La carrera por el desarrollo de sistemas de frío industrial ultra-eficientes

Las grandes centrales frigoríficas industriales están construidas mediante el ensamblaje de diversos equipos con los que se conforma el ciclo frigorífico. Pero la naturaleza de los procesos industriales hace que el ciclo termodinámico de enfriamiento sea complejo y no siempre las aplicaciones están resueltas de forma óptima.

Si los propietarios de instalaciones frigoríficas obsoletas supiesen cuantificar con precisión la energía que están derrochando día a día, sin duda no pararían hasta conseguir llevar sus costes a donde la tecnología puede conseguir. Y es que esas viejas centrales convencionales de los años ochenta y noventa son las auténticas aliadas del enriquecimiento de las compañías eléctricas. Una forma subliminal de minar la cuenta de resultados de las empresas en una etapa de crisis en la que el control de los costes es más importante que nunca.

El derroche de instalaciones de gran consumo energético como las de frío industrial es muy significativo y se produce a lo largo de todo el ciclo frigorífico. Un circuito frigorífico no es más que el ensamblaje de piezas y equipos de distintos fabricantes sin considerarse normalmente la incidencia del consumo en la instalación. Al menos en España, la legislación no se ha preocupado hasta ahora por la eficiencia energética de las instalaciones frigoríficas. El problema es mucho más grave fuera del mundo desarrollado, donde el consumo de las instalaciones de frío lastra la cuenta de resultados de muchas industrias de procesos.

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Son múltiples los problemas que podemos ir encontrando en las centrales frigoríficas que sumados unos con otros redundan en una terrible caída en el rendimiento de las centrales. Veamos algunos ejemplos comunes. En las centrales grandes con varios compresores se nota mucho por ejemplo la insuficiencia de purgado de incondensables, que van acumulándose en el circuito y desequilibrando las presiones. Puntos de purgado estratégicamente colocados, y en cada uno de ellos una válvula de solenoide puede mejorar sensiblemente la instalación. Importante y básico es también la automatización de los arranques, que eviten sobre todo el arranque simultáneo de compresores que inyecten picos de demanda en la red. Otra estrategia sencilla y económica es supervisar de forma automática el control de los compresores, ajustando en cada momento la capacidad del compresor a la demanda actual del sistema, y mantener de esa forma la temperatura de evaporación requerida.

Pero los avances tecnológicos van mucho más allá, y continuamente vienen observándose avances que consiguen disminuir notoriamente el consumo energético de las instalaciones de frío industrial. Entre los fabricantes reconocidos que trabajan en eficiencia energética podemos mencionar la británica Cooltherm o la italiana Geoclima. Entre otras compañías, ambas utilizan cuidadosos conceptos de control del ciclo frigorífico que permite obtener ahorros que pueden llegar al 50 % para algunos desarrollos, pero conseguir el 30 % es bastante más factible. Otras instituciones trabajan en el desarrollo de centrales frigoríficas ultra-eficientes, y entre otros encontramos College Institute of Technology & Advanced Learning en Toronto.

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Las máquinas de frío ultra-eficientes se distribuyen por Europa obteniendo ahorros sin precedentes. Según cálculos realizados para instalaciones comunes, por ejemplo un hotel, la sustitución de equipos obsoletos puede suponer un ahorro mensual del entorno a 12.000 euros. El principio fundamental que aplican todas estas compañías es la autoregulación continua de su rendimiento adaptándose de manera continuada a las condiciones ambientales. El control inteligente de los parámetros del ciclo frigorífico es una estrategia fundamental de funcionamiento y la que mayor éxito consigue reduciendo el consumo energético de la instalación.

Pero lo mejor de todo no solamente es el ahorro, sino la facilidad con que se amortizan las inversiones de mejora de los sistemas de frío. Según estudios verificados independientemente en la planta piloto de Geoclima en Italia, hay inversiones que pueden recuperarse en menos de un año.

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Además del consumo energético, las últimas mejoras avanzan también en la disminución del refrigerante usado hasta un 30 % respecto a equipos convencionales.

En general, los sistemas ultra-eficientes utilizan sistemas de control adaptativo altamente sofisticados que integran y optimizan el rendimiento y otra serie de mejoras que intervienen en las diferentes partes del proceso. Algunas características claves utilizados en equipos de enfriamiento ultra-eficientes son: a) los condensadores de aluminio con microcanales, que reducen la carga de refrigerante a la vez que incrementan la efectividad del intercambio de calor; b) evaporadores inundados que aseguran una óptima transferencia de energía entre refrigerante y agua; c) compresores controlados con inversor cuya salida puede ser acoplada perfectamente a la carga; uso de bombas de refrigerante líquido que incrementan significativamente la eficiencia termodinámica.

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Repasemos en los siguientes capítulos algunos de los conceptos más novedosos en refrigeración industrial ultra eficiente.

