Análisis de máquinas reales: El frigorífico

La refrigeración es el método de conservación más generalizado tanto a nivel domésticocomo en el ámbito industrial, no produce modificaciones en los alimentos, hasta el punto quelos consumidores entienden que los alimentos frescos son en realidad refrigerados.

Imagen 01. redcoon. © Imagen 02. redcoon. ©

La refrigeración consiste en la conservación de los productos alimenticios a baja temperatura,aunque por encima de la temperatura de congelación, así se consigue mantener lascaracterísticas organolépticas y el valor nutricional de los alimentos en comparación con losvalores del inicio del almacenaje. Por este motivo se considera que los alimentos frescosrefrigerados son saludables.La actividad de los microorganismos patógenos y de las enzimas (proteínas activas) de losmicroorganismos y de los propios alimentos se ralentiza, retrasándose la degradación de suscomponentes, por lo que éstos se conservan más tiempo.Los microorganismos patógenos son incapaces de multiplicarse por debajo de 8ºC, aunque paragarantizar la detención del proceso es más conveniente mantener los alimentos por debajo de5ºC.

Los alimentos no se mantienen inalterados, de forma que el tiempo de conservación varía deunos a otros, considerándose que en el interior de un frigorífico con una temperatura entre 0 y8ºC, el tiempo de conservación será el que se indica en la tabla.

1. Aplicación de los principios termodinámicos aun frigorífico

Del segundo principio de la termodinámica se desprende que es imposible que el calor fluyade manera espontánea entre un foco frío y otro caliente, experimentalmente se compruebaque el calor fluye del foco caliente al foco frío.Aunque se puede extraer calor del foco frío y transportarlo a otro más caliente, a condiciónde que aportemos energía mecánica exterior al sistema, es lo que llamamos máquinafrigorífica o bomba de calor, de un modo similar a como una motobomba eleva el agua desdeun nivel bajo a otro más alto consumiendo energía.El esquema conceptual de este proceso es el de la figura adjunta.

Imagen 03. Elaboración propia

La eficiencia del sistema se obtiene de la relación entre el flujo calorífico extraído del foco frío yla potencia mecánica aportada, según la expresión:

Si consideramos que los flujos de calor son proporcionales a las temperaturas absolutaspodemos expresar la eficiencia del siguiente modo:

Más sencilla de aplicar ya que resulta más fácil obtener la temperatura de los focos que el calortrasegado.

¿Hay diferencias entre la eficiencia de un frigorífico en invierno o en verano?

Diagrama p-v del ciclo teóricoEl funcionamiento de los equipos frigoríficos de compresión se basan en la cesión del calorlatente de condensación y la absorción del calor latente de evaporación de un fluidofrigorífico al que se hace evolucionar en un ciclo cerrado de comprensiones y expansionessucesivas, que provocan la condensación y evaporación respectiva del fluido frigorífico.El ciclo teórico que sufre este fluido es el representado en el diagrama p-v adjunto, y sejustifica del siguiente modo:

Imagen 04. Elaboración propia

Línea 1-2. El fluido (gas) se comprime sufriendo un aumento de presión y unareducción de volumen. Línea 2-3. El fluido (gas) se sigue comprimiendo y su volumen continúa reduciéndose

hasta que el fluido se condensa, convirtiéndose en líquido, cediendo su calor latente decondensación al foco caliente. Línea 3-4. Tiene lugar una expansión del fluido que provoca una disminución de presión

y un aumento de volumen, dando lugar a que el fluido licuado comience a evaporarse. Línea 4-1. Concluye el proceso de evaporación del fluido absorbiendo su calor latente

de evaporación del foco frío. Con lo que se cierra el ciclo.

Para que se produzca este efecto, hay que aportar energía al sistema (compresor) y emplearfluidos que se vaporicen a baja presión.Un buen equipo frigorífico deberá extraer una gran cantidad de calor de un foco frío aexpensas de una pequeña cantidad de energía aportada por el compresor.

¿Sabías que…?En 1918, Nathaniel Wales fabricó el primer refrigerador doméstico, llamado Kelvinatorbasándose en los mismos principios físicos de los actuales refrigeradores

2. Constitución y funcionamiento de un frigoríficodoméstico

En la figura que se adjunta se pueden distinguir y localizar los distintos elementos queconstituyen un frigorífico doméstico, así como su esquema de funcionamiento.

