C O M P R E S S O R S

Informacin tcnica

R E F R I G E R A T I O N A N D A I R C O N D I T I O N I N G

Aplicacin prctica del refrigerante R600aisobutano en sistemas refrigerados domsticos

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El refrigerante R600a, o isobutano, es un posible sustituto para otros refrigerantes, loscuales tienen un gran impacto ambiental, a travs de los refrigeradores domsticos. Tieneun potencial de destruccin de ozono ODP de cero y un potencial global de calentamientoGWP insignificante. Adems es una sustancia que forma parte de gases de petrleoprovenientes de fuentes naturales, por lo que se le puede considerar un refrigerante natu-ral. El refrigerante R600a ha sido utilizado en el pasado, en congeladores hasta finales delos aos 40, y en estos momentos es ampliamente utilizado en los refrigeradores ycongeladores domsticos en Europa, especialmente en Alemania, donde ms del 90% delos refrigeradores son de R600a. En todo el mundo se ha discutido la posibilidad de utilizarel R600a como sustituto para los CFC. El isobutano es un posible sustituto ya que cuentacon una buena eficiencia energtica, pero con algunas caractersticas distintas, lo cualimplica que el diseo se debe adaptar a este refrigerante.

Las caractersticas del R600a difieren de las de otros refrigerantes utilizados comnmenteen aplicaciones domsticas, ver tabla 1. Esto acarrea cambios en los detalles de diseo.

Tabla 1: Comparacin de datos entre refrigerantes

1 Refrigerante

etnaregirfeR a006R a431R 21R

erbmoN onatubosI -arteT-2,1,1,1onateoroulf

-orolciDonatemoroulF

alumroF HC( 3) 3 HC FC 3 HC- 2F FC 2 lC 2

CneacitrcarutarepmeT 531 101 211

lomk/gkneraluceloMoseP 1.85 201 9.021

nicillubeedlamronotnuPCne 6.11- 5.62- 8.92-

aniserP)otulosba(rabneC52- 85.0 70.1 42.1

aodiuqlleddadisneDl/gkneC52- 06.0 73.1 74.1

otaropavdadisneDm/gkneC23+/52- 3 3.1 4.4 0.6

aacirtmulovdadicapaCm/JkneC23/55/52- 3 373 856 727

anicaziropavedaplatnEgk/JkneC52- 673 612 361

aniserP)otulosba(rabneC02+ 0.3 7.5 7.5

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La gran diferencia entre el R600a y el R134a y R12, se encuentra en el nivel de presin, elcual es ms bajo, por ejemplo, a 25C de temperatura de evaporacin equivale aun 55% del de R 134a y un 45% del de R12. En relacin con esto el punto de ebullicin esde 15 K y 18 K ms alto respectivamente. Esto lleva a tener presiones de trabajo muchoms bajas que las anteriores. Los evaporadores en los refrigeradores domsticos por lotanto trabajarn por debajo de la presin atmosfrica.

Figura 1: Presin de vapor para diferentes refrigerantes frente a temperatura

El bajo nivel de presin esta relacionado con una temperatura crtica elevada. Esto da unabuena capacidad de enfriamiento incluso con altas temperaturas de condensacin.

La capacidad volumtrica del R600a es aproximadamente un 50% la del R12 y un 55% ladel R134a a una temperatura de condensacin de 55C, como se ve en la figura 2.Consecuencia de esto el volumen de barrido del compresor debe ser el doble del volumende barrido de por un compresor para R12.

La capacidad de enfriamiento volumtrica se calcula con la densidad del gas de aspiraciny la diferencia de entalpa de evaporacin. Las caractersticas de capacidad del compresor,en trminos de capacidad sobre temperatura de evaporacin, estn cercanas a otrosrefrigerantes, como se ve en la figura 3.

1.2 Capacidad

1.1 Presin

0

5

15

15

20

-40 -20 0 20 40 60

R 600aR 134aR 12

Pres

in

de va

por e

n ba

r

Temperatura en C

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Figura 3: Capacidad de enfriamiento frente a temperatura de evaporacin con diferentesrefrigerantes.

