Incremento de eficiencia de los refrigeradores domésticos
mediante mejoras en la transferencia de calor en el condensador

Ing. Aníbal Borroto Nordelo
Centro de Estudios de Energía y Medio Ambiente.
Universidad de Cienfuegos, Cuba.

Ing. Inocente Costa Pérez
Grupo de Energía. Dirección de Economía y Planificación,
Cienfuegos, Cuba.



Resumen
El consumo de electricidad en el sector residencial tiene un peso significativo en el consumo global e influye decisivamente en la demanda máxima en el horario pico
(45 %), teniendo, por tanto, este sector, una gran prioridad dentro del Programa de Ahorro de Electricidad de Cuba (PAEC), así como en programas similares en otros países.

Dentro del consumo de electricidad en el sector residencial, particularmente en países en desarrollo, los refrigeradores constituyen uno de los equipos de mayor consumo, de ahí la importancia de optimizar su funcionamiento y minimizar la energía que demandan.

En el presente trabajo se presentan los resultados de una investigación experimental desarrollada en un laboratorio especializado y dos evaluaciones de campo, acerca de la influencia del ángulo de inclinación de los condensadores de refrigeradores domésticos sobre el consumo de energía, demostrándose una influencia significativa de este factor.

Se determina el ángulo de inclinación óptimo, con el cual se logra reducir en más de
10 % el consumo de energía en los refrigeradores estudiados, con un costo prácticamente despreciable.

Se aportan los resultados de las dos pruebas de campo, las cuales confirman los obtenidos en el laboratorio.

Se realiza una valoración del efecto económico de la aplicación de los resultados del trabajo y se compara esta vía de ahorro con el cambio de la junta de la puerta, medida incluida en el PAEC, demostrando su mayor efectividad y posibilidad de aplicación complementaria.

Introducción
Dentro de la política económica cubana, el ahorro de energía ha ocupado y sigue ocupando en la actualidad un lugar de máxima prioridad.

Actualmente se cosechan los frutos del Programa de Ahorro de Electricidad de Cuba (PAEC), iniciado en 1998, y se trabaja arduamente en la regulación de la carga eléctrica en todo el país. En el periodo de 1998 a 2000 se alcanzó un crecimiento promedio del Producto Interno Bruto de 4 %, mientras que el consumo de electricidad solo creció 2 %, a la vez que se logró una reducción en la demanda máxima global del Sistema Electroenergético Nacional.

Tanto en el sector industrial, como en el comercial y residencial, se han implementado importantes medidas para el ahorro de electricidad.
Este último sector, el residencial, tiene un peso significativo en el consumo global de electricidad y en particular dentro del horario pico. En América Latina, el consumo de electricidad del sector residencial oscila entre 25 y 40 % [Suárez, 1994]. En Cuba, este sector consume cerca de 30 % de la electricidad y es el responsable de 45 % de la demanda máxima dentro del horario pico, siendo determinante en algunas provincias del país donde representa más de 65 % del consumo total.

Dentro del sector residencial, los refrigeradores constituyen uno de los principales consumidores, aumentando su peso en los países de menor desarrollo económico.
En los Estados Unidos, los refrigeradores domésticos representan 7 % del consumo de electricidad, equivalente a toda la producción de las centrales nucleares instaladas en ese país [Meier, 1993]. En Brasil, 33 % del consumo de electricidad en el sector residencial corresponde a los refrigeradores domésticos. En Nicaragua, donde el sector residencial consume 39 % de la energía eléctrica, y cerca de 50 % de la demanda máxima, los refrigeradores y la iluminación consumen más de 95 % de la electricidad en ese sector [Rodríguez Rivera, 1994].

