lunes, 9 de agosto de 2010

El frigorífico de 0,1 Kwh al día

Texto original de Tom Chalko, Mt Best, Australia, mtbest.net

No hay ningún error en el título. Este artículo describe un barato frigorífico con un consumo energético entre 10 y 20 veces menor que cualquier frigorífico estándar del mercado. También se expone que las mayores limitaciones se encuentran en nuestros mediocres hábitos y actitudes, no en la tecnología o en el precio.

Frigorífico de arcón

Comparando el consumo energético de varios aparatos de refrigeración disponibles en el mercado, me percaté de que los congeladores de arcón bien diseñados consumen menos electricidad que los frigoríficos de volumen similar, incluso aunque los congeladores deban mantener una temperatura mucho más fría en su interior. Los congeladores de arcón también suelen tener un mejor aislamiento térmico que los frigoríficos, he aquí otra de las razones de su eficiencia.

Las puertas verticales en los aparatos de refrigeración resultan inherentemente ineficientes. Desde el momento en que abres la puerta de un frigorífico vertical – el aire frío escapa, debido a que es más pesado que el aire templado en la habitación. Cuando abres un congelador de arcón – el aire frío permanece dentro, a consecuencia de su peso. Cualquier filtración o deterioro en el sellado de una puerta vertical (ningún sellado es perfecto) provoca pérdidas de eficiencia significantes. Por otro lado, incluso aunque tú mantengas la puerta del congelador de arcón completamente abierta, el pesado aire frío se mantendrá en el interior. ¿Alguna vez te has preguntado por qué los congeladores de los supermercados mantienen sus puertas o abiertas o sin aislamiento térmico?

El diseño de refrigeradores con puertas verticales es un claro acto contra la Naturaleza del Aire Frío. ¿No deberíamos cooperar con la naturaleza en lugar de trabajar contra ella?

Me he vuelto muy curioso en relación a cómo de eficiente puede llegar a ser un frigorífico de arcón. Tras contactar con varios principales fabricantes de frigoríficos y descubrir que ninguno había probado un frigorífico de arcón, me decidí a hacer mis propias pruebas. Compré un buen congelador de arcón y lo convertí en un frigorífico.

Transformando un congelador de arcón en un frigorífico de arcón

La principal diferencia entre un frigorífico y un congelador es la temperatura mantenida en su interior. Los congeladores mantienen temperaturas bajo cero (congelación) hasta los -25ºC, mientras que los frigoríficos operan entre los +4ºC y +10ºC.

A raíz de mi búsqueda adquirí un congelador de arcón Vesfrost SE255 con refrigerante R600a y un termostato a pilas de 40$ equipado con un marcador de temperatura y relé de enclavamiento de 5A/240V. La principal ventaja del relé de enclavamiento es que consume batería sólo durante el conmutado de modo que el termostato equipado con él es un verdadero dispositivo de micro-consumo y sus dos baterías AAA pueden durar muchos meses.

Por consiguiente, convertir un congelador en un frigorífico significa modificar el control de temperatura. En lugar de interferir con el mediocre termostato del congelador, decidí instalar un termostato exterior que cortase la alimentación eléctrica cuando la temperatura elegida por mí se hubiese alcanzado. El diagrama de bloques de la Fig.1 ilustra esta idea.

El diagrama de conexiones (Fig.1) es realmente simple. El relé del termostato corta la corriente del congelador. El termistor (el sensor de temperatura) se coloca dentro del frigorífico al final de un cable fino de dos hilos. Yo usé el agujero del desagüe del congelador para pasar el cable del termistor hasta el compartimento frigorífica.


También he sacado la bombilla interior del frigorífico marcada de 15 watios, porque evito el derroche de energía por cuestión de principios. Quizá me plantee la instalación de iluminación led en el interior si encuentro alguna razón para tener que abrir mi frigorífico en la oscuridad.

Diseño del termostato

Aunque, en esencia, la función del termostato es muy simple, el diseño de un buen termostato congelador-a-frigorífico no es del todo trivial. Existen algunos problemas inesperados y contratiempos que sólo se hacen evidentes cuando uno pretende diseñar un sistema que reuna todos los criterios requeridos y que funcione muy bien.

