Cuando se ensambla un sistema nuevo, estos requerimientos son relativamente fácile de alcanzar, pero cuando se repara un equipo frigorífico con antecedentes de fallas, el proceso es más complicado. Además de otros factores, esto se debe a que las fallas en las unidades pueden generar procesos químicos, y además, la apertura del circuito frigorífico crea una posible contaminación. Si se desea llevar a cabo una buena reparación, son necesarias una serie de medidas preventivas. Antes de comenzar cualquier detalle sobre la reparación, deben entenderse algunas reglas y condiciones.

 

El ciclo de refrigeración por compresión mecánica consta de 4 componentes principales: evaporador, compresor, condensador y dispositivo de expansión.

Evaporador: Intercambiador de calor ubicado dentro del recinto que se desea enfriar al cual el refrigerante entra en estado líquido o mayoritariamente líquido a baja presión y por consiguiente a una baja temperatura de ebullIción. Al entrar en contacto con las paredes del evaporador, comienza su evaporación con la consiguiente absorción de calor. Dicha absorción provoca el enfriamiento de las paredes del aparato y por consiguiente, el enfriamiento del medio que lo rodea.

A la salida del evaporador nos encontramos con vapor refrigerante a baja presión el que se encuentra "cargado" con la energía térmica absorbida a las paredes del aparato y al medio ambiente. Como todo intercambiador de calor, este aparato deberápresentar el mínimo de resistencia al paso de calor desde el recinto o producto enfriado a las paredes del aparato y enseguida desde allí al refrigerante. Se puede afirmar que este aparato es el "productor de frío".- Compresor : Succiona los vapores del refrigerante desde el evaporador y los comprime, o sea, eleva la presión a una temperatura tal que permita licuar posteriormente en el condensador. En este elemento es donde debemos entregar la fuerza motriz necesaria para el funcionamiento del sistema, es decir, aquí se realiza el gasto de energía.

- Condensador : Segundo intercambiador de calor, fundamental dentro del sistema. Tiene por finalidad condensar los vapores refrigerantes a alta presión provenientes del compresor. La condensación de estos vapores significa convertirlos en líquidos y para ello debemos extraerles calor, o sea, enfriarlos. El calor retirado a los vapores refrigerantes en este elemento, es el mismo calor que se absorbió en el evaporador más una pequeña cantidad aportada al refrigerante por el funcionamiento del compresor. El calor extraído al
refrigerante es entregado al medio ambiente, ya sea por un enfriamiento de este elemento mediante agua o aire. Debe cumplir con las mismas condiciones del evaporador desde el punto de vista del intercambio de calor.

A la salida del condensador nos encontramos con líquido refrigerante a alta presión.

- Dispositivo de expansión : Tiene como finalidad reducir la presión del líquido refrigerante proveniente del condensador y entregarlo como líquido a baja presión al evaporador. Esta reducción de presión es fundamental para poder lograr la evaporación del refrigerante en el evaporador. En algunos casos actúa como regulador de la cantidad de líquido que entra al evaporador.

Analizando el sistema desde el punto de vista de las presiones existentes en él, es usual dividirlo en dos sectores bien definidos:

a) El lado de alta presión que va desde la salida del compresor a la entrada del aparato de expansión.
b) El lado de baja presión que va desde la salida del aparato de expansión a la entrada del compresor.

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La cantidad de sobrecalentamiento del compresor que es necesaria para cierta aplicación puede variar. En algunas máquinas comerciales fabricadoras de hielo se necesita un sobrecalentamiento del evaporador de 3 a 5 grados para que la unidad produzca correctamente. Sin embargo, los acumuladores de la línea de succión son frecuentemente empleados por estos sistemas para agregar protección. Esto ayudará a asegurar de que todo el refrigerante que ingrese al compresor esté libre de líquido. Esto también ayuda a mantener el evaporador funcionando correctamente.