. A ) Enfriadoras de agua.

Las enfriadoras de agua también participan en la carrera de la refrigeración ultra eficiente, y en estos equipos los ingenieros también buscan oportunidades para alcanzar mayor eficiencia: enfriadoras pony, variadores de velocidad, motores eficientes premium, torres de enfriamiento de alta eficiencia, estrategias de control sofisticadas, etc. En la mayoría de los casos los fabricantes enfocan su estrategia a incrementar la eficiencia de un componente individual y optimizar la planta basándose en las temperaturas del bulbo húmedo, las temperaturas del agua del condensador, y las estrategias de ajuste de la presión diferencial y el agua enfriada.

Respecto a la automatización, se ha probado que configurar, controlar y mantener un sistema de planta de enfriamiento operando un 40-60 % por debajo de los standards de optimización de energía actuales no es difícil si los ingenieros sustituyen su control proportional-integral-derivative (PID) por una nueva estrategia de control en red. Estos conceptos de ahorro energético pueden aplicarse tanto a plantas de enfriamiento nuevas como a plantas existentes, consiguiendo en cualquier caso una tasa de retorno muy rápido.

Pero para tener éxito, los sistemas de enfriamiento ultra-eficientes requieren un nuevo método de control automático que optimiza la operación del equipo bajo todas las condiciones de carga, así como una nueva metodología para estar seguro que la planta opera a los niveles previstos en la vida del sistema...

B) Automatización de centrales frigoríficas

Uno de los factores más importantes para mantener el rendimiento es una estrategia por la cual el sistema se vigila de forma continuada mediante un sistema de control digital directo. Para ello, una amplia gama de sistemas de automatización se han desarrollado en los últimos años. Gracias a ellos es posible diseñar equipos en los que la inversión aumenta ligeramente pero el sobrecoste se compensa sobradamente por el ahorro conseguido con los equipos. Los principales equipamientos a tener en cuenta en el diseño de una aplicación de frío industrial son los siguientes:

• Compresores eficientes. Entre otros destacamos los compresores herméticos, herméticos de corriente continua para aplicaciones móviles, compresores scroll de gran potencia para aplicaciones comerciales y compresores alternativos. También existen compresores para optimización de energía, compresores de velocidad variable o compresores para aplicaciones solares.
• Unidades condensadoras.
• Válvulas de expansión electrónicas. Las válvulas de expansión electrónica son un avance importante respecto a las termostáticas, y una de las soluciones que deben considerarse para obtener mayor ahorro energético.
• Soluciones de control para refrigeración. Muchas soluciones de control vienen desarrollándose en los últimos tiempos para aplicaciones en refrigeración eficiente. Podemos mencionar las válvulas servo operadas, las válvulas de motor y las soluciones de control que sustituyen a las válvulas mecánicas o electro-mecánicas convencionales.
• Controles de nivel de líquido.
• Controles electrónicos: Sensores y transductores. Los sensores de temperatura, transmisores de presión, transmisores de control de nivel de líquido y detectores de gas para control electrónico son los últimos avances con más interés en la refrigeración.
• Válvulas de agua de presión de condensación: Se utilizan para la regulación del flujo de agua en plantas de refrigeración con condensarores refrigerados por agua. Las válvulas de agua proporcionan una regulación modulante de la presión de condensación y la mantienen constante durante el funcionamiento. Cuando para la instalación de refrigeración, el flujo de agua se corta automáticamente.

Los nuevos controladores ABB.

Otra de las compañías que desarrolla sistemas avanzados para mandar sobre plantas frigoríficas es ABB. Su automatización está diseñada para el sector de la alimentación, donde el frío supone el 70-80 % del consumo energético. Las pruebas realizadas con estos sistemas de mando indican que la inversión se recupera rápidamente, 2 ó 3 años.

Esta tecnología puede instalarse incluso en grandes centrales frigoríficas con amoniaco como refrigerante, a temperaturas de operación de - 40 ºC.

Estos sistemas de mando se usan para automatizar el ventilador del condensador, que trabajando a velocidad de energía consume menos energía al reducir la velocidad. Por ejemplo, una reducción del 10 % en velocidad nos da un 30 % menos de consumo en energía.

También estos mandos actúan sobre el consumo del compresor, y para ello lo que hacen es regular las condiciones de carga. El mando de velocidad variable implica que el compresor tenga buena eficiencia tanto con carga parcial como a plena carga. En el compresor se usan sistemas de mando bajos en armónicos, lo cual minimiza las interferencias y evita el uso de soluciones complejas para eliminarlas.

Otra ventaja de este sistema es que trabaja con un factor de potencia la unidad, lo cual permite evitar las cargas reactivas.

Ya que los sistemas de refrigeración típicamente funcionan durante 24 horas, la mayoría de las aplicaciones de bombeo y ventiladores son candidatos potenciales para mandos en alterna. Cualquier sistema de refrigeración con amplia variación en horas de operación o carga térmica que es menor que la carga pico puede beneficiarse de mandos en corriente alterna.