Figura 2: La capacidad volumtrica de R600a y R134a, relativa al R12, relacionada con latemperatura de evaporacin, a una temperatura de condensacin de 55 C y una temperaturade gas de aspiracin de 32C, sin subenfriamiento.

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

-30 -25 -20 -15 -10

R 600aR 134aR 12C

apac

idad

volu

mt

rica

rel.a

R2

2

Temperatura de evaporacin en C

0

50

100

150

200

-35 -30 -25 -20 -15 -10Temperatura de evaporacin C

R 600a 8 cm3

R 600a 9 cm3

R 134a 5 cm3

R 12 5 cm3

Capa

cidad

de

enfri

amen

to e

nW

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Si se introduce R600a en un sistema de refrigeracin, la carga en gramos ser muchomenor. Sin embargo, si se calcula en cm3, la carga volumtrica de lquido es aproxi-madamente la misma. Esto da cargas de un 45% de R134a y un 40% de R12 en gramos,de acuerdo con los datos empricos de la tabla 1. Los sistemas muestran una altasensibilidad a las desviaciones en las cargas. Cargas inadecuadas dan altos consumosde energa. Esto significa que el proceso de carga se debe mejorar, en cm3 o incluso msen gramos. En cargas de aproximadamente 20 g, las cuales son propias de mueblesrefrigeradores pequeos, la precisin debe ser de 1 g. La carga mxima, de acuerdo conlas regulaciones de seguridad es de 150 g por refrigerador, lo cual corresponde aaproximadamente 360 g de R12 o 340 g de R134a.

Las especificaciones para el R600a no se encuentran en los estndares internacionales.Algunos datos estn incluidos en la norma alemana DIN 8960 de 1998, la cual es unaversin ampliada de la ISO 916. La pureza del refrigerante se considera segn su qumicay su estabilidad, segn la vida del compresor y del sistema, y desde el lado termodinmicoconsiderando el comportamiento y el control del sistema de refrigeracin.

La especificacin DIN 8960 es una especificacin general sobre la seguridad de loshidrocarburos, adoptada de un catalogo de criterios sobre refrigerantes que cubre propano,n-butano y otros. Algunos conceptos pueden ser aceptados para refrigerantes especficosy combinaciones no puras despus de una evaluacin exhaustiva.

Por el momento no existe en el mercado ningn refrigerante con la calidad acorde con losestndares oficiales. Las especificaciones de calidad deben ser revisadas con las empresassuministradoras en detalle. El gas licuado del petrleo LGP para aplicaciones comocarburantes con grado de pureza tcnico de un 95% no es suficiente para sistemas derefrigeracin hermticos. Los contenidos en agua, sulfuros y componentes reactivos debenestar por debajo de los niveles de garanta para estos productos.

Tabla 2: Especificaciones para R600a de acuerdo con la norma DIN 8960-1998

1.3 Carga derefrigerante

1.4 Pureza

nicacificepsE dadinU

etnaregirferneodinetnoC 1

5.99 asam%

sacinagrosazerupmI 2

5.0 asam%

oneidatuB-3,1 3

5 asamropmpp

onaxeh-n

05 asamropmpp

onecneB 4

1 aicnatsbusropmpp

erfuzA

2 asamropmpp

.pavearutarepmetedotneimazilseD

5.0 )litsed%79a5edsed(KselbasnednoconsesaG

5.1 ropavesaF.lov%

augA 5

52 asamropmpp

sodicneodinetnoC

20.0 nicazilartueng/HOKgm

nicaropaveedsoudiseR

05 asamropmpp

sodilS/saluctraP on lausivnisiveR

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1) El contenido no esta detallado en DIN 8960. Solo las impurezas estn clasificadas ylimitadas. El principal contenido es el resto hasta un 100%.Para clculos termodinmicos el contenido en ismero n-butano R600 puede ser hastadel 5% no afectando al criterio de deslizamiento de la temperatura y afectandomnimamente a la presin, y menos de 0.2 K a la temperatura de evaporacin.

2) Segn el compresor se acepta un contenido de un 1% de propano en el R600a.3) Este es el valor mximo para cada sustancia simple de los hidrocarburos insaturados.4) Este es un valor mximo segn cada compuesto aromtico sencillo.5) Este es un valor preliminar, ser revisado segn se vaya experimentando.6) mg/kg igual a ppm por masa

Debido a las altas presiones del propano, la fase de vapor contendr concentraciones depropano ms altas. Para evitar problemas de acumulacin de propano, la carga debe hacerseen fase lquida.