 

Introducción

Las leyes de la termodinámica que gobiernan el movimiento del calor son explicadas en este breve artículo. Resulta de interés particular para todo aquel estudiante o mecánico que quiera profundizar en el análisis del funcionamiento del ciclo frigorífico.

Con la lectura de este artículo podremos establecer los siguientes puntos:

* Definición de la Primera Ley de la Termodinámica

* Definición de la Segunda Ley de la Termodinámica

* Equilibrio en un sistema

* Definición de Irreversibilidad

 

Primera Ley de la Termodinámica

La ley de conservación de la energía establece que la energía no puede ser creada ni destruida, pero puede cambiar en varias formas. El calor o energía puede ser solamente movido, pero basados en la ley para cualquier sistema, abierto o cerrado; debe haber un equilibrio de energía. Los sistemas de refrigeración y de aire acondicionados son sistemas equilibrados. El calor total o energía absorbida por el evaporador y la línea de succión, mas el calor o energía que el compresor genera hacia el refrigerante, debe ser expulsado fuera del condensador en orden de mantener el equilibrio en el sistema. Si el evaporador no puede absorber calor o el condensador no puede expulsar calor, el sistema no estará equilibrado y ocurrirá una perdida de eficiencia y capacidad.

Segunda Ley de Termodinámica

La segunda ley establece que el calor fluye desde una sustancia caliente hacia una sustancia fría. La temperatura relativa de la sustancia determina la dirección del flujo del calor. La velocidad del flujo del calor está determinada por la diferencia entre esas temperaturas y el valor de aislamiento de la sustancia, provocando que el calor sea transmitido. La cantidad de calor transmitido por un material dividido por la diferencia en temperatura de las superficies del material se denomina Conductividad térmica.

Dadas las definiciones anteriores de lo que es la energía y, que se mueve en una dirección, debe considerarse la irreversibilidad. Irreversibilidad puede definirse como la diferencia en temperatura entre el condensador y el evaporador. Por ejemplo, cuanto más grande es la irreversibilidad en un ciclo de refrigeración, operando con una carga dada entre dos niveles de temperatura fijos, resultará en una gran cantidad de energía requerida para operar el ciclo de refrigeración. Para mejorar la performance del ciclo, debe ocurrir una reducción total de la irreversibilidad en el ciclo del refrigerante.

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Consideraciones a tomar en cuenta con la reparación de heladeras / neveras empleando los nuevos refrigerantes blends o mezclas. Cambios en el sistema e importancia de la adecuada selección del aceite a usar con el nuevo refrigerante.

Dentro de un futuro no muy lejano, los refrigerantes del tipo CFC (clorofluorocarbonados) no se podrán obtener en el mercado. Esta situación afectará a las unidades que utilicen R12 como refrigerante en aplicaciones de refrigeración hogareña. Los nuevos equipos frigoríficos hogareños estarán equipados con los nuevos refrigerantes R134a o R600a. Desde la introducción del refrigerante R134a, han aparecido varias sustancias de "œtransición". Estas sustancias tienen un nivel bajo de ODP (potencial de degradación de la capa de ozono) y han sido diseñadas solamente para el servicio de unidades. Estos refrigerantes son interesantes debido a que no presuponen el uso de aceite polyolester.

Para asegurar la miscibilidad satisfactoria entre el refrigerante y el aceite, la aplicación del refrigerante R134a presupone el uso de un compresor diseñado para R134a cargado con aceite polyolester (POE). Esto complica el servicio en los equipos familiares equipados con R12 que deben ser cambiados con R134a, ya que es difícil prevenir la contaminación del aceite con residuos del sistema frigorífico original, típicamente aceite mineral o alkylbenceno.


La presencia de residuos de aceite mineral o del tipo alkylbenceno sería inapropiado ya que este no se vuelve parte de la mezcla R134a "“ POE pero sí circula independientemente a través del sistema. El efecto puede ser negativo si existen partes importantes de este aceite ya que al atravesar el tubo capilar lo hace de forma relativamente más lenta. Esto afectaría momentáneamente la inyección de refrigerante hacia el evaporador.

