento trmico con alta resistividad trmica tiene el potencial

para ahorrar energa, sin prdida del espacio til si se incorpora dentro del refrigerador.

Muchos potenciales tiles en materiales y sistemas aislantes trmicos estn disponibles

comnmente. Existe tambin un gran nmero de artculos y patentes sobre stos.

Si se incrementa el espesor de aislamiento de un refrigerador de 3.81 cm (1.5 pulg) a 7.0 cm

(2.75 pulg) en puertas y de 3.81 cm (1.5pulg) a 7.62 cm (3 pulg) en paredes con una

resistividad trmica de R = 7.7*pulg para la espuma de poliuretano, se logra un ahorro

importante de energa elctrica al aumentar la resistividad del aislamiento.

Esto se puede obtener por el aumento del espesor del aislamiento o por el mejoramiento de la

resistividad trmica del aislamiento que se utilice.

4.2.1. Incremento en el espesor del aislamiento de gabinete y puertas.

Del 75% al 90 % de la energa requerida para refrigeracin puede ser atribuida al desempeo

trmico del gabinete y su aislamiento. Adicionar al espesor del aislamiento de 1.27 cm (0.5

pulg) a 2.54 cm (1 pulg) se puede incrementar la eficiencia global del refrigerador en un

10%; la tecnologa para implementar este cambio est disponible y la mejora en eficiencia es

significativa. Se requerir invertir en maquinaria y moldes para ajustar el nuevo grosor del

aislamiento.

Pero el aumento de la resistividad no es funcin directa del aumento de espesor del aislante y

llegar un momento en el que cualquier adicin en el espesor significa pequeas reducciones

adicionales en el consumo de energa, o sea que no disminuye proporcionalmente. Otra

desventaja de esta opcin es desde el punto de vista de diseo, al aumentar el espesor se

sacrifica el volumen interno del refrigerador. Adems, como las dimensiones de las cocinas

son limitadas, hay restricciones en las dimensiones exteriores del refrigerador.

As que se han hecho estudios en el campo de los materiales aislantes y existen tcnicas

innovadoras al respecto.


44

4.2.2. Mejora de la resistividad del aislamiento.

La espuma de poliuretano es el aislante ms usado para puertas y gabinetes; slo una

compaa usa fibra de vidrio para el aislamiento en puertas. La fibra de vidrio puede

remplazar a la espuma de poliuretano y mejorar la resistencia al flujo de calor hacia el

gabinete. Algunas tecnologas como son la formacin de microceldas en la espuma de

poliuretano son mejoras para aumentar la resistividad, pero an no se ve cercano su uso.

4.2.3. Paneles al vaco llenados con polvos aislantes.

Un camino que est siendo explorado en cuestin de bajos vacos es el uso de polvos muy

finos como material de relleno en un panel al vaco. Se ha probado una gran variedad de

materiales para este fin y varias compaas norteamericanas, francesas, alemanas, y japonesas

han producido paneles para su aplicacin en refrigeradores. Los paneles son de 1 pulgada (2.5

cm) de espesor y podrn ser colocados en la cavidad del gabinete; el espacio sobrante se llena

con espuma (presumiblemente sin CFC's), como material estructural, incrementando

moderadamente los valores de resistividad.

Los materiales que se han usado como polvos aislantes, incluyen espuma de silica, polvo de

silica, perlita, fibra, lana de vidrio y varias combinaciones. Estos cubren un amplio intervalo

de costos, tamao del polvo, densidad y resistividad trmica. La resistividad trmica de estos

materiales vara con la presin dentro del panel contenedor. Se puede probar el desempeo de

estos polvos al medir su conductividad trmica en un intervalo de presiones decrecientes. La

prueba se lleva a cabo en una cmara de presin radial, en la cual, el polvo se empaqueta entre

cilindros concntricos con una diferencia de temperatura entre ellos. Esto se usa para medir la

transferencia de calor a travs del polvo aislante a niveles variables de vaco.

Se observ que conforme la presin disminuye, en el polvo aumenta moderadamente la

resistividad trmica, hasta cerca de 100 Torr, punto donde la curva empieza a ascender muy

rpido; de aqu en adelante, la mayor medicin de resistividad ocurre a la menor presin y un

pequeo incremento en la presin puede resultar en un gran decremento en la resistividad.