Imagen 05. Elaboración propia

El motocompresor (1), está constituido por un motor eléctrico, alimentado desde la red yun compresor alternativo de émbolo, está localizado en la parte inferior trasera del equipo yla función que realiza es aspirar el fluido (gas) refrigerante a baja presión y dirigirlo a altapresión hacia el condensador (2), que es un serpentín, situado exteriormente en la zonaposterior, debido a la elevada presión del fluido refrigerante, éste se licúa en el condensadorcediendo el calor latente de condensación al exterior. A la salida del condensador se sitúa unfiltro-secador (5) cuya función es limpiar y deshumidificar el fluido refrigerante. Lafunción de la válvula de expansión (3) la realiza un tubo capilar muy largo y estrecho,que tras ser recorrido por el fluido refrigerante, éste ha perdido presión y ha cedido calorresidual.

A continuación el fluido licuado entra en el evaporador (4) que es otro serpentín situadoen el interior del equipo, en él debido al considerable aumento de la sección del conducto seproduce la expansión del fluido, que se evapora, absorbiendo calor del entorno, que resultaser la zona congelador del equipo y del resto del recinto interior del frigorífico. A la salidadel evaporador el fluido refrigerante (gas) a baja presión es aspirado por el compresor y sevuelve a repetir el ciclo.

En el siguiente video, tienes un repaso de las partes de un frigorífico.

Multimedia 01. youtube. ©

El compresor o motocompresor del frigirífico utiliza un motor eléctrico

Verdadero Falso

En el condensador se evapora el fluido refrigerante

Verdadero Falso

En el evaporador , se absorbe el calor del interior del interior de la nevera.

Verdadero Falso

¿Sabías que…?Thomas Midgley descubrió el freón R22 (CH-Cl-F2), que por sus propiedades ha sido,desde entonces muy empleado, tanto en máquinas de frío como en equipos de aireacondicionado y en frigoríficos. Sin embargo, estos fluidos conocidos como CFC, se hademostrado que son uno de los principales causantes de la destrucción de la capa deozono, por lo que en 1987 se firma el Protocolo de Montreal para restringir el uso deesos compuestos.Por lo que en su lugar en la actualidad se utiliza el R134como fluido frigorífico y otros,aunque no sean tan eficaces como los CFC.

El ciclo básico de refrigeración.

En el siguiente video se explica el ciclo básico de refrigeración:

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Del ciclo teórico analizado anteriormente, se deduce que un sistema de refrigeración puedeconstruirse sometiendo a un fluido (gas) a cuatro fases sucesivas de compresión,condensación, expansión y evaporación, en un circuito cerrado, tal como se muestra en lafigura adjunta.

Un último video sobre el ciclo de refrgeración, en el que no se explica nada nuevo, pero elmontaje del refrigerador en "un panel" es muy gráfico para ver cada fase.

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3. El frigorífico y sus circuitos

Dentro del frigorífico se diferencian claramente dos circuitos, uno eléctrico y otro del fluidorefrigerante, que vamos a analizar a continuación.

El circuito frigorífico (4) está constituido por un compresor (a) accionado por un motormonofásico, el condensador (b), el filtro-secador (c), el tubo capilar (d), el evaporador (e) yel tubo de retorno (g).

Imagen 07. Elaboración propia

El circuito eléctrico está formado a su vez por dos circuitos separados, el del motor (1)controlado por un termostato (f) y el circuito de alumbrado anterior (3), constituido por unalámpara y un pulsador accionado por la propia puerta del frigorífico. La regleta deconexiones (2), une estos dos circuitos con la red de alimentación.