En principio no hay necesidad de reemplazar el refrigerante si el equipo hermético es operacional. La única condición aplicable es la que dictan las leyes correspondientes al país correspondiente. Sin embargo, el cambio por un refrigerante alternativo no es problemático. Deben tenerse en cuenta algunas consideraciones del tipo económicas para proceder en esta tarea. También es apropiado saber qué es lo que el cliente espera en términos de operación y duración del equipo reparado. La elección del refrigerante para realizar el servicio en una unidad equipada con R12 está dada entre los refrigerantes de transición y el R134a.

Entre los refrigerantes blends o mezclas están el R401A y R401B comercializados por la empresa Dupont. Estas mezclas son del tipo ternarias (no azeotropas) fabricadas en base a la mezcla de tres componentes, R22, R152a y R124. Las mezclas correspondientes son también comercializadas por la empresa Atochem, R409A (Forane FX56) y R409B (Forane FX57). Estos están basados en los componentes R22, R142B y R124. Estas mezclas son interesantes ya que no presuponen el uso de aceite polyolester en el compresor. Poseen un bajo nivel de ODP y pueden ser usados para el servicio cuando el refrigerante R12 está prohibido.

Las mezclas mencionadas anteriormente pueden ser usadas para el servicio teniendo en cuenta las siguientes reglas:

* Puede usarse el compresor original tal como es. Pero el aceite de mismo debe ser del tipo alkylbenceno.
* Si el compresor original contiene aceite mineral debe ser cambiado por alkylbenceno. El aceite alkylbenceno debe tener más o menos la misma viscosidad que el aceite original.
* Una viscosidad de alrededor de 30 cSt es una elección aconsejable para compresores de refrigeradores familiares.

Si el compresor original no sirve, la elección estará entre un compresor para R12 y un compresor para R134a. La capacidad frigorífica del compresor nuevo deberá ser lo más cercana posible al compresor original. El aceite del compresor para R12 deberá cambiarse por aceite alkylbenceno ya que el mismo tendrá aceite mineral. Para el compresor que usa R134a puede usarse el aceite con el cual viene cargado, ya que este es POE.

El filtro deshidratador siempre debe cambiarse. El nuevo filtro deshidratador deberá ser del tipo XH9 (UOP) o Siliporite H3R (CECA).

Los componentes del sistema, especialmente el evaporador, siempre tendrán residuos del aceite original del compresor. Esto no es crítico si el compresor nuevo contiene aceite alkylbenceno. Pero si el compresor nuevo posee aceite POE, los residuos de aceite deben mantenerse lo más bajo posible. Normalmente, el límite es de un 10% de la carga original. Para asegurar que el sistema está cargado con la composición adecuada de refrigerante, la carga deberá realizarse en estado líquido.

La composición en los refrigerantes blends o mezclas, cambia durante la fase de evaporación y condensación. Esto conlleva a un cambio en la temperatura a presión constante. Esta condición se denomina "œdeslizamiento de la temperatura" (glide). Este fenómeno puede dar como resultado una diferente distribución de temperatura en la aplicación comparada con la distribución del R12. La temperatura a la salida del evaporador siempre será mayor a la temperatura de la entrada del evaporador.

A pesar de que el uso de mezclas de refrigerantes da el procedimiento menos complicado, la posibilidad de usar el R134a también es valorada. El principal problema de cambiar de R12 a R134a es el aceite. Cualquier mezcla con residuos de aceite provocará problemas en el funcionamiento del sistema, como se describió anteriormente.