45

Para aplicaciones prcticas, la presin determina la factibilidad comercial, pues establece los

niveles de vaco necesarios para su instalacin, con implicaciones de costo de produccin,

integridad, duracin del producto y funcionamiento sobre fallas de vaco.

Se han probado varios materiales en los laboratorios del Oak Ridge National Laboratory en

los E.U.A. [1] para determinar su funcionamiento como aislante. En general, se puede decir

que los productos de espuma de silica han trabajado muy bien pero son muy caros. Los

materiales baratos han trabajado bien (precipitado de silica, perlita) pero su presin mxima

es muy baja.

En General Electric [1] se han probado en refrigeradores paneles al vaco llenos de polvo con

precipitado de silica que es formado por la interaccin del silicato de sodio (water glass) y

cido sulfrico, disponible comercialmente y relativamente barato (aprox. $0.9 USD / board

foot) (1); la silica se seca en una membrana porosa de polipropileno y se comprime para

formar una especie de bolsa con la densidad deseable (10-13 1b/ft3 [-0.16-0.28 kg/litro]).

Entonces la bolsa se sella dentro de otra cubierta de plstico metalizado.

Los primeros paneles desarrollados por General Electric se adaptaron con una vlvula y se

sellaron posteriormente. Despus fueron sellados directamente en una vasija al vaco, que es

un proceso ms accesible para produccin a gran escala; los paneles pueden sujetarse a la

estructura de los refrigeradores.

En las pruebas de General Electric, los paneles de 1" de espesor (2.5cm) se colocaron

manualmente y despus se lleno el espacio con espuma estndar estructural. Estos prototipos

fueron algunos vendidos y otros apartados para pruebas. General Electric concluy que la

energa que se ahorr es menor a la proyectada.

Todos los mecanismos de transferencia de calor deben minimizarse para hacer un material

sper-aislante. La conveccin dentro del aislamiento se reduce confinando el gas dentro de

celdas las cuales son suficientemente pequeas para prevenir el movimiento del volumen de

gas en ellas. La conductividad trmica del gas dentro del aislamiento se reduce de manera

similar, al disminuir el tamao de las celdas o poros a un tamao menor que la principal ruta

libre de las molculas de gas (1) Un board foot es un volumen igual a una pulgada de espesor de un rea de un pie cuadrado

(Equivalente a 2.36 litros)


46

4.2.4. Aislamientos compactos al vaco.

El Instituto de Investigacin de Energa Solar (SERI) en E.U.A. [1], ha estado buscando desde

1985, un acercamiento completamente diferente al aislamiento al vaco, teniendo en cuenta

las ventajas de un vaco casi completo Un equipo de SERI ha desarrollado aislamientos

compactos al vaco los cuales son paneles a los cuales se les incorpora capas exteriores de

hojas delgadas de acero inoxidable, al interior tiene un espaciador de vidrio, con una presin

interna de 10-6 torr (0.133-6bar).

La meta de este programa es alcanzar valores de conductividad de 0.96 mW/m K (150 hr-ft2

F/Btu-in) en secciones delgadas compactas de 0.254 cm (0.1 pulg) de espesor.

Aunque el principal mercado para stos est en la industria de los aparatos electrodomsticos,

como un material altamente aislante y delgado, tambin podra ser til en el transporte de la

comida congelada, rama espacial, etc. La apertura de este aislamiento a estos mercados podra

acelerar su desarrollo beneficiando la industria de los aparatos electrodomsticos.

Este aislamiento sostiene la promesa de alcanzar niveles de aislamiento elevados en todo el

gabinete del refrigerador, el espesor propuesto de 0.254 cm resulta econmicamente atractivo

para la produccin de refrigeradores en serie ya que el refrigerador podra usar un compresor

ms pequeo reduciendo su costo de produccin e incrementando su eficiencia.

Sin un material de relleno, el camino libre para las molculas de gas es ms difcil as, se

debe mantener una muy baja presin dentro del panel para que funcione correctamente.

Cuando esto ocurre, la conduccin y la radiacin de los gases casi se eliminan. La conduccin

de los slidos est limitada al espaciador de vidrio (el cual tiene un rea de contacto muy

pequea) y la conduccin bidimensional en el metal se concentra en los rincones hacia las

soldaduras lser en las orillas del panel.

El principal medio de transferencia de calor en el panel es la radiacin, sta puede disminuir

con paneles hechos o cubiertos con material de baja emitancia.

