¿Cómo descongelar su congelador ahorra energía?

Question

¿Cómo descongelar su congelador ahorra energía?

santropedro

Me dijeron que debería descongelar mi congelador para ahorrar energía, wiki , aquí y aquí , por ejemplo, pero ninguno de los sitios vinculados es un artículo revisado por pares que explica por qué (el artículo wiki ni siquiera tiene referencias), y yo no lo encuentres obvio. No entiendo cómo funciona el mecanismo, y le pido una buena lectura sobre el tema o una explicación.

usuario46925

el hielo es un aislante. Cuando necesita frío, el calor no se absorbe bien a través del hielo que se encuentra en el circuito de enfriamiento y entonces el motor debe funcionar por más tiempo.

Bryce Wagner

La misma razón por la que puedes hacer un iglú de hielo para mantenerte caliente.

Respuestas (5)

¿Cómo descongelar su congelador ahorra energía?

el hielo es un aislante. Cuando necesita frío, el calor no se absorbe bien a través del hielo que se encuentra en el circuito de enfriamiento y entonces el motor debe funcionar por más tiempo.
La misma razón por la que puedes hacer un iglú de hielo para mantenerte caliente.

Gert · Answer 1

Los frigoríficos y congeladores funcionan haciendo pasar un líquido muy frío a través de tuberías de refrigeración instaladas en la cavidad a enfriar. Este flujo (el compresor) se apaga cuando se alcanza la temperatura configurada, cuanto más rápido se alcanza la temperatura configurada, menos energía consume el aparato.

Líquido frío en $T_c$ corre a través de las tuberías de refrigeración. La cavidad a enfriar está en $T_f$ . Ahora veamos un área pequeña $A$ en la superficie de un tubo de refrigeración.

Cuando la tubería de enfriamiento está limpia (sin escarcha), la ley de enfriamiento de Newton nos dice que el flujo de calor (cantidad de calor eliminado por unidad de tiempo) $\dot{q}$ mediante $A$ es:

{\dot{q}}_{limpio} = h A (T_{F} - T_{C})

$\dot{q}_\textrm{clean}=hA(T_f-T_c)$

Dónde $h$ es el coeficiente de transferencia de calor .

Pero cuando la superficie está escarchada con hielo poroso, entonces:

{\dot{q}}_{escarchado} = tu A (T_{F} - T_{C})

$\dot{q}_\textrm{frosted}=uA(T_f-T_c)$

Se puede demostrar que:

\frac{1}{tu} = \frac{1}{h} + \frac{θ}{k} ⟹ tu = \frac{h k}{k + h θ}

$\frac{1}{u}=\frac{1}{h}+\frac{\theta}{k}\implies u=\frac{hk}{k+h\theta}$

Dónde $\theta$ es el espesor del material helado y $k$ la conductividad térmica del material helado.

Debido a que el material escarchado es un mal conductor del calor ( $k$ tiene un valor bajo):

h > \frac{h k}{k + h θ}

$h>\frac{hk}{k+h\theta}$

( Tenga en cuenta que el material helado no es hielo puro, es hielo altamente poroso que contiene mucho aire atrapado, lo que reduce aún más la $k$ valor de la helada ). Y esto significa que, en igualdad de condiciones, todo lo demás:

{\dot{q}}_{limpio} > {\dot{q}}_{escarchado}

$\dot{q}_\textrm{clean}>\dot{q}_\textrm{frosted}$

Multiplique esto, por supuesto, por el área de superficie total de las tuberías de refrigeración . Por lo tanto, las tuberías de refrigeración limpias eliminan el calor más rápidamente, lo que hace que el compresor funcione durante períodos más breves para alcanzar la temperatura establecida. Esto ahorra energía. Tenga en cuenta también cómo los congeladores que se han congelado más (mayor espesor de escarcha) $\theta$ ) funcionan peor.