Las condiciones a tener en cuenta para cambiar por R134a son:

*  El compresor debe ser reemplazado con un compresor original para R134a equipado con aceite aprobado del tipo POE.
*  Debe reemplazarse el filtro deshidratador por uno nuevo del tipo HX7 (XH9) o Siliporite H3R (CECA)
* Los residuos de aceite deben mantenerse lo más bajo posible. Como máximo un 5% de aceite residual es aceptable.
* Los equipos frigoríficos de poca potencia son los más sensibles debido al uso de tubo capilar.

Por lo tanto el objetivo a lograr es mantener la menor cantidad posible de aceite residual. Los residuos de aceite en equipos hogareños son generalmente menores al 5% de la carga total de aceite. Una cantidad mayor puede aparecer si el sistema contiene alguna trampa de aceite o equivalente. Si esto ocurre será necesaria la limpieza cuidadosa del sistema barriendo estos residuos con un agente de limpieza y nitrógeno.

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La mayoría de las personas generalmente asocian el término refrigeración con el frío y el enfriamiento, aunque en la práctica en refrigeración tiene más que ver con la transferencia del calor. Esta aparente paradoja es uno de los conceptos fundamentales que debe comprenderse para trabajar con un sistema frigorífico. El frío es en realidad la ausencia de calor, tal como la oscuridad es la ausencia de la luz.

Termodinámica

Termodinámica es la rama de la ciencia que estudia la acción mecánica del calor. Hay ciertos principios fundamentales de la naturaleza, muy a menudo denominados leyes de la termodinámica, las cuales gobiernan nuestra existencia en la Tierra, algunas de ellas son principios básicos para el estudio de la refrigeración.

 

La primera y más importante de estas leyes es el hecho de que la energía no puede ser creada ni destruida, pero puede convertirse de uno a otro tipo. El estudio de las teorías de la termodinámica no estará contemplado en este tratado, pero los ejemplos que a continuación se publicarán ilustrarán la aplicación práctica de la ley de la energía.


Calor

El calor es una forma de energía, creada principalmente por la transformación de otros tipos de energía calórica. Por ejemplo, la energía mecánica que hace girar una rueda provoca la fricción lo cual crea el calor.

El calor se define muy a menudo también como energía en transferencia, siempre se mueve de un objeto más caliente hacia otro más frío. Gran parte del calor de la Tierra deriva de la radiación solar. Una cuchara dentro de un recipiente con agua helada pierde su calor hacia el agua y se enfría; una cuchara en una taza de café absorbe el calor del café y se calienta. Pero los términos caliente y frío son solo comparativos. El calor existe en cualquier temperatura por sobre el cero absoluto, incluso puede existir en muy pequeñas cantidades. El cero absoluto es el término usado por los científicos para describir la temperatura más baja posible, la temperatura en la cual no existe el calor, la cual es aproximadamente de 238º Centígrados por debajo de cero.

Temperatura

Es la escala que se usa para medir la intensidad del calor, es el indicador que determina en cual dirección se moverá el calor. Existen varias escalas para medir el calor, entre las cuales podemos mencionar: escala Fahrenheit (ºF), usada en algunos países (EEUU, Inglaterra) y la escala en grados Centígrados (Celsius, ºC) muy usada en otros países del mundo. Ambas escalas tienen dos puntos básicos en común, el punto de congelación del  agua, y el punto de ebullición del agua a nivel del mar. El agua se congela a 32º F y 0º C y hierve a nivel del mar a 212º F y 100º C. En la escala Fahrenheit, la diferencia de temperatura entres estos dos puntos se divide en 180 partes iguales, mientras que en la escala de grados Centígrados la diferencia entre estos puntos se divide en 100 partes o unidades iguales. La relación entre las escalas Fahrenheit y Celsius pueden ser establecidas por medio de las siguientes fórmulas:

Fahrenheit 9/5 (grados Centígrados + 32º)

Centígrados 5/9 (grados Fahrenheit "“ 32º)

Es importante resaltar, que la temperatura es una magnitud física que indica qué tan caliente o fría está una sustancia y la misma se mide con un termómetro. La temperatura deun cuerop no depende de la cantidad de materia, pero si del estado o agitación o el movimiento desordenado de las moléculas, es decir de la energía cinética de las partículas.