En Cuba, se considera que el consumo de los refrigeradores puede representar entre 30 y 50 % del consumo en el sector residencial, y el consumo promedio de electricidad estimado de los refrigeradores es el siguiente:

Tabla 1. Consumo de electricidad de refrigeradores domésticos

Tipo de Refrigerador

Consumo

W

kWh/día

kWh/mes

Refrigerador pequeño

112

1,6

40,8

Refrigerador mediano

180

2,5

76

Refrigerador grande

220

3,1

92

Lo anterior evidencia la importancia que tiene la aplicación de medidas encaminadas a reducir el consumo de los refrigeradores domésticos, particularmente en el caso de nuestro país. Por tanto, en el PAEC se contemplan medidas al efecto, dentro de las cuales está, en primer plano, el cambio de juntas en mal estado a 950 000 refrigeradores, con un ahorro calculado de 37 GWh/año.

Dentro de los factores que inciden en el consumo de energía en un sistema de refrigeración por compresión, la presión de condensación es uno de los más influyentes. Para un refrigerador doméstico dado, la misma está determinada por las condiciones del medio de enfriamiento y por el valor del coeficiente pelicular de transferencia de calor al aire, que es el controlante en este caso.

Sobre la base de estos antecedentes, se realizó una investigación experimental con el fin de determinar la influencia del ángulo de inclinación del condensador de los refrigeradores domésticos sobre el comportamiento del ciclo y su consumo de energía, lo cual constituye el objetivo central del presente trabajo.

Materiales y métodos
La investigación sobre la influencia del ángulo de inclinación del condensador sobre el comportamiento del ciclo y el consumo de energía del equipo, se basó en cuatro estudios:

1. Una prueba en una cámara ambiental.
2. Una evaluación de campo preliminar.
3. Un estudio con termografía infrarroja.
4. Una evaluación de campo definitiva.

Prueba en la cámara ambiental
Para las pruebas en la cámara ambiental se utilizó un refrigerador nuevo marca CASA-DEVILLE, Modelo ATE-90 VII, de 200 dm³ de capacidad, fabricado en Colombia. Este equipo viene provisto de un condensador soportado en posición vertical sobre la pared posterior del refrigerador, conformado por un serpentín de tubos de cobre con varillas de pequeño diámetro como superficie extendida, muy similar al que poseen muchos de los modelos existentes en Cuba.

Las pruebas se realizaron en el Laboratorio Cámara Ambiental de la Facultad de Ingeniería, de la Universidad del Valle, en Santiago de Cali, Colombia. Este Laboratorio, que fue creado y funciona mediante un proyecto de la Organización Mundial de la Salud (OMS), se especializa en la evaluación de equipos de refrigeración y conservación utilizados en la cadena de frío de vacunas por la OMS, y constituye uno de los cuatro centros acreditados y reconocidos internacionalmente para ese tipo de pruebas por la OMS.

La cámara ambiental cuenta con un sistema de adquisición de datos Allen Bradley, acoplado a una microcomputadora con los correspondientes softwares para el procesamiento de los datos adquiridos, y emplea en todas sus pruebas procedimientos y normas estandarizadas y homologadas internacionalmente para pruebas de equipos de refrigeración.

Las pruebas se efectuaron en condiciones ambientales estandarizadas y constantes. La cámara ambiental permite una precisión de 0,2 °C para la temperatura ambiental.
Las principales mediciones efectuadas fueron las siguientes:

a) Temperaturas interiores en 6 puntos.
b) Temperaturas superficiales en tuberías de entrada y salida del compresor, así como en la entrada y salida y dos puntos intermedios del condensador.
c) Temperaturas del aire en 18 puntos situados a 2 cm del condensador.
d) Temperatura de la superficie posterior del refrigerador a 3 niveles.
e) Consumo de energía en kWh.

En la figura 1 se muestran los puntos de mediciones tomados.

Fig. 1. Esquema de medición de temperatura.

Los valores de temperatura en cada punto se tomaron y registraron cada 1 seg durante todo el período de pruebas. Previo al inicio de la las pruebas, se mantuvo trabajando el equipo dentro de la cámara durante 72 h, para garantizar la plena estabilización de los campos de temperaturas y el trabajo del equipo en su conjunto.

Se realizaron 7 pruebas en total, de 24 h de duración, correspondiendo cada una a diferentes ángulos de inclinación del condensador con respecto a la vertical, tanto desplazando hacia detrás la parte superior del mismo (ángulos positivos), como a la inversa (ángulos negativos). En total se realizaron 604 800 mediciones.