Un enfoque un poco más detallado:

{\dot{q}}_{limpio} = {tu}_{1} A (T_{F} - T_{C})

$\dot{q}_\textrm{clean}=u_1A(T_f-T_c)$

{\dot{q}}_{escarchado} = {tu}_{2} A (T_{F} - T_{C})

$\dot{q}_\textrm{frosted}=u_2A(T_f-T_c)$ Aquí se puede demostrar que:

\frac{1}{{tu}_{1}} = \frac{1}{h_{1}} + \frac{θ_{1}}{k_{1}} + \frac{1}{h_{2}}

$\frac{1}{u_1}=\frac{1}{h_1}+\frac{\theta_1}{k_1}+\frac{1}{h_2}$ Y:

\frac{1}{{tu}_{2}} = \frac{1}{h_{1}} + \frac{θ_{1}}{k_{1}} + \frac{θ_{2}}{k_{2}} + \frac{1}{h_{3}}

$\frac{1}{u_2}=\frac{1}{h_1}+\frac{\theta_1}{k_1}+\frac{\theta_2}{k_2}+\frac{1}{h_3}$

Pero aquí también, porque la escarcha conduce mal el calor ( $k_2$ es pequeño):

{tu}_{1} > {tu}_{2}

$u_1>u_2$

Para que las tuberías limpias se lleven el calor más rápidamente, en igualdad de condiciones.

Símbolos utilizados en esta sección :

$h_1$ : coeficiente de transferencia de calor por convección, fluido refrigerante a metal .

$h_2$ : coeficiente de transferencia de calor por convección, metal a aire .

$h_3$ : coeficiente de transferencia de calor por convección, escarcha al aire .

$k_1$ : conductividad térmica, metal .

$k_2$ : conductividad térmica, escarcha .

$\theta_1$ : espesor, metal .

$\theta_2$ : espesor, escarcha .

+1 pero hay una razón física por la que debo resolverlo con mi propio refrigerador, descongelar permite que la puerta se asiente correctamente en el marco
@count_to_10: ¡eres demasiado práctico para este sitio! Normalmente lo descongelo cuando ya no puedo llegar al helado. Me engaño a mí mismo pensando que el esfuerzo compensará la ingesta calórica adicional.
Lo he intentado, cuando incluso Shackleton se habría vuelto desesperado. Pero un día pincharé las tuberías con el destornillador y el martillo que uso.
¡No se preocupe, podrá usar la bomba para un experimento innovador!
Esta respuesta casi responde a la pregunta sobre "que me digan que descongelar un refrigerador ahorra energía", pero debe incluir el comentario perspicaz de @igael de que el ahorro de dinero se debe al hecho de que el compresor en un refrigerador descongelado tiene que funcionar por menos tiempo. período de tiempo para que la temperatura del contenido del frigorífico baje a su temperatura de trabajo. Entonces no es el hecho de que los "tubos de refrigeración limpios se lleven más calor" sino que quitan el calor más rápidamente y por lo tanto la temperatura de trabajo se alcanza más rápidamente.
@Farcher: ediciones realizadas, gracias. Formulación torpe de mi parte.
@count_to_10 Nota para otros lectores: en términos generales, si estás usando un martillo y un cincel para descongelar una nevera, lo estás haciendo mal, no importa lo divertido que sea... Si tienes prisa, llena bolsas de plástico , o botellas, o simplemente tazas (la evaporación del vapor también acelerará el derretimiento) con agua caliente y póngalas en el refrigerador, y la escarcha se derretirá en poco tiempo.
Esta no es la imagen completa. Por el mismo razonamiento, la calefacción por suelo radiante sería más ineficiente que los radiadores, lo cual tampoco es cierto. Si hay hielo en el congelador entonces sí, habrá que enfriarlo también, consumiendo energía. ¡Pero luego tienes mucho hielo en el congelador, lo que mantendrá el congelador frío por más tiempo! (Así es como funcionaban los congeladores hace dos siglos, simplemente coloque hielo en una caja o habitación aislada). ¡Debe explicar cómo las desventajas del hielo superan sus beneficios!
@Crowley, algunos buenos puntos, pero aún hay una gran brecha en la explicación.
Esto solo está mirando la mitad del circuito de enfriamiento. Sí, significa que el calor se transfiere más lentamente desde el interior del congelador al líquido refrigerante. Sin embargo, eso significa que tiene que gastar menos energía sacando el calor del fluido al medio ambiente. ¿No?
@Hassassin En los deshumidificadores de aire recientes, la etapa intermedia se agrega entre el aire enfriado y el ciclo de enfriamiento. Pero este tampón es un fluido a base de glicerol optimizado para tener alta densidad, capacidad calorífica y bajo punto de fusión. Este búfer tiene un propósito: aumentar la eficiencia al disminuir la velocidad de conmutación del compresor. Pero el hielo en la nevera no es un disipador de calor sólido sino un aislante bastante poroso. El compresor del frigorífico tiene que funcionar durante más tiempo con más arranques y agotamientos. La eficiencia del ciclo ideal no se ve afectada, pero sí la eficiencia del enfriador real .
@Crowley, tiene sentido. Simplemente creo que esta respuesta está incompleta.