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Simulación computarizada de la firma ACC Austria GmbH, en donde se puede apreciar los componentes de un compresor familiar hermético, el funcionamiento de los mismos y el circuito frigorífico. Traducción al español realizada por Frionline.

En la simulación se aprecia la parte interna de un moctocompresor hermético (característico de este tipo de unidades), y además los distintos componentes que forman parte del circuito frigorífico básico: evaporador, condensador, dispositivo de expansión y compresor.

Para poder ver correctamente la simulación, se necesita tener instalado el plugin Quicktime. Para descargar el plugin, ingrese AQUI.

ACC Austria GmbH es una marca registrada de sus respectivos propietarios.

 

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Deslizamiento de temperatura (glide)

La característica denominada "deslizamiento de temperatura" (glide)se refiere al rango de temperatura sobre el cual los componentes en un refrigerante blend se evaporan o se condensan a una presión dada. Una sustancia pura (como el agua) a presión constante pasará por un completo cambio de fase a temperatura constante. De forma inversa, un refrigerante blend zeotrópico debe proceder a través de un rango de temperatura que varía, con el fin de completar el proceso de cambio de fase. El nombre "deslizamiento de temperatura" o conocido como "glide" en inglés, se refiere a este rango de temperatura que no es constante.

 

 

Devanado de motor eléctricoEl motor eléctrico es un componente fundamental en los compresores que forman parte de un sistema frigorífico. El bombeo y aspiración del refrigerante se llevan a cabo merced al trabajo realizado en conjunto por el motor eléctrico y los elementos mecánicos que forman parte del grupo compresor (cigueñal, biela, pistón, etc). Dado el amplio uso de los motores eléctricos en Refrigeración y Aire Acondicionado, es importante para el Técnico comprender las implicaciones que sobre éstos tienen, las variaciones en la tensión de alimentación de los mismos. A continuación analizaremos los distintos casos que se pueden presentar y sus consecuencias.

Efectos de la variación de la tensión en los motores

Aumento de tensión:

* En la mayoría de los casos producen la destrucción del aislante de los devanados, cosa que acaba destruyendo el motor.

* Disminuye considerablemente el factor de potencia.

* Disminuye la eficiencia del motor.

* Aumenta la corriente absorbida durante el arranque. Este aumento de corriente se agrava por la saturación de la máquina.

* Una disminución del voltaje produce un incremento en el factor de potencia.Disminución de tensión:

* Disminuye el torque de arranque disponible.

* Disminuye la eficiencia del motor.

Efectos de fases desequilibradas: un sistema trifásico está desequilibrado cuando sus tres tensiones tienen amplitud diferente o no están a 120º entre cada una de ellas. El desequilibrio puede deberse a la apertura de las fases, a la presencia de cargas monofásicas próximas al motor o a la red en sí misma.

"¢ El desequilibrio en la tensión de alimentación del motor genera una componente inversa que crea fuertes corrientes rotóricas que calientan el rotor y acaban provocando el sobrecalentamiento del motor.Efectos de las caídas y cortes de tensión en los motores: una caída de tensión es una pérdida repentina de tensión en un punto de la red de alimentación. 

Efectos sobre los motores asíncronos:

* Calentamiento y fatiga electrodinámica en los devanados que puede causar la destrucción de su aislante.

* Sacudidas que provocan fatiga mecánica anormal en acoplamientos, desgaste prematuro y rotura.

* Pueden afectar otras partes como contactores (desgaste del contacto o soldadura) y provocar que dispositivos de protección corten el suministro parando la cadena de producción o el taller.