El R600a se utiliza principalmente con compresores con aceite mineral, luego lacompatibilidad es igual que con el R12. El uso de aceites alquilbencenicos tambin esposible. El R600a es qumicamente inactivo en sistemas de refrigeracin. La solubilidadcon el aceite mineral es tan buena como con el R12. La compatibilidad con los materialesdirectos es menos problemtica. Se pueden observar algunos problemas en algunas gomas,plsticos y plsticos con cloro, sin embargo estos materiales no suelen estar presentesen los sistemas de refrigeracin domstica. En la tabla 3 se relacionan algunos materialesen los que se han encontrado problemas. Con materiales crticos se deben hacer pruebasespecificas para su uso.

Tabla 3: Compatibilidad de materiales

Para refrigeradores domsticos el disecante utilizado normalmente es un molecular sieves,una zeolita. Para el R600a, se recomienda un material poroso de 3 , como para R134a,por ejemplo UOP XH 7, XH9 o XH11, Grace 594, CECA Siliporite H3R. Los ncleossecadores para R134a pueden utilizarse con R600a sin ningn cambio. Ver nota CN.86.A.

2 Materiales

2.1 Filtrosdeshidratadores

lairetaM dadilibitapmoCaciltubamoG oNnmocamoG oN

oneliteiloP senoicidnocaledednepeDPP oN

CVP oNFDVP oNMDPE oN

MSC on

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La principal desventaja del R600a es su inflamabilidad. Esto implica un manejo determinadoy precauciones de seguridad.

Tabla 4: Inflamabilidad del isobutano

Son necesarias precauciones de seguridad en concentraciones grandes de isobutano debidoa su inflamabilidad, en sus aplicaciones y en los procesos de produccin. Los riesgos enestas situaciones son muy diferentes. Para que se produzca un accidente se tienen quecumplir dos condiciones. Una es la mezcla inflamable de gas y aire y la otra es el tipo deignicin a ciertos niveles de energa o temperatura.Estas dos condiciones se deben presentar juntas para la combustin, luego se tiene queevitar esta combinacin.

Figura 4: Etiqueta amarilla de peligro.

Para pruebas de seguridad en los refrigeradores domsticos y aplicaciones similares seha establecido en Europa un estndar, la hoja tcnica IEC TS 95006. Tambin existe unaadaptacin a la norma IEC / EN 60335-2-24, la cual es una norma de seguridad elctrica.Las homologaciones para refrigeradores con hidrocarburos como refrigerantes estn deacuerdo con los procedimientos del TS en Europa desde 1994. La metodologa del TS ylos procedimientos de esta norma estn basados en la siguiente descripcin. Tambin sedeben tener en cuenta otras normas nacionales, por ejemplo, EN 378, DIN 7003, BS 4344,SN 253 130, las cuales pueden tener diferentes requisitos.

Todo elemento interruptor de corte elctrico durante su operacin normal se consideracomo un foco de ignicin. Esto incluye termostatos, contactos de puertas para luz,dispositivos on/off y otros interruptores, como congelacin rpida, rels decompresores, trmicos externos, relojes de desescarche, etc.

Todos los elementos por partes se consideran focos de refrigerante debido a la posibilidadde fugas. Esto incluye evaporadores, condensadores, calentadores de puertas, tuberasy compresor.

La carga mxima de refrigerante se fija en 150 g. Manteniendo la carga a un mximo de25% del nivel de explosin mnimo LEL, el cual es aproximadamente 8 g/m3 paracocinas estndares, los riesgos de ignicin son bajos aun si la distribucin delrefrigerante, en caso de fuga, es desigual.