Requerimientos del termostato:

  1. Fiabilidad. Los frigoríficos tienen que ser electrodomésticos muy fiables puesto que nuestra salud depende de ello. Las fluctuaciones de temperatura excesivas a consecuencia de cualquier mal funcionamiento del termostato acelerarían el deterioro de los alimentos introduciendo los consiguientes riesgos para la salud. El termostato debe poder funcionar sin atenciones durante años, o incluso décadas.

  2. Seguridad. La fuente de alimentación de 240V del frigorífico debe quedar bien aislada de todos los componentes de bajo voltaje del termostato.

  3. Pretensión de consumo cero durante el periodo de stand-by (cuando el compresor del frigorífico esté apagado). Este requisito es crítico en el caso de que un inversor moderno con sensor de demanda energética sea el encargado de proveer la alimentación al frigorífico (caso de frigoríficos alimentados con energía solar). La utilización de electrodomésticos de consumo cero durante el periodo de stand-by permitirá a los que utilicen inversor ahorrar hasta 0,4 kWh diarios sólo por permitir que el inversor entre en el modo stand-by de bajo conusmo a cada oportunidad que se presente. Estos ahorros de energía deben ser considerados en el contexto del consumo diario del frigorífico de arcón de 0.1 kWh. El requisito del stand-by cero resulta ser el gran desafío en el diseño práctico del termostato.

  4. Histeresis. El número de arranques por hora del compresor del frigorífico debe mantenerse bajo, no sólo para conservar energía, sino también para reducir el desgaste del mismo.

  5. El termostato debe ser fácil de instalar y no necesitar ningún tipo de modificación en cualquiera que sea el modelo de congelador donde se instale, para de este modo no ver comprometida la garantía de un nuevo congelador de ninguna manera.

  6. El termostato debe ser simple y fácil de construir a partir de componentes de bajo costo de rápida y fácil adquisición.

El reto del stand-by cero

La tendencia general en la industria moderna es la de reemplazar relés y contactores electromecánicos por relés semiconductores de estado sólido. En nuestro caso, sin embargo, esto choca con nuestro requerimiento 3. Los relés de estado sólido de corriente alterna poseen una alta capacitancia cuando están apagados. Esto quiere decir que cuando se encuentran conectados en serie a un motor (una carga resistiva/inductiva) están permitiendo la circulación de una pequeña corriente alterna aún encontrándose todo apagado. Esta corriente provoca una pérdida continua de potencia de aproximadamente 0.5 watios (según mi medición con el compresor de mi congelador Vestfrost) y la pérdida adicional de unos 20W por mantener activo el inversor 24VCC-240VCA.

Los interruptores de estado sólido resultan muy atractivos cuando el compresor de refrigeración está siendo alimentoa con corriente continua. Puesto que los interruptores semiconductores y los relés no pueden cumplir con el requerimiento de stand-by cero, debemos considerarlos inadmisibles para nuestro trabajo con un frigorífico de CA.

Por lo tanto, para un frigorífico común de CA, tendremos que decantarnos por un relé de valor nominal adecuado. Tras experimentar con varias marcas y diseños, decidí usar relés OMRON G6RN-1A DC12. Junto con su habilidad para manejar pequeñas cargas inductivas, e interrupción de baja energía, posee un aislamiento de unos 7kV entre la bobina de 12V y los contactos de 240V, lo cual considero importante desde el punto de vista de la seguridad.

Debido al requerimiento de stand-by cero, todos los componentes electrónicos de nuestro termostato, incluyendo el sistema sensor de temperatura, necesitan alimentarse a partir de un sistema basado en pilas.

Puesto que también precisamos que nuestro sistema funcione de manera desatendida durante años (o décadas), tenemos que afrontar otro reto: diseñar un SAI (Sistema de Alimentación Ininterrumpida) capaz de trabajar durante años sin supervisión. Las baterías de este SAI necesitan cargarse cuando el compresor del frigorífico se encienda.