Imagen 08. Elaboración propia Imagen 09. Elaboración propia

El esquema interno del motor que acciona el compresor, es un motor asíncrono monofásicode c. a. y rotor de jaula de ardilla. Su estator está constituido por dos bobinados, unoprincipal o de trabajo (Bobina de Marcha) y otro auxiliar o de arranque (Bobina dearranque), que solamente se conecta en el momento del arranque. La conexión ydesconexión automática de este bobinado de arranque se realiza a través del Relé dearranque situado en la zona izquierda del esquema.Al conectar el motor, el devanado de trabajo (Bobina de Marcha) es incapaz de arrancarloprovocando que la intensidad transitoria que recorre la bobina del relé aumente, conectadaen serie con el bobinado de trabajo, cerrando el contacto superior que conecta el bobinadode arranque (Bobina de arranque), provocando que el motor comience a girar.Cuando el motor adquiere velocidad progresivamente, el consumo de la bobina de trabajo vadisminuyendo hasta que la bobina del relé no tiene la fuerza suficiente como para mantenercerrado su contacto, por lo que éste se abre desconectando el devanado auxiliar dearranque.En la zona derecha del esquema puede observarse un protector térmico (P.T.) cuya funciónes abrir el circuito en caso de producirse sobrecargas que podrían ser peligrosas.Según las normas vigentes, todas las partes metálicas del frigorífico irán unidas a la tierrade la instalación, en la base de enchufe.

Como curiosidad, en el siguiente vídeo, se explica el arranque del motor de uncompresor de un refirgerador. Para poder seguir la explicación correctametne, dondedice RELEVADOR, nosotros solemos decir RELÉ

Multimedia 04. youtube. ©

4. Elementos principales de un frigorífico

Motocompresor.El motor eléctrico y el compresor constituyen una unidad hermética, que se muestra ensección en la figura adjunta.

Imagen 10. Elaboración propia

El motor asíncrono monofásico de c. a., consta de una parte fija (estator 10), en cuyasranuras van alojados los devanados (11) y una parte giratoria (rotor 9) del tipo de jaula deardilla. Su eje (3) concluye en la parte superior en un mecanismo de manivela (2), quemediante dos casquillos (4) deslizantes uno dentro del otro proporcionan al pistón (1) unmovimiento rectilíneo alternativo. La manivela es equilibrada por un contrapeso (12),provocando el movimiento del pistón en el interior del cilindro (5) la aspiración del gas através de la válvula de entrada (13) para posteriormente expulsarlo una vez comprimido porla válvula de salida (14).

La lubricación del equipo se realiza por medio de aceite que se encuentra en la zona inferiorde la carcasa, siendo elevado a través de un orificio (6) por medio de una ranura helicoidal(7) realizada en el eje del rotor (3). Así el lubricante accede a la zona superior donde seencuentran los órganos móviles del equipo que están en rozamiento. Para tratar de que elequipo resulte lo más silencioso posible, todos los componentes se suspenden por medio deunos muelles (15) de la carcasa que los contiene. Los tubos de comunicación con el exteriortienen forma de “S” al objeto de absorber el máximo posible las vibraciones del motor.

Imagen 11. clasipar. ©

La función de un compresor de refrigeración consiste en forzar mecánicamente la circulación

Como todo desarrollo tecnológico, los frigoríficos han ido evolucionando en suscaraterística. Como muestra, un plano de la patente de un compresor de 1959.

Imagen 13. patentados.com. ©

Condensador.Se encarga de transferir al ambiente el calor absorbido en el evaporador y en la etapa decompresión, reciben el vapor recalentado proveniente del compresor y deben ser aptos paraeliminar el recalentamiento y efectuar la condensación.Es un serpentín en el que el fluido frigorífico pasa de estado gaseoso a líquido por efecto dela compresión, cediendo el calor latente de la condensación que para favorecer su expulsiónal entorno se le hace tener una forma muy alargada con curvas sucesivas, dotándole dealetas transversales para garantizar una gran superficie de contacto con el aire circundanteque favorezca la evacuación de calor. Se suele fabricar de cobre que es un muy buenconductor de calor, siendo además muy maleable lo que facilita su conformación.En la fotografía se ve un condensador de un frigorífico doméstico.

Imagen 14. spanish.alibaba. ©

Evaporador.También es un serpentín que recubre el cajón de la zona de congelación, dentro del que elfluido refrigerante en forma de líquido se expansiona convirtiéndose en gas, absorbiendo elcalor latente de evaporación y provocando una disminución drástica de la temperatura en suentorno, se fabrica de cobre por el mismo motivo que el condensador.En la fotografía se ve un evaporador de una cámara de frío industrial.

Imagen 15. yooguy. © Imagen 16. e-recambios. ©

Filtro secadorEntre el condensador y el capilar se sitúa un filtro cuya función es limpiar de impurezas elfluido refrigerante y tratar de extraer la humedad que pueda tener, está constituido por uncilindro de cobre con dos mallas metálicas una más basta y otra más fina, entre las que selocaliza un desecador (silicagel).