Los compresores Danfoss para R600atienen protectores internos y sistemas dearranque PTC o rels especiales, todosellos asegurando que no se puedanproducir chispas cerca del compresor, yaque en caso de fugas cerca del compresorno se puede garantizar la mezcla con elaire por debajo del LEL (lmite de explosininferior)Como muestra la figura 4, los compre-sores llevan una etiqueta amarilla para gasinflamable.8122

-2R600a3.1 Aplicacin

3 Inflamabilidad yseguridad

)LEL(nisolpxeedominmetimL %5.1 m/g83.xorpA)LEU(nisolpxeedomixmetimL %5.8 m/g302.xorpA

nicingiedaminmarutarepmeT C064

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El objetivo principal de las precauciones de seguridad es separar las cmaras que contienenlos refrigerantes de las que tienen elementos elctricos de corte.

Figura 5: Variantes de aplicaciones de diseo.

En la figura 5 se muestran tres posibilidades. La opcin 1 tiene el evaporador y el termostato/interruptor de puerta en el rea de almacenamiento. Es una situacin crtica si tenemosrefrigerantes inflamables y no se debera utilizar. La opcin 2 tiene el evaporador dentro yel termostato/interruptor de puerta fuera, en el techo. Esto sera una solucin bas-tantesegura. La opcin 3 tiene el termostato/interruptor de puerta dentro, pero el evapo-radoresta incrustado en el aislante del equipo. Esta solucin se utiliza con frecuencia. La opcinelegida debe ser diseada as como realizar la prueba de fugas segn los proce-dimientosTS 95006 y IEC / EN 60335.

Esta situacin de separacin de cmaras se da en la actualidad en el diseo de losmuebles frigorficos y congeladores. Los botelleros grandes y congeladores tienen con mucha frecuencia todos los inter-

ruptores elctricos en el panel superior. Algunos congeladores tienen el evaporador escondido en el mueble, en el aislante, lo

que significa que no esta en el rea de almacenamiento, donde si est el termostato ypor tanto este caso se permite.

Se darn situaciones criticas cuando no sea posible evitar que el evaporador y el termostatoo los interruptores estn en la misma cabina. En este caso tenemos dos posibilidades.

Se deben utilizar modelos de termostatos e interruptores aislados, que eviten la entradade gas y que este pueda alcanzar los contactos. Danfoss tienen termostatos electrnicosadecuados para esta aplicacin.

Los evaporadores de circuito impreso de aluminio (Rollbond) se tienen que hacer aprueba de fugas con doble hoja de aluminio (Rollbond seguridad extra). En este caso elpunto para la conexin del tubo de aspiracin tiene que estar en el exterior y sellado yseparado del recinto refrigerado.

An habiendo tenido en cuenta todas las consideraciones anteriores, cada una de lasaplicaciones con R600a debe ser probada y homologada segn los procedimientos TS /IEC / EN. Las normas tambin especifican presiones de rotura para intercambiadores decalor y tuberas en funcin del refrigerante. Para ms detalles ver normas. Las instruccionesde utilizacin debern incluir alguna informacin sobre precauciones en el manejo, comono desescarchar los compartimentos del congelador con cuchillos, e instalar en una cmaracon al menos 1 m3 por cada 8 g de carga, esto ultimo se incluye en la etiqueta.

1 32

Thermostat /door switch

Evaporator

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El contenido de refrigerante en el sistema y el diseo de seguridad del mismo debe seraprobado y controlado regularmente por las autoridades locales. Ms abajo se indican losprincipios de diseo e instalacin en Alemania. En muchos detalles estn basados en lasregulaciones para instalaciones de gases licuados y se aplican especialmente en lasproximidades a las zonas de carga, donde los conectores de gas se manejan con frecuenciay se realiza la carga de las distintas aplicaciones.

Los principios bsicos de seguridad son Ventilacin forzada para evitar la acumulacin de gas en el local. Equipo elctrico estndar excepto para ventiladores y sistemas de seguridad. Vigilancia continua con sensores de gas en reas de posibles fugas as como

alrededor de las estaciones de carga, con alarma y ventilacin doble a un 15% o 20%del LEL y con desconexin de todos los equipos elctricos que no son a prueba deexplosin en el rea de monitorizacin con un valor del 30 a 35% del lmite deexplosin inferior, LEL, dejando los ventiladores a mxima velocidad.

Prueba de fugas en aplicaciones antes de cargar el refrigerante, para evitar realizar unproceso de carga en un sistema con fugas.

Estaciones de carga diseadas para refrigerantes inflamables y conectadas a sistemasde seguridad.