Mantener el vaco es el mayor problema de estos paneles de alto vaco, pero puede

solucionarse con la inclusin de un material reactivo que atrae a las molculas de gas

dispersas sobre una tira delgada de bario, titanio y/o aleacin de circonio que es una tcnica

barata y bien establecida.


47

Las fugas de vaco son extremadamente pequeas y pueden ser toleradas, pero pueden hacer

que falle el panel con severas reducciones en el valor del aislamiento, as que el diseo de los

fabricantes debe hacerse construido tomando en consideracin lo anterior para que este

aislamiento dure unos 20 aos, que es el tiempo promedio de vida de un refrigerador

domstico.

4.2.5. Paneles llenos de gas (super aislantes).

Este tipo de aislamientos alcanzan valores de conductividad de 18 mW/m-K (8 hr-ft2-F/Btu-

in) con Argn y 9.6 mW/m-K(15 hr-ft2-F/Btu-in) con Kriptn. Estos paneles consisten en

algunas hojas paralelas planas de pelcula polimrica, impermeables al gas y metalizadas de

0.001 a 0.005 pulgadas de espesor. Las hojas metalizadas de baja emisin eliminan

virtualmente la transferencia de calor por radiacin. Estn estructuradas para formar una capa

exterior para que ellas se soporten entre s; crean mltiples huecos que se llenan con gas de

baja conductividad.

Los espacios huecos son ptimos para este gas, esto minimiza la transferencia de calor por

conduccin. Los deflectores de baja emitancia se construyen con pelcula corrugada de 0.0005

pulgadas de espesor puestas entre cada conjunto de placas paralelas, esto minimiza la

conveccin y adems baja la transferencia por radiacin.

Los deflectores tambin sirven para sostener el material de toda la estructura. Debido al

grosor y a la baja conductividad del material aislante de las placas, las prdidas por efecto de

borde son insignificantes. Este material esta todava en desarroll.

Los valores de resistividad varan de acuerdo con el gas que se utilice para llenarlos. Puede

ser Argn Kriptn el ltimo es ms caro.

4.2.6. Aerogel.

Desde hace 50 aos, las tcnicas han venido evolucionado para conseguir que los geles con

base de silicn puedan secarse sin encoger, substituyendo el aire por agua en el gel. El

material resultante es en extremo poroso, con celdillas de muy baja densidad, las cuales al

hacerles un vaco de 0.1 atmsferas, alcanzan valores de conductividad de 6.5mW/m-K con

paneles de 1.27 cm (0.5 pulg).


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El aerogel fue descubierto a principios de 1930 en la Universidad de Staford; despus fue

estudiado y mejorado por grupos de franceses, alemanes, suecos y americanos para usos que

van desde un medio para poder almacenar explosivos hasta para detectores de radiacin

Cerenkov (la aplicacin comercial ms comn).

El tamao del poro del aerogel es muy pequeo (slo 10 nm ), por eso casi elimina la

conveccin de la fase gaseosa, mientras que las pequeas celdillas slo un camino muy

pequeo para la conduccin en slido, por eso, el modo dominante de transmisin de calor a

travs de un panel de aerogel, es la radiacin. Si se adiciona una capa que sea opaca o

reflexiva a la radiacin infrarroja mejorar el funcionamiento del panel. El potencial tcnico

para el funcionamiento del aerogel es menor que el aislamiento al alto vaco, este ltimo tiene

varias ventajas: aisla bastante bien an cuando tenga fallas de vaco suave, es ms fcil de

procesar y ocupa menos materiales de alta tecnologa y fabricacin.

Las placas de aerogel se hacen en tinas en donde se mezclan tetraetilortosilicato (TEOS) con

etanol y agua. El fluido resultante se calienta a presin en un molde para eliminar el agua,

obtenindose un enrejado de silica que ocupa casi el volumen original.

Las mejoras en estos procesos han acortado el tiempo de produccin de un par de meses a

alrededor de 24 horas y han eliminado el uso de alcohol, un solvente particularmente

flamable.

La ms reciente investigacin en aerogel se ha enfocado a sus propiedades como aislamiento

trmico en aplicaciones a ventanas (el material es translucido) y para aislamiento en aparatos

domsticos.

Para su uso en los refrigeradores domsticos, las placas de aerogel de 0.75 a 1 pulgada de

espesor (19 mm a 25 mm) podrn ser empacadas en un panel o bolsa de plstico laminad.