El diseño

El esquema del sistema que utilizo actualmente se encuentra representado en la Fig. 2. Es el resultado de un compromiso entre el mínimo consumo posible, la simplicidad y el costo de los componentes. El sistema sensor de temperatura consiste en un termistor R1 (BC 2322 640 54103, 10kΩ @25ºC) interconectado a un amplificador operacional. El amplificador operacional quad LM324 que elegí tiene un muy bajo consumo (inferior a 0.7 mA) y puede operar a partir de una alimentación de tensión simple simplificando el diseño en gran medida.

U1C y U1D actúan como búfers, para minimizar el consumo del sistema de medición y comparación de temperatura hasta unos valores despreciables. U1B es un amplificador sumador. U1A es un disparador Schmitt con facilidad para ajustar la histéresis (cambiando R13), establecido aquí en torno a 0.5ºC. Los capacitores C4 evitan que las señales de radio que pueden aparecer en el largo cable del termistor R1 interfieran con la funcionalidad del sistema.

El interruptor SW1 se encarga de la disminución de consumo del sistema (posición centro-apagado) y permite que el termostato opere en dos modos distintos: alimentado por el suministro principal de 240V (“SW1 arriba”, en cuyo caso las baterías pueden extraerse) y alimentado por la pila (“SW1 abajo” el modo stand-by cero). El modo “SW1-arriba” también se encarga de asunto de la carga inicial de la batería.

Advierte el uso del transistor de micropotencia LM2936 como regulador de 5V. Los LM7805 que se usan comúnmente por sí mismos consumirían cinco veces más potencia que el circuito completo imposibilitando al calificación del sistema completo como de micropotencia. Usando un LM7805 el ciclo de descarga de las baterías se multiplicaría por cinco, y por consiguiente, se requeriría una batería con el quíntuple de capacidad para realizar la misma operación, eso sin contar la necesidad de un transformador mayor que mantenga la batería cargada.

En el modo “SW1-abajo”, la batería se carga cuando el relé del congelador y el compresor se encuentran encendidos, que para el caso de mi frigorífico Vestfrost, es entre 1 y 2 minutos por hora. El resto del tiempo, la circutería del termistor es alimentada por la batería y no consume corriente alguna del suministro principal para la red de 240V.


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En el esquema la conexión a tierra (no mostrada) debe llevarse desde el cable de alimentación de CA hasta el cable de alimentación del congelador. Un adecuado varistor de óxido metálico instalado entre la salida de 240V y los terminales neutros puede ayudar a prolongar la vida del relé.

Durante el funcionamiento del sistema, el voltaje nominal de 8.4V de la batería NiMh oscila entre 9.2 y 9.4V, por lo tanto, en términos prácticos, la batería se mantiene completamente cargada y por consiguiente puede funcionar durante muchos años.

A la hora de elegir el transformador, debemos de tener en cuenta su corriente de magnetización y elegir el que tenga la mínima posible. En mi diseño he usado un barato transformador de 2VA con un fusible térmico integrado y una corriente de magnetización inferior a 20mA. Puesto que la sección para la carga de la batería (Transformador TR1 y Regulador LM317) sólo trabajan de 1 a 2 minutos cada hora, no se ha contemplado su optimización.

El circuito impreso del termostato es de doble ancho y posee máscaras de soldadura aisladas para maximizar la seguridad y fiabilidad.

Interior del termostato ensamblado. La carcasa del termostato es impermeable. A la derecha el transformador. A la izquierda la batería NiMh de 9V.

Instalación

El sistema de termostato descrito arriba está diseñado para ser instalado junto con un cable de alimentación que suministre la CA al congelador. No se requiere ninguna modificación del congelador. El termistor correctamente sellado, soldado al extremo de un cable fino de la longitud adecuada, debe introducirse en el interior del congelador. Esto es mejor hacerlo a través del agujero de drenaje del congelador.

La ubicación del sensor de temperatura es importante. Si el termistor se deja cerca del fondo del arcón frigorífico – el termostato va a controlar la temperatura mínima del mismo. Si el termistor se sitúa cercano a la tapa del congelador – el termostato va a controlar la máxima temperatura aquí. La posición más adecuada para el termistor es cualquier lugar más o menos en el centro.