televisión · Answer 2

El siguiente punto no se hizo en las otras respuestas. La eficiencia de un ciclo de refrigeración está determinada por su coeficiente de rendimiento (COP), definido como:

C O PAGS = \frac{| q_{L} |}{| W |}

$COP = \frac{|Q_L|}{|W|}$

$Q_L$ es el calor extraído del congelador y $W$ es la potencia (eléctrica) que impulsa el ciclo, es decir, la potencia del compresor. Para un ciclo de refrigeración reversible ideal, como un ciclo de Carnot, el COP depende solo de las temperaturas de los depósitos de calor con los que intercambia calor:

C O PAGS = \frac{T_{L}}{T_{H} - T_{L}}

$COP = \frac{T_L}{T_H - T_L}$

$T_L$ es la baja temperatura (por ejemplo, el interior de un congelador), y $T_H$ la alta temperatura (por ejemplo, temperatura ambiente).

En la práctica, existen diferencias de temperatura finitas entre el refrigerante y el depósito de calor en ambos lados del ciclo de refrigeración. Para extraer calor del congelador, el refrigerante debe tener una temperatura $T_l < T_L$ , y viceversa en el lado del condensador (parte trasera del congelador) donde el refrigerante debe tener una temperatura más alta que el ambiente ( $T_h > T_H$ ). Esto limita la COP a:

C O PAGS = \frac{T_{yo}}{T_{h} - T_{yo}} < \frac{T_{L}}{T_{H} - T_{L}}

$COP = \frac{T_l}{T_h-T_l} < \frac{T_L}{T_H - T_L}$

La resistencia térmica impuesta por la formación de hielo aumenta la diferencia entre $T_l$ y $T_L$ y por lo tanto reduce aún más el COP. Como resultado, la formación de hielo reduce la eficiencia de un congelador, lo que significa que se necesita más energía eléctrica para impulsarlo.

Observación

Por supuesto, los sistemas de refrigeración reales tienen un COP más bajo que el ciclo de Carnot, debido a las irreversibilidades. Sin embargo, la tendencia anterior también es aplicable a sistemas reales.

Crowley · Answer 3

Agregando a la muy buena respuesta de Gert, me gustaría señalar otras razones, no tan científicas.