Los paneles cubrirn todos los lados de un refrigerador y el espacio sobrante dentro de las

paredes podra llenarse con una espuma estructural aislante. Si los panales de aerogel pueden

alcanzar el aislamiento necesario por s solos, entonces la espuma estructural puede ser de un

material que no contenga CFC y tenga una baja conductividad trmica.

Es posible producir en serie paneles sellados del tamao de una pared lateral de refrigerador

(pared entera), minimizando la penetracin a travs de la capa aislante (como son los tubos

del condensador, conexiones elctricas, etc.) lo que facilitara su construccin y mejorara su

funcionamiento.


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El aerogel es un material ligero, rgido y frgil; puede resistir fcilmente las presiones

atmosfricas externas conservando su forma y puede ser modelado o cortado a formas y

tamaos especiales.

Un buen factor en el funcionamiento del aerogel es su densidad, la cual puede ser controlada

fcilmente en el proceso de manufactura. Adems, como el material es cohesivo y tiene

bordes relativamente limpios, puede ser sellado en una bolsa al vaco sin usar el relleno

permeable requerido para contener las perdidas del aislamiento como los polvos al vaco.

Con base en un estudio de costos, los paneles de aerogel 0.75 pulgadas (1.9cm) de espesor y

con una conductividad de 6.5 mW/m-K podra costar a los fabricantes de refrigeradores $ 1-2

USD por ft 2. Gran parte de ese costo se debe a la materia prima, el TEOS.

Como el aislamiento de aerogel solo necesita un vaco de 0.1 atmsfera (76 Torr) para

conseguir una conductividad de 6.5 mW/m-K, para mantenerlo se puede dar un sobre-vaco

inicial al panel. As, ste podr tolerar una difusin gradual y elevar la presin fuera del

alcance de las perdidas del funcionamiento del aislante (a diferencia de los polvos al vaco

aislantes, en los que hacer un vaci mayor a 76 Torr slo mejora un mnimo el

funcionamiento del aislamiento).

Cuando el vaco se pierde completamente, la conductividad del aislamiento cae de 6.5 a 2.5

unidades que es el mismo valor que el de la espuma rgida de poliuretano que se emplea

normalmente para este fin. Este aspecto hace de la tecnologa de bajo vaco y a la del aerogel

muy atractivas.


50

4.3. El compresor.

Hay medidas tiles para conocer el desempeo del compresor: su capacidad (la cual est

relacionada con el volumen de desplazamiento del compresor) y su eficiencia.

La capacidad es la razn de calor removido por el refrigerante bombeado por el compresor en

el sistema de refrigeracin. Es igual al producto del flujo msico del refrigerante producido

por el compresor y la diferencia de las entalpas especficas del vapor refrigerante en su estado

termodinmico cuando ste entra al compresor y el refrigerante liquido a la temperatura de

saturacin correspondiente a la presin del vapor de salida del compresor se acostumbra

medirlo en Watts [J/s].

El coeficiente de desempeo o Coeficiente de Operacin ( COP) para un compresor hermtico

incluye las eficiencias de operacin combinadas del compresor y el motor.

))(/())(/(

WhBTUmotoralentradadePotenciaWhBTUCapacidadCOP = (12)

La capacidad del compresor en una condicin de operacin dada es una funcin de la masa

de gas comprimida por unidad de tiempo; idealmente, la razn de flujo msico es igual al

producto del desplazamiento del compresor por unidad de tiempo y la densidad de gas, como

se muestra en la ecuacin:

drefri Vm = (13)

Recientemente [1] el factor de comportamiento ha sido importante para la industria a causa de

las polticas de conservacin de la energa. Ahora se le llama EER (Energy Efficiency Ratio)

o relacin de eficiencia energtica (2).

La disminucin en la eficiencia del compresor se debe a varias prdidas, dando como

resultado una disminucin de la capacidad y el incremento de la energa de entrada.

Dependiendo del tipo de compresor hay varios factores que tienen que ver en el desempeo

del compresor:

A travs de vlvulas de succin y descarga se tienen prdidas que son difciles de calcular

individualmente, sin embargo se pueden agrupar y considerar por categoras.

Su efecto en el funcionamiento ideal del compresor se mide por las siguientes eficiencias:


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Eficiencia de compresin: es una medida de la desviacin de compresin real respecto al ciclo

de compresin perfecto y se define como el trabajo hecho dentro del cilindro.