Efectos sobre motores síncronos:

* Este tipo de motores pueden soportar mayores caídas de tensión (aproximadamente un 50% o más) sin llegar a calarse, debido a su mayor inercia y al menor impacto de la tensión en el par.
Efectos sobre motores con variación de velocidad:

* Imposibilidad de suministrar suficiente tensión al motor (pérdida de par, ralentización)

* Funcionamiento incorrecto de los circuitos de control alimentados por la red.

* Posible sobrecorriente en restaurar la tensión debido a los condensadores de filtrado de los variadores. 

*  Sobrecorriente y corriente desequilibrada en la red alimentación cuando la tensión cae en una fase.

* Los variadores de velocidad generalmente fallan si la tensión cae más de un 15).

Fallos debido a causas externas de funcionamiento:

* Bloqueo del rotor: el bloqueo del rotor provocado por causas mecánicas produce una sobrecorriente casi igual a la de arranque. Pero el calentamiento es superior dado que las pérdidas del rotor permanecen en su valor máximo durante todo el bloqueo y la refrigeración se paraliza dado que normalmente funciona con la propia rotación del motor. La temperatura del rotor puede llegar a los 350º C.

* Sobrecarga: la sobrecarga de un motor está causada por un incremento del par resistente o por una caída de la tensión de alimentación mayor a 10% de la tensión nominal). El aumento de la corriente consumida causa un calentamiento que reduce la vida útil del motor drásticamente.

Resumen

El resumen de la tabla muestra las posibles causas de cada tipo de fallo, los probables e inevitables efectos y las consecuencias si no se toman las oportunas medidas de protección.
En todos los casos, los motores necesitan dos tipos de protección: " Protección contra cortocircuitos" Protección contra sobrecargas (sobrecalentamiento). 

Fallo Causas Efectos

Consecuencias

Cortocircuito

Entre dos fases, una fase y el neutro o entre devanados.

Pico de corriente.

Fatiga electrodinámica en los conductores.

Destrucción de devanados.
Pico de tensión

Relámpagos.

Descarga electrostática.

Desconexión carga.

Destrucción aislante devanados. Destrucción de devanados y pérdida de aislamiento.
Tensión desequilibrada

Apertura de fase.

Carga monofásica aguas arriba del motor.

Reducción del par disponible.

Incremento de pérdidas.

Sobrecalentamiento (*)
Armónicos Contaminación de red por cargas no lineales.

Reducción del par disponible.

Incremento en pérdidas.

Sobrecalentamiento (*)
Arranque largo

Par resistente muy elevado.

Caída de tensión.

Incremento del tiempo de arranque. Sobrecalentamiento (*)
Bloqueo Problema mecánico Sobrecorriente Sobrecalentamiento (*)
Sobrecarga

Incremento del par resistente.

Caída de tensión.

Mayor consumo de corriente. Sobrecalentamiento (*)
Caídas y cortes de tensión.

Inestabilidad en la tensión de la red.

Conexión de grandes cargas.

Reducción del para disponible.

Incremento de pérdidas.

Sobrecalentamiento (*)
(*) Y a corto y largo plazo, dependiendo de la severidad y/o frecuencia de fallo, los devanados se cortocircuitan y acaban por destruirse.

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A continuación podremos apreciar la ubicación de algunos de los componentes que se pueden llegar a encontrar en las unidades frigoríficas comerciales.

Circuito refrigeración comercial

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1. Válvula de expansión Termostática 2. Válvula Solenoide 3. Termostato 4. Compresor hermético 5. Control de presión 6. Separador de aceite 7. Visor de líquido 8. Regulador de presión del evaporador 9. Válvula de diferencial de presión 10. Arrancador del motor 11. Filtro deshidratador 12. Regulador de presión de condensación 13. Arrancador para el motor del compresor

Análisis del circuito

Desde el compresor hermético (4) por la cañería de color rojo sale refrigerante en estado gaseoso recalentado y a alta presión y temperatura en dirección hacia el separador de aceite (6). Desde allí, se dirije hacia el condensador ingresando por su parte superior.