El hielo generalmente no se forma como sólido sin huecos, pero es bastante poroso. Esa porosidad conduce a una conductividad térmica aún más baja y una capacidad térmica más baja ( $J/K\ m^3$ ).
Si suponemos que la tasa de condensación/desublimación es proporcional al área de la superficie, podemos suponer que al congelar el congelador la tasa aumenta. Cuando se forma el hielo, libera calor de $h_{evap}$ y $h_{melt}$ y este calor extra debe ser "enfriado".
Cuando se forma hielo sólido, debido a la conductividad limitada (la capa superficial se derrite por el vapor condensado y fluye hacia abajo donde se congela), y es capaz de funcionar como disipador de calor, el congelador suele estar en condiciones en las que el hielo impide un sellado adecuado.
Probablemente haya un circuito de control simple que cambia el compresor y, por lo tanto, mantiene la temperatura en un rango de, digamos, -10 a -11 C. Si tiene un tampón helado solo en el lado de enfriamiento, debe "preenfriar" el hielo cerca de las paredes causando el congelador opera en un rango de, digamos, -9.5 a -11.5 C porque su circuito de control se ralentiza ligeramente. Si el sensor de temperatura también está cubierto, su ciclo de control es demasiado lento y puede operar fácilmente en un rango de -5 a -15 C.
Una capa amortiguadora correctamente diseñada (alta capacidad, buen aislamiento, alta conductividad) aumenta la eficiencia con bastante eficacia. Pero la espuma helada y el hielo poroso que se forma en el congelador no tiene alta capacidad térmica (con respecto a su volumen), ni buena conductividad.

Por otro lado, cuando el hielo se derrite, también absorbe mucho calor, lo que mantiene el congelador a 0 grados por más tiempo que sin hielo (al derretirse).
La capacidad calorífica del agua es enorme, cuando se mide por masa, pero en la etapa inicial del glaseado debemos pensar en la capacidad por volumen, que es bastante baja. Otro punto es que el agua derretida se vuelve a congelar y libera la misma cantidad de calor que había absorbido antes. En ambos casos el calor se transfiere al radiador del enfriador. En caso de que no haya hielo, va más rápido y, como ha demostrado Gert, de manera más efectiva.

Gert · Answer 4

Otro modelo:

Una bobina o serpentina a través de la cual fluye fluido refrigerante tiene una longitud total $x=L$ . La cavidad está perfectamente aislada. La temperatura $T_f(t)$ dentro de la cavidad se considera dependiente del tiempo únicamente (distribución uniforme de la temperatura espacial).

La temperatura de la bobina/serpentina depende tanto del tiempo como de la posición: $T_c(x,t)$ .

Para un elemento serpentino infinitesimal $dx$ a $x$ un flujo de calor infinitesimal viene dado por:

d \dot{q} = tu d A [T_{F} (t) - T_{C} (X, t)] = tu pags [T_{F} (t) - T_{C} (X, t)] d X

$d\dot{q}=udA[T_f(t)-T_c(x,t)]=up[T_f(t)-T_c(x,t)]dx$ Dónde

p

$p$ es el perímetro de la tubería (p. ej.

2 π r

$2\pi r$ , en el caso de un tubo cilíndrico), por lo que

d A = p d x

$dA=pdx$ .

La absorción de calor provoca un aumento de temperatura infinitesimal:

d q = d metro C_{pags . C} d T_{C} (X, t)

$dq=dmc_{p.c}dT_c(x,t)$ Y con

\frac{d metro}{d t} = \dot{metro}

$\frac{dm}{dt}=\dot{m}$

d \dot{q} = \dot{metro} C_{pags, C} d T_{C} (X, t)

$d\dot{q}=\dot{m}c_{p,c}dT_c(x,t)$ Combinando ambas expresiones e integrando se obtiene:

T_{C} (X, t) = T_{F} (t) + [T_{C, 0} - T_{F} (t)] {mi}^{- α X}

$T_c(x,t)=T_f(t)+[T_{c,0}-T_f(t)]e^{-\alpha x}$ Con:

α = \frac{tu pags}{\dot{metro} C_{pags, C}}

$\alpha=\frac{up}{\dot{m}c_{p,c}}$ Para

x = L

$x=L$ :