En la figura 2 se muestra un esquema de la modificación de la posición del condensador realizada.

Fig. 2. Variación de la posición del condensador.

Resultados
Las mediciones efectuadas permitieron comprobar que todas las temperaturas interiores se mantienen en valores similares en las diferentes pruebas. Esto indica que las variaciones en el comportamiento del ciclo, y en particular el consumo de energía, que se producen al variar el ángulo de inclinación del condensador, no afectan las condiciones de temperatura en el interior del refrigerador.

Se comprobó que al variar el ángulo de inclinación del condensador se altera el ciclaje del equipo, reduciéndose la fracción de tiempo de funcionamiento en un período de prueba dado, fenómeno asociado a la reducción de la presión de condensación y al incremento del flujo instantáneo del refrigerante.

Se observó una marcada disminución en las temperaturas superficiales en el condensador, las cuales están directamente relacionadas con la presión de condensación.

En la figura 3 se presentan los resultados en cuanto a consumo de energía.

Fig. 3. Consumo diario para diferentes ángulos de inclinación del condensador.

Se observa la marcada influencia que tiene el ángulo de inclinación del condensador sobre el consumo, en especial en el intervalo desde cero (posición vertical) hasta 4 °C; a partir de este valor la disminución del consumo es mucho menos pronunciada. Se evidencia, además, que con ángulos positivos se obtienen mejores resultados.

Evaluación de campo preliminar
Datos generales
Tipo de refrigerador: Minsk 11.
Capacidad: 28 L.
Inclinación original del condensador: (condensador vertical).
Duración de la prueba: 15 días en cada posición.
Mediciones efectuadas
Consumo de energía: kWh/día.
Temperatura ambiente: °C (cada 3 h, de 8 a.m. a 8 p.m.).
Amperaje: A.

Resultados
Para la comparación de los consumos del equipo en condiciones normales (condensador vertical) y con la innovación propuesta (condensador inclinado a 5,71°), se tomaron días donde las condiciones ambientales y de carga fueran similares. Es importante señalar que en la práctica esto es imposible de alcanzar con exactitud, aunque sí permite en las condiciones propuestas apreciar la influencia de la modificación propuesta, ya avalada por un estudio riguroso en condiciones de laboratorio descrito anteriormente. En la siguiente tabla se muestra la comparación realizada:

Tabla 2. Resultados de la prueba de campo preliminar

Parámetros

Condensador vertical

Condensador inclinado

Temp. ambiente promedio, °C

26,35

27,12

Corriente promedio, A

2.925

2,836

Consumo promedio, kWh/día

3,29

3,01

Ahorro promedio: 0,28 kWh/día (8,51 %).
Disminución de corriente: 0,28 A (8,5 %).

La comparación se realizó con temperaturas ambiente algo superiores para las pruebas con el condensador inclinado, lo que ratifica el valor de ahorro de 10 % obtenido en las pruebas en condiciones de laboratorio.

Estudio con termografía infrarroja
Con el objetivo de obtener un mapa de temperaturas de la superficie exterior del condensador, se realizó un estudio con el sistema de imágenes termográficas "VARIOSCAN", Modelo 3011-ST, de la Inspección Estatal Energética del Ministerio de Economía y Planificación.

Los resultados de este estudio para el condensador en las posiciones vertical e inclinado, aparecen en el Anexo. En las imágenes se aprecia claramente la disminución en la temperatura de las diferentes zonas, que se logra al inclinar el condensador. Esto constituye una clara evidencia del efecto de la inclinación sobre el coeficiente pelicular de transferencia de calor por convección libre al aire. Al inclinar el condensador y aumentar el coeficiente de transferencia de calor, se reduce la temperatura de condensación, y por ende la presión de condensación, disminuyendo el trabajo de compresión y el consumo de electricidad del equipo.

Evaluación de campo definitiva
Tipo de refrigerador: CHINAR-2.
Fabricación: URSS.