Imagen 17. Elaboración propia

A su salida se une a un tubo capilar de reducido diámetro cuya misión es restringir el caudalde paso del fluido refrigerante, para que éste se comprima y se licúe en el condensador. Elfluido recorre el tubo capilar perdiendo presión, preparándose para poder evaporarse cuandoalcance el evaporador, para conseguir la temperatura requerida. Este capilar sueleenrollarse alrededor del conducto de retorno del evaporador para facilitar la evacuación delcalor residual del fluido refrigerante.

Termostato.Su objetivo es controlar la temperatura en el interior del frigorífico, en la figura adjunta sepuede observar un antiguo termostato de frigorífico.

Imagen 18. Elaboración propia

Formado por una caja (1) en cuyo interior se localiza un fuelle lleno de vapor unidomediante un conducto (2) a un bulbo sensible (3), situado junto al evaporador, cuando latemperatura del bulbo aumenta, el vapor se dilata, provocando la expansión del fuelle quelevanta la palanca (A), que eleva el bulón (B), donde se localiza una tuerca fija (C) y otraajustable (D).

Imagen 19. Elaboración propia

Entre estas se localiza una palanca (E) pivotada a su derecha, en cuyo extremo hay unapieza metálica que puenteará los contactos dando orden de puesta en marcha almotocompresor. El extremo izquierdo de la palanca (E), se articula con otra palanca (F),entre los dos extremos de estas palancas se encuentra un resorte de acción rápida, quemantiene los contactos abiertos, hasta que la expansión del fuelle mueve las palancascolocándolas en la posición de la segunda figura, desde ese momento el resorte mantienecerrados los contactos hasta que el bulbo se enfríe, haciendo que el fuelle se contraiga,llevando las palancas a su posición inicial, abriendo los contactos que cortarán la

En el siguiente esquema, en los huecos rectangulares marcados en amarillo, faltancuatro nombres de tres elementos de los que forman un frigirífico ¿sabrías poner cúales cúal?

Imagen 21Elaboración propia

5. Innovaciones y curiosidades

Sistema NO FROST

Uno de los problemas que han tendido los frigoríficos era lacreación de escarcha. Este hielo escarchado, en las paredesdel frigorífico o congelador, hace que el frigorífico trabajepara su mantenimiento, hecho que no deseamos puestoque este hielo no es útil en la conservación. Para evitareste hielo, períodicamente se descongelaban losfrigoríficos. Para no tener que realizar esta descongleaciónque hacía necesario parar el frigorífico al menos duranteun día, se desarrolló el sistema NO FROST. Esta innovaciónpermite un menor consumo, al no generar escarcha queconsuma energía en mantenerse como hielo dentro denuestra nevera.La refrigeración producida se debe a un único evaporador,llegando el aire frío y seco a las distintas zonas impulsadopor un ventilador situado en las proximidades delevaporador, provocando que la humedad se acumule enforma de escarcha en la zona del evaporador de donde eseliminada cíclicamente por medio de una resistenciaeléctrica, el agua generada se dirige hacia la bandeja deevaporación.as principales ventajas de este sistema es que no precisade descongelación manual, la distribución de frío seproduce de modo homogéneo, no se genera condensaciónsobre los alimentos, por lo que éstos no gotean. No semezclan olores ni sabores, recupera la temperatura hastatres veces más rápido que un frigorífico convencional. Elproceso de congelación se produce mucho más rápidamente.

¿Sabías que…?Para ahorrar energía utilizando eficazmente el frigorífico, debes seguir las siguientespautas:

Situar el frigorífico alejado de fuentes de calor. Colocar los alimentos de forma que el aire pueda circular entre ellos. Controlar las aperturas de puerta. No introducir en él alimentos calientes. Vigilar que no se acumule escarcha. Descongela los alimentos en el interior del frigorífico. Permitir la circulación de aire en la parte trasera del frigorífico. Limpiar el condensador anualmente.

Clasificación de congeladores

En función de la capacidad de alcanzar mayor temperatura, los congeladores seclasifican con "estrellas", de 1 a 4. Las diferentes temperaturas tienen asociadosdiferentes tiempos de conservación, como muestra la siguiente tabla.

Multimedia 05. consumer-eroski. Creative commons