En muchos casos, los suministradores de estaciones de carga y equipos de deteccin degas pueden soportar el diseo de los sistemas de seguridad.

En muchos casos cuando se produce la transicin desde refrigerantes inflamables a R600a, las aplicaciones tienen que ser modificadas por razones de seguridad como seindica en la seccin 3.1. Pero estos cambios pueden ser necesarios por otras razones.

La eficiencia de los sistemas de refrigeracin no se ve afectada por el tamao del evaporadoro condensador, por lo tanto la superficie de los mismos se puede mantener igual que paraR12 o R134a.El diseo interno del evaporador podra necesitar alguna modificacin, ya que el volumende refrigerante aumenta desde un 50% a un 100% debido un mayor barrido volumtrico enel compresor. Esto lleva a aumentar la cada de presin en las tuberas de refrigerante, sila seccin permanece constante. Para mantener la velocidad del refrigerante entre 3 y 5m/s se recomienda ampliar el dimetro de la tubera. Esto se puede hacer en losevaporadores de aluminio impreso Rollbond ya sea incrementando la altura de los canalesdel sistema, por ejemplo desde 1.6 hasta 2 mm, o bien diseando canales paralelos enlugar de simples. Un sistema con canales paralelos debe disearse con precaucin paraevitar la acumulacin de lquido.En el diseo del acumulador para el evaporador Rollbond debe hacerse con especial cuidado.Cuando se utiliza R12 o R134a, el refrigerante es ms pesado que el aceite utilizado,mientras que con R600a el refrigerante es menos pesado, como se puede ver en la tabla1. Esto puede producir acumulacin de aceite si el acumulador es muy grande, o es alto,y no asegura un vaciado suficiente durante el arranque del sistema. Las premisas dediseo para el evaporador se pueden encontrar en el documento CN.82.A.

Cuando se cambiaron los sistemas capilares de R12 a R134a, normalmente la relacinde flujo a travs del capilar, expresada en litros de nitrgeno por minuto en condicionesespecificas, se proceda a alargar el capilar, o poner un dimetro de capilar menor. Parael R600a por experiencia prctica y modelos tericos se ha comprobado que loscapilares tienen dimensiones similares a las de R12.Como ocurre con el R134a, el intercambiador de calor de la lnea de aspiracin es muyimportante para la eficiencia de un sistema con R600a. El efecto sobre la eficiencia es anmayor para R600a que para R134a. Para ambos es ms importante que para R12, verfigura 6, la cual muestra el aumento del COP con respecto al sobrecalentamiento con unatemperatura de gas de retorno desde 0 K a +32C. En las aplicaciones de carcasa esnormal tener una rango desde +20C hasta +32C. Este aumento en el COP con R600a se

4 Diseo del sistemade refrigeracin

4.1 Intercambiadoresde calor

3.2 Fbrica

4.2 Capilar

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debe al alto calor especfico del vapor. En combinacin con la necesidad de mantener lacarga de refrigerante lo ms cerca posible del mximo permitido, por lo cual elsobrecalentamiento a la salida del evaporador es cero, el intercambiador de la lnea deaspiracin tiene que tener una alta eficiencia para prevenir la condensacin de la humedaddel aire en la tubera de aspiracin. En algunos casos el alargamiento de la lnea deaspiracin y el capilar hace que la eficiencia mejore. Se debe intentar tener la mximasuperficie posible de capilar en contacto con la lnea de aspiracin.

Figura 6: Incremento del COP para diferentes refrigerantes frente a la temperatura deaspiracin en compresin adiabtica, intercambio de calor interno, a una temperatura deevaporacin de 25C, temperatura de condensacin de 55C, sin subenfriamiento antesdel intercambiador.

Mientras que los compresores tienden a ser cada vez menos ruidosos con R 600a parabajas capacidades, en parte debido a los niveles de presin ms bajos, pueden producirseotros tipos de ruidos. Los desplazamientos de pistn ms grandes requeridos, causanmayores vibraciones y generan ruido. El aumento del volumen desplazado pueden generaruna mayor nivel de ruido en los evaporadores, especialmente en el punto de inyeccin, aveces, aunque el ruido no aumenta, si puede llegar a ser un problema. Al reducirse el ruidode compresor, el sonido de paso de flujo se apreciar ms y puede llegar a sonar como unsilbido. Un volumen de fluido alto puede originar grandes pulsaciones de gas y adems deaumentar el ruido puede generar vibraciones. Un aumento en la longitud del intercambiadorde la lnea de aspiracin puede reducir el ruido, porque iguala el fluido y estabiliza lainyeccin.