Características de la prueba:
1. Se instaló un metro contador calibrado y apto para el uso, con grado de precisión de 0,5 %.
2. Se efectuaron lecturas diarias del metro contador a la misma hora y se determinó el consumo de energía eléctrica en kWh/día.
3. Se obtuvieron los datos promedios diarios y mensuales de temperatura y humedad relativa dados por el Departamento de Meteorología Provincial.
4. Se discriminaron de los análisis los días en que hubo fallos eléctricos.
5. Se realizaron las mediciones del refrigerador con el condensador en su posición normal y con 60 de inclinación, en iguales períodos durante 20 meses.

Resultados obtenidos

Tabla 3. Consumo promedio diario, temperatura ambiente y humedad relativa promedio mensual en prueba del refrigerador Chinar-2, sin ángulo en el condensador.

Período

Consumo promedio diario (kWh/día)

Temperatura
promedio (°C)

Humedad
relativa (%)

Marzo de 2001

2,53

23,4

75,0

Abril de 2001

2,87

24,7

75,0

Mayo de 2001

2,80

24,8

78,0

Junio de 2001

3,16

26,8

81,0

Julio de 2001

3,21

27,0

80,0

Agosto de 2001

3,28

27,3

82,0

Septiembre de 2001

3,30

26,4

83,0

Octubre de 2001

3,02

25,9

85,0

Noviembre de 2001

2,57

22,6

80,0

Diciembre de 2001

2,35

23,3

82,0

Enero de 2002

2,12

22,4

80,0

Febrero de 2002

2,26

22,9

77,0

Promedio mensual

2,75

24,62

79,8

Tabla 4. Consumo promedio diario, temperatura ambiente y humedad relativa promedio mensual en prueba del refrigerador Chinar-2, con ángulo de 60 en el condensador.

Período

Consumo promedio Temperatura promedio (°C)

Humedad relativa (%)

Febrero de 2001

2,19

23,7

79,0

Marzo de 2002

2,27

24,3

76,0

Abril de 2002

2,39

25,3

71,0

Mayo de 2002

2,50

26,4

78,0

Junio de 2002

2,64

26,4

81,0

Julio de 2002

2,65

27,1

79,0

Agosto de 2002

2,57

27,0

82,0

Promedio mensual

2,46

25,7

78,0

Una comparación directa entre el consumo promedio diario durante el período total de la prueba, arroja el siguiente resultado:

Tabla 5. Ahorro promedio por comparación directa.

Posición del condensador

Consumo promedio diario (kWh/día)

Temperatura ambiente promedio (°C)

Vertical

2,75

24,62

Inclinado

2,46

25,74

Diferencia

0,29

1,12

% de ahorro

10,6

 

Se obtiene una reducción en el consumo de electricidad promedio diario de 10,6 %, a pesar de que el valor de la temperatura ambiente promedio, factor determinante en el consumo, es 1,12 °C superior durante las pruebas con el condensador inclinado, lo que indica que el valor real del ahorro es superior. En la figura 4 se muestra gráficamente la comparación entre el comportamiento del consumo de energía promedio diario del refrigerador sin ángulo y con ángulo en el condensador, en función de la temperatura ambiente promedio.

Figura 4. Consumo promedio diario en función de la temperatura ambiente promedio.

En la figura 4 se evidencia el efecto de la temperatura ambiente sobre el consumo de electricidad del refrigerador, lo cual se explica por su influencia sobre la presión de condensación. Se observa también que los consumos del refrigerador con el condensador inclinado son significativamente inferiores a los consumos con el condensador en su posición original, para una misma temperatura ambiente.

En la propia figura se presentan las ecuaciones de regresión lineal que relacionan el consumo de electricidad en ambos casos con la temperatura ambiente. Utilizando estas expresiones se puede comparar el consumo para una temperatura ambiente dada.
Consumo diario sin ángulo: Csin ángulo = 0,2129.Ta - 2,4931 (kWh/día).
Consumo diario con ángulo: Ccon ángulo = 0,1287.Ta - 0,8559 (kWh/día).
Los resultados de esta comparación se muestran en la tabla 6.