T_{C} (L, t) = T_{F} (t) + [T_{C, 0} - T_{F} (t)] {mi}^{- α L}

$T_c(L,t)=T_f(t)+[T_{c,0}-T_f(t)]e^{-\alpha L}$ Similarmente:

d q = - C d T_{F} (t)

$dq=-CdT_f(t)$

\frac{d q}{d t} = - C \frac{d T_{F} (t)}{d t}

$\frac{dq}{dt}=-C\frac{dT_f(t)}{dt}$ Dónde:

C = \sum_{1}^{norte} {metro}_{i} C_{pags, i}

$C=\displaystyle \sum_1^nm_ic_{p,i}$ Asumimos

t = 0

$t=0$ es el momento en que la bomba se enciende y el termostato se ajusta para alcanzar una temperatura establecida

T_{s}

$T_s$ (entonces la bomba se apaga):

T_{C} \leq T_{s} \leq T_{F} (0)

$T_c\leq T_s\leq T_f(0)$ Usando las expresiones anteriores se pueden derivar algunas más:

1 vez $t_s$ necesario para alcanzar $T_s$ :

t_{s} = \frac{1}{1 - {mi}^{- α L}} \frac{C}{\dot{metro} C_{pags, C}} \frac{T_{F, 0} - T_{s}}{T_{C, 0} - T_{s}}

$t_s=\frac{1}{1-e^{-\alpha L}}\frac{C}{\dot{m}c_{p,c}}\frac{T_{f,0}-T_s}{T_{c,0}-T_s}$

Esto confirma el papel del coeficiente de transferencia de calor. $u$ , porque como $u$ aumenta el factor $\frac{1}{1-e^{-\alpha L}}$ disminuye _ Valores altos de $u$ así reducir el tiempo de bombeo $t_s$ .

2. Evolución temporal de $T_f$ :

T_{F} (t) = \frac{β T_{C, 0} t - T_{F, 0}}{β t - 1}

$T_f(t)=\frac{\beta T_{c,0} t-T_{f,0}}{\beta t-1}$ Dónde:

\frac{1}{β} = \frac{1}{1 - {mi}^{- α L}} \frac{C}{\dot{metro} C_{pags, C}}

$\frac{1}{\beta}=\frac{1}{1-e^{-\alpha L}}\frac{C}{\dot{m}c_{p,c}}$

3. Temperatura final del refrigerante:

T_{C} (L, t_{s}) = T_{s} + [T_{C, 0} - T_{s}] {mi}^{- α L}

$T_c(L,t_s)=T_s+[T_{c,0}-T_s]e^{-\alpha L}$

De nuevo la influencia de $u$ es claro: más alto $u$ baja $T_c(L,t_s)$ .

Notas:

Esperaba que un modelo más detallado permitiera abordar las preocupaciones de Hassassin y Turion con respecto a la 'segunda parte del ciclo'. El argumento es que aunque se reduce el tiempo de bombeo, eso no dice nada acerca de la energía necesaria para enfriar el refrigerante eluido de nuevo a $T_{c,0}$ . Este modelo realmente no aclara esa pregunta.

Esto puede deberse en parte al hecho de que los refrigeradores/congeladores realmente no funcionan de la manera descrita en este modelo simple. En su lugar, se bombea un líquido de bajo punto de ebullición a través de la serpentina y el calor se elimina como calor latente de vaporización del refrigerante. Por lo tanto, la temperatura de la serpentina debe ser aproximadamente constante. La eficiencia del motor térmico del refrigerador/congelador puede ser la clave para comprender mejor por qué los electrodomésticos limpios usan menos energía.

Muza · Answer 5

Descongelar solo ahorra energía porque la parte interna puede congelarse y restringir el flujo de aire, lo que hace que el ventilador trabaje más. Además, cuantas más cosas tenga en el congelador, menos aire necesitará enfriar después de abrirlo y cerrarlo.

@Turion Sí, la construcción en una que mueve el aire detrás de los paneles. Todo eso también se congela y no se puede ver.

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