En mi frigorífico el termismtor se mantiene sujeto en la posición deseada empleando un trozo de tubo de polietileno recostado sobre una de las esquinas y apoyándolo sobre éste. El sensor de temperatura sostenido de esta forma mide la temperatura del aire en el interior del frigorífico en lugar de la temperatura de la pared de metal.

Medición de la temperatura

He omitido deliberadamente la medición de la temperatura y el marcador en el diseño de mi termostato para mantener el diseño tan simple como fuese posible. Lo que me ha llevado a esta decisión fue la abundancia de dispositivos medidores de temperatura existentes en el mercado. Personalmente utilizo un “termómetro dual” con su sensor de temperatura “remoto” bien sellado con silicona. Éste mide y muestra dos temperaturas: la de dentro del frigorífico y la exterior de la habitación.

El punto débil

El diseño del termostato anterior tiene un punto débil. Cuando la máxima potencia (220-240V) no está disponible y la temperatura en el interior del frigorífico se eleva, la batería de 60mAh alimetará la bobina del relé durante 3 ó 4 horas y entonces se descargará. El uso de una batería de mayor capacidad podrá prolongar este tiempo.

Tengo mis dudas sobre si este asunto requiere mayor atención, puesto que si la energía se va durante varias horas, el contenido de cualquier frigorífico, no importa cuán avanzado sea, necesitará una inspección cautelosa e intervención manual.

Cuando la energía se haya restaurado, mi sistema requerirá conmutar al modo “SW1 arriba” durante uno o dos días, hasta que la batería se haya cargado por completo.

Rendimiento

Los resultados de mis experimentos para convertir un congelador en frigorífico excedieron todas mis expectativas. Mi frigorífico de arcón supera a cualquier frigorífico de puerta vertical en todos los aspectos, incluyendo la eficiencia energética, la conservación de los alimentos y la practicidad del uso diario.

Nunca me he encontrado con un frigorífico que sea tan silencioso. Tan sólo funciona durante unos 90 segundos a la hora. Todo el resto del tiempo es perfectamente silencioso y no consume ningún tipo de energía. Las baterías de mi sistema mixto eólico/solar y el inversor con sensor de demanda energética están encantados con él.

Una de las más llamativas funciones del frigorífico de arcón es su excelente rendimiento en cuanto a la conservación de los alimentos. Después de todo, la principal función de un frigorífico es ayudarnos a conservar los alimentos.

La mejora en la conservación de los alimentos se debe a las mínimas fluctuaciones de temperatura en un arcón frigorífico durante el uso diario. En la mayoría de las parrtes de mi frigorífico las fluctuaciones de temperatura están limitadas a ±1.5ºC aproximadamente.

En cinco años de uso de mi frigorífico no recuerdo haber tenido que tirar ningún alimento por haberse estropeado.

El frigorífico de arcón es sorprendentemente práctico y apropiado para su uso. Los objetos más comunes se colocan en las cestas superiores siendo muy visibles y accesibles. Las cestas se deslizan sobre los filos superiores de las paredes del frigorífico de manera que se tiene un rápido acceso a secciones más profundas del interior del compartimento sin necesidad de extraer ninguna de las cestas.

En el fondo del frigorífico yo almaceno comida guardada en cajas de cartón apoyadas sobre una base de goma. La función de la base de goma es evitar que el cartón absorba el agua condensada del suelo del frigorífico.

Cuando el cartón muestra signos de deterioro lo reemplazo. Si puedo encontrar cajas de plástico que encajen bien en el fondo con una distribución adecuada, las usaré.

Condensación

La condensación es un fenómeno que sucede en el interior del frigorífico. El aire de la Tierra siempre contiene ese mismo tipo de humedad. Cuando el aire se enfría, sucede la condensación.

En un frigorífico de arcón, la humedad se condensa en el interior de las paredes del frigorífico y se va acumulando en el fondo.

El agua condensada es en esencia agua destilada que “se pega” a las paredes interiores. La cantidad de condensación depende de cuánta humedad haya en el ambiente y con qué frecuencia y magnitud abrimos la tapa del frigorífico.

En un uso cotidiano he averiguado que el agua condensada que se acumula en el fondo del frigorífico necesita ser secada cada 2 ó 3 meses para mantener tanto la higiene como la funcionalidad.

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