Tabla 6. Consumo diario y % de ahorro en función de la temperatura ambiente.

Temperatura ambiente promedio (°C)

Consumo diario con ángulo (kWh/día)

Consumo promedio diario con ángulo (kWh/día)

% ahorro

22

2,19

1,98

9,82

23

2,40

2,10

12,46

24

2,62

2,23

14,66

25

2,83

2,36

16,53

26

3,04

2,49

18,14

27

3,26

2,62

19,54

28

3,47

2,75

20,77

Efecto económico
Una idea del efecto económico que se pudiera obtener con la aplicación de este resultado puede apreciarse mediante el siguiente análisis.
En Cuba existen cerca de 2 millones de refrigeradores domésticos. Considerando que el resultado se aplicara a la quinta parte de los mismos, o sea, a 400 000 refrigeradores, que el consumo promedio sea de 65 kWh/mes y que la reducción del consumo de electricidad fuera de 10 %, se ahorrarían 31,2 GWh/año, equivalente a 11 000 toneladas de fuel oil al año, con un valor económico de más de 1,1 millones de dólares.

Conclusiones y recomendaciones
Los resultados obtenidos evidencian que existe una influencia significativa del ángulo de inclinación del condensador en los modelos de refrigeradores evaluados sobre su consumo de energía, alcanzando valores superiores a 10 % de ahorro de energía para un valor del ángulo de inclinación de 6 °C.

La disminución del consumo de electricidad está motivada por el incremento en el coeficiente pelicular de convección libre al aire, que se logra al inclinar el condensador y mejorar el movimiento convectivo del aire que le sirve de medio de enfriamiento. Al incrementar el coeficiente de transferencia de calor se reduce la diferencia de temperatura entre los agentes, disminuyendo las irreversibilidades del proceso de intercambio de calor, conllevando ello a que, para una temperatura de aire ambiente dada, sea inferior la temperatura de condensación, y por tanto, la presión. Esto a su vez disminuye el trabajo de compresión y por ende el consumo de energía.

Condensador vertical



Condensador inclinado 60

La modificación propuesta puede tener un efecto económico importante, considerando que una gran parte de los refrigeradores domésticos existentes en Cuba poseen el condensador situado en posición vertical, y otros modelos, como algunos producidos en la fábrica INPUD, de Santa Clara, tienen una inclinación inferior a los valores recomendados en este estudio.

La modificación a realizar es muy sencilla, totalmente viable para ser generalizada en los talleres de las empresas de servicios, o inclusive por los propios usuarios. Se estima que el costo unitario en las empresas de servicios puede ser inferior a 2 pesos. Este costo está asociado a salarios y gastos indirectos, ya que el material necesario para el soporte que permita desplazar la parte superior del condensador puede obtenerse a partir de desechos. La modificación planteada pudiera ser realizada por los propios usuarios, utilizando diversos materiales de acuerdo a sus posibilidades, ya con algunas experiencias en este sentido, lo que reduciría a cero el costo de aplicación, quedando solo la necesidad de gastos asociados a la divulgación, que podrían ser asumidos por el PAEC, en el caso que así procediera y se considerara.

Es de destacar que el cambio de juntas desarrollado por el PAEC y la inclinación del condensador no son medidas mutuamente excluyentes; por el contrario, ambas pueden complementarse y los ahorros pudieran ser superiores. Es importante señalar que el ahorro calculado con la inclinación del condensador se ha realizado sobre la base del consumo de un refrigerador en buen estado, lo cual presupone una correcta hermeticidad, motocompresor en buen estado, etc. Las condiciones promedio de los refrigeradores en el país son diferentes, por lo que se estima que los ahorros alcanzables en la generalización pudieran ser ligeramente superiores.

Para la generalización de los resultados se propone inclinar el condensador 40, para lo cual se puede, como regla práctica, medir la distancia entre centros de los apoyos del condensador, dividirla por 14, y esta será la longitud a aumentar en el soporte superior del condensador.

Bibliografía
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