Eficiencia mecnica: es la razn del trabajo entregado al gas entre el trabajo de salida de la

flecha del compresor.

Eficiencia volumtrica: es la razn del volumen del gas actual entrando al compresor entre el

desplazamiento terico del compresor.

Eficiencia isentrpica (adiabtica): es la razn del trabajo requerido para la compresin

isentrpica del gas entre el trabajo de salida de la flecha del compresor.

Capacidad actual: es una funcin de la capacidad ideal y la eficiencia volumtrica total.

El comportamiento del compresor se evala por medio de estas definiciones y es el resultado

de su diseo, que envuelve ciertas limitaciones fsicas del refrigerante, el compresor y el

motor, entre otros factores.

Hay un debate considerable acerca del paso que hay que seguir para mejorar la eficiencia en

los compresores, especialmente en los modelos pequeos en los que el refrigerante

predominante, el CFC-12 ha sido prohibido totalmente a partir del ao 2000.

A continuacin se presentan algunas mejoras que se han realizado a los compresores por los

fabricantes y tecnologas que podran aplicarse en un futuro para alcanzar las eficiencias que

marcan las normas de eficiencia energtica.

4.3.1. Compresores de alta eficiencia.

Para el ao 2000, la gran mayora de los compresores utilizan el CFC-134a como fluido de

trabajo. La eficiencia del compresor ha mejorado considerablemente desde los aos de 1990

hasta el 2000, y los avances continan todava.

El compresor es el elemento que consume mayor cantidad de energa dentro del refrigerador,

los avances en la eficiencia global del compresor tienen un efecto significativo sobre la

eficiencia global del refrigerador.

Para el desarrollo de los compresores modernos de refrigeracin se emplearon muchos de los

principios mecnicos de los motores a explosin de los automviles, por lo que en un

momento dado pudo establecerse una comparacin relativa.

(2) EER se define como BTU/h de enfriamiento suministrado por kW de electricidad de entrada. Dividiendo

EER por 3.413 se obtiene el COP.


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La invencin de los equipos sellados de compresin obedeci a diversas causas, entre las ms

importantes estn:

La supresin de las bandas motrices existentes en los sistemas de refrigeracin domsticos antiguos, que motivaba su continua sustitucin por el rpido desgaste.

La prdida de refrigerante por la abundancia de uniones en las tuberas del sistema de refrigeracin.

El mejor aprovechamiento de espacio en los gabinetes. La reduccin al mximo de ruidos molestos en los sistemas de refrigeracin La reduccin importante del consumo de energa elctrica.

Los primeros sistemas de refrigeracin domsticos contaban con compresores que en la

actualidad se denominan abiertos, por debido a que se accionaba por un motor elctrico a

travs de una banda motriz. Dichos sistemas tenan varios inconvenientes como el que el

compresor y el motor elctrico ocupaban casi la mitad del gabinete del refrigerador por lo que

el compartimiento de refrigeracin se reduca mucho. En la actualidad, la modalidad de

sistemas abiertos de compresin o unidades abiertas, se destinan por completo para la

refrigeracin comercial o industrial.

Los compresores que se fabrican actualmente en Mxico son de patente extranjera [3]. Los

ms usados son los denominados Tecumseh, que se manufacturan bajo licencia por la General

Electric y la Kelvinator, los que a su vez se fabrican bajo licencia por la firma Corpomex

tambin se tienen los compresores de marca Embraco.

Un compresor es un dispositivo mecnico que se construye de tal manera que por un lado

succione y por el otro comprima. Para logar esto se acopl un pistn de dimensiones

reducidas con un motor elctrico que lo pone en funcionamiento, se encerr a ambos en un

recipiente hermtico el cual se provea de tuberas y conexiones elctricas para poder operarse

desde el exterior de una manera segura.

El compresor consta de un pistn que gira de manera excntrica sobre un cigeal que le

brinda el movimiento de vaivn necesario para lograr el bombeo del gas. El cigeal tiene

internamente una serie de canales por los cuales el aceite lubricante sube hacia la biela del

pistn y va a la base del cigeal que va apoyada sobre el cojinete del monoblock. A su vez,

este movimiento del cigeal baa de aceite la parte exterior d

manual de refrigeracion muy bueno.pdf

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