0,9

1,0

1,1

1,2

-25 0 25Temperatura de gas de aspracin C

R 600aR 134aR 12

COP

isent

rpi

co r

el.a

reca

lent

amie

ntio

4.3 Ruido

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A una temperatura de evaporacin de 25C el R600a,el R12 tiene una presin de 1.24 bary el R134a de 1.07 bar, mientras que para el R600a es de 0.58 bar, lo cual equivale a un47% un 54% respectivamente de los anteriores.Esto significa que el contenido en gases no condensables en los sistemas de refrigeracintienen el doble de efecto negativo en los sistemas con R600a, o expresado de otra manera,el nivel mximo de gases no condensables tiene que ser la mitad que en los sistemasanteriores. Los tiempos de evacuacin realizados al sistema deben ser ms del doble,porque la proporcin principal de los gases no condensables provenientes del aceite delcompresor muestran un efecto no lineal en su evacuacin con respecto al tiempo.Dependiendo del diseo de la aplicacin los tiempos de vaco aumentarn cuando setrabaja con el tubo de carga. Cuando se hace el vaco por el tubo de carga y el de descarga,se reduce el tiempo pero aumenta el costo.Altas concentraciones de no condensables aumentan el consumo de energa debido a lastemperaturas de condensacin elevadas ya que una porcin del gas transportado es inactivo.Tambin puede aumentar el ruido. En compresores con dos evaporadores y dostemperaturas puede haber problemas con los ciclos de desescarche ya que existe elriesgo de mayor formacin de hielo en la zona de refrigeracin.

Las especificaciones de limpieza son comparables a las de R12 R134a. La nica normautilizada para la limpieza de los componentes de refrigeracin es la DIN 8964, la cual seutiliza en varios pases adems de Alemania. Especifica el mximo contenido en solubles,insolubles y otros residuos. Los mtodos para determinar los contenidos de solubles einsolubles estn siendo modificados para el R600a, pero en principio los mismos valoresson tiles.

La reparacin y mantenimiento de un sistema con R600a requiere un personal y un equipobien calificado y preparado. Ver documento CN.73.C. para ms detalles. Tambin se debentener en cuenta las leyes y regulaciones locales. Debido a la inflamabilidad del gas, lo cuales un riesgo potencial durante el trabajo en el sistema de refrigeracin, es necesario unmanejo cuidadoso. Se necesita una buena ventilacin de la habitacin y la descargade la bomba de vaco se debe hacer al aire libre. El equipo del servicio tcnico tiene quecumplir los requisitos del R600a en concepto de calidad de evacuacin y precisin en lacarga de refrigerante. Se recomiendan escalas electrnicas para controlar la carga derefrigerante dentro de las necesidades de precisin.Danfoss no recomienda la conversin de R12, R134a a R600a, porque estos sistemas noestn preparados para la utilizacin de refrigerantes inflamables, adems los elementosde seguridad elctricos no estn de acuerdo con las normas necesarias.

TS 95006 Refrigerators, food-freezers and ice-makers usingflammable refrigerants, Safety Requirements,Ammendment to IEC 60 335-2-24, CENELEC, July 1995

DIN 8964 Kreislaufteile fr KlteanlagenBeuth Verlag GmbH, Berlin

CN.86.A Driers and Molecular Sieves Desiccants

CN.82.A Evaporators for Refrigerators

CN.73.C Service on Household Refrigerators and Freezerswith New Refrigerants

CK.50.A Compressors for R 600a 220 - 240 V 50 HzCollection of Datasheets

EN 60335-2-24 Safety of household and similar appliances Part 2:Particular requirements for refrigerators,food freezers and ice-makers

4.4 Realizacin delvaco

4.5 Limpieza de loscomponentes

5 Mantenimiento

Referencias

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CN.60.E2.05 Produced by Danfoss March 2001

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