El siguiente documento tiene como objeto explicar de manera breve conceptos fundamentales para realizar un análisis de componentes en un sistema de refrigeración y obtener elecciones que favorezcan un menor consumo de equipos.
Como consecuencia de no realizar análisis en sistemas de refrigeración, se desconoce tener un balance de carga contra la capacidad; esto afecta dramáticamente la eficiencia energética del sistema e influye directamente en la vida útil de los componentes involucrados, por capacidades muy grandes, altas presiones en condensación, sobrecalentamiento de los compresores, entre otros.
Para entender y realizar la evaluación de eficiencia integral en un sistema de refrigeración, se debe entender conceptos tales como:
- Cambio de temperatura.
- Delta de presiones.
- Delta de entalpia.
- Compresión.
- Expansión, entre otros.
Estos elementos hacen parte del sistema de refrigeración, para ello se necesita realizar un resumen termodinámico evaluando el sistema de refrigeración.
El ciclo de refrigeración está diseñado para que a través de la evaporación de un líquido refrigerante, se extraiga calor de un recinto o cámara, por medio de radiadores o serpentines los cuales hacen la transferencia de calor del ambiente a refrigerar y el gas refrigerante que circula por la tubería del serpentín.
Al salir el refrigerante de esta etapa se encontrara en estado gaseoso que cual necesita un compresor para elevar la presión y temperatura, el cual lo expulsara hacia el radiador o serpentín condensador que realizara una transferencia de calor con el ambiente, para que se realice la transferencia el refrigerante debe tener una temperatura mayor al del ambiente.
Al expulsar gran parte de calor al ambiente y luego de condensarse, el sistema requiere de un dispositivo el cual realice una caída de presión del líquido y una expansión antes de ingresar al serpentín evaporador nuevamente.
La capacidad de refrigeración (QB) es el calor adsorbido en el serpentín evaporado y la carga de refrigeración es la energía térmica que presenta la carga.
El trabajo del compresor (W) hace referencia a la diferencia del calor disipado (QA) y el calor adsorbido (QB).
Estos valores anteriores se pueden estimar con el cambio de entalpia que se realiza en las etapas del sistema.
QB= m (hs-he) evaporador
QA=m (he-hs) condensador
W=m (hs-he) compresor
m : flujo másico
h : entalpías
Los ciclos de refrigeración reales tienen perdidas, las cuales hacen que lo real no sea igual a lo calculado, algunas perdidas se verán a continuación.
- La compresión no es adiabático.
- Los procesos de condensación y evaporación no son isobáricos debido a las pérdidas de carga por fricción.
- Se presenta un sub enfriamiento de líquido antes de la TX y un sobrecalentamiento a la llegada del compresor.
Eficiencias
Para hallar la eficiencia se debe hablar de los siguientes términos
COP: Coeficiente de operación
COP = QB/W = (he-hs) evaporador / (hs-he) compresor
Es el cociente entre la potencia de calefacción y la potencia eléctrica absorbida en unas condiciones específicas de temperatura con la unidad a plena carga. Modo calefacción
EER: Ratio de eficiencia energética
EER= (QB, BTU/h) / Watt
Es el cociente entre la potencia de refrigeración y la potencia eléctrica absorbida en unas condiciones específicas de temperatura con la unidad a plena carga. Modo refrigeración
SEER: Ratio de eficiencia energética estacional
SEER=(QB, BTU/año) / Watt-h
Es la eficiencia energética estacional de una unidad, calculada para la demanda anual de refrigeración, factor de eficiencia energética estacional
PAE: Porcentaje de aprovechamiento del evaporador
PAE=x/l
L: largo del evaporador
X: distancia donde ocurre la evaporación
Es el porcentaje de aprovechamiento del evaporador, es una medida de la eficiencia lograda en el uso del evaporador.
Todos estos resultados se pueden hallar de manera teórica o ideal y de manera real. Para lograr desarrollar estos valores de manera real se debe tomar mediciones principales en el sistema de refrigeración tales como presión y temperatura en los siguientes puntos:
Succión del compresor, descarga de compresor, entrada condensador, salida condensador, entrada válvula de expansión, salida válvula de expansión, entrada de evaporador, salida de evaporador.
Una fuente de oportunidad del actual presente es realizar proyectos con eficiencias de operación y energéticas los más altas posibles, pero aún más el desarrollo de nuevas tecnologías en las instalaciones ya instaladas que no tienen sistemas que ayuden a la eficiencia energética.
Por ejemplo.
Regular la capacidad de evaporación:
Algunos sistemas ya instalados presentas equipos (compresores) robustos en capacidad en comparación a las cargas actuales que requieren, quiere decir a las presiones de evaporación que trabajan son mucho menores a las que requiere el sistema para suplir la necesidad, ocasionando el trabajo excesivo de los equipos, incrementando así el consumo de energía.
Para ello existen sistemas de regulación en los compresores que se encargan de variar la capacidad para que consuma menos potencia eléctrica bajando sus RPM como el variador, o sistemas digitales de regulación en el compresor como los descargadores digitales.
Regulación de condensación:
De igual manera que en el ejemplo anterior en gran parte las instalaciones del pasado, no presentan regulación en la capacidad de condensación, es decir en horas del día el equipo puede utilizar el 100% de su carga debido a la temperatura ambiente, pero en las noches debido a la disminución de la temperatura ambiente, el condensador se vuelve más eficiente o con una capacidad mucho más grande, sin embargo sigue trabajando los motores al 100% como si fuera a suplir la carga total, es ahí donde entra la oportunidad de mejora. Se podrá también regular la velocidad de los motores del condensador o se podrá instalar un control de etapas para que apague algunos motores, lo que repercute un menor consumo de energía.
Según lo anterior, en la actualidad se busca garantizar una alta eficiencia de los equipos en cuanto a su regulación de capacidad para generar que el equipo tenga una eficiencia energética mucho más alta.
Esta situación se soluciona con un muy buen cálculo de cargas térmicas considerando su aplicación y todas las variables que afectan el diseño, con el ánimo de generar un balance en el sistema de refrigeración, apoyado de otros elementos para el control de las presiones de succión y condensación tales como variadores de velocidad, descargadores, válvulas de expansión electrónica, sub enfriamiento de líneas de líquido entre otros.
Escrito por:
Director de Ingeniería Industrias Refridcol.
Juan Pablo Cárdenas
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