Muchos sistemas de refrigeración que usan bombas, ventiladores y compresores usan aún ineficientes controles de velocidad de dos velocidades o on/off para los ventiladores del condensador. Puede conseguirse un ahorro significativo usando mandos en alterna para controlar directamente el motor eléctrico.

Donde se usan correas en los sistemas de ventilación, los mandos de AC reducen las tensiones de la correa y los costes de mantenimiento.

Otra de las compañías que desarrolla sistemas avanzados destinados a plantas frigoríficas es ABB. Su automatización está diseñada para el sector de la alimentación, donde el frío supone el 70-80 % del consumo energético. Las pruebas realizadas con estos sistemas de mando indican que la inversión se recupera rápidamente, 2 ó 3 años.

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Esta tecnología puede instalarse incluso en grandes centrales frigoríficas con amoniaco como refrigerante, a temperaturas de operación de - 40 ºC.

Estos sistemas de mando se usan para automatizar el ventilador del condensador, que trabajando a velocidad de energía consume menos energía al reducir la velocidad. Por ejemplo, una reducción del 10 % en velocidad nos da un 30 % menos de consumo en energía.

También estos mandos actúan sobre el consumo del compresor, y para ello lo que hacen es regular las condiciones de carga. El mando de velocidad variable implica que el compresor tenga buena eficiencia tanto con carga parcial como a plena carga. En el compresor se usan sistemas de mando bajos en armónicos, lo cual minimiza las interferencias y evita el uso de soluciones complejas para eliminarlas.

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Otra ventaja de este sistema es que trabaja con un factor de potencia la unidad, lo cual permite evitar las cargas reactivas. .

Ya que los sistemas de refrigeración típicamente funcionan durante 24 horas, la mayoría de las aplicaciones de bombeo y ventiladores son candidatos potenciales para mandos en alterna. Cualquier sistema de refrigeración con amplia variación en horas de operación o carga térmica que es menor que la carga pico puede beneficiarse de mandos en corriente alterna.

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Muchos sistemas de refrigeración que usan bombas, ventiladores y compresores usan aún ineficientes controles de velocidad de dos velocidades o on/off para los ventiladores del condensador. Puede conseguirse un ahorro significativo usando mandos en alterna para controlar directamente el motor eléctrico.

Donde se usan correas en los sistemas de ventilación, los mandos de AC reducen las tensiones de la correa y los costes de mantenimiento. Ejemplo de uso de controles ABB En la web de ABB, el fabricante expone las ventajas del uso de uno de sus controles. El ejemplo se refiere a una industria cárnica con 100 empleados que produce 200.000 piezas de carne al día, además de otras 80.000 piezas.

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La instalación de una nueva línea de producción, con un congelador de espiral diseñada por el fabricante para diversos productos de pastelería impulso a la compañía a buscar mejoras en eficiencia energética. Para muchas compañías del sector de la alimentación, la refrigeración supone el 70-80 % de la cuenta de electricidad, de forma que pueden conseguirse ahorros significativos en esta área.

La solución instalada fue un sistema de refrigeración que opera con refrigerantes de amoníaco a una temperatura de operación de -40 ºC.

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Los controles ABB actúan sobre los dos componentes principales del sistema de refrigeración. El condensador es de tipo evaporativo, utilizando un control ABB para el ventilador de 15 kW. La operación del ventilador a velocidad variable consigue un ahorro significativo de energía incluso con pequeñas reducciones de velocidad. Por ejemplo, una reducción del diez por ciento consigue reducir el consumo energético en un 30 por ciento.

El otro componente principal es un compresor de tornillo usado para proporcionar el refrigerante al congelador de espiral. El uso de controles industriales ABB, de armónico bajo de 315 kW permite ahorrar energía durante las condiciones de carga parcial. El compresor de tornillo puede operar a velocidades que van de 1500 a 3600 rpm en la posición del distribuidor del 100 %. Con este modo de operación, la máquina opera a máxima eficiencia para una velocidad dada.

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Aunque la eficiencia de la carga completa de los compresores de tornillo es buena, el rendimiento de la carga parcial con el control del distribuidor es generalmente pobre. Con el control de velocidad variable del compresor, tendremos buena eficiencia tanto a carga parcial como a plena carga.

Ya que los sistemas de refrigeración típicamente funcionan durante 24 horas, la mayoría de las aplicaciones de bombas y ventiladores son candidatos potenciales para controles AC de bajo voltaje. Cualquier sistema de refrigeración con una amplia variación en las horas de operación o con cargas de calor inferiores a la carga pico pueden beneficiarse de los controles AC.

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El sistema empleado en el ejemplo anticipa un recorte del 11 % en el consumo global de la instalación, y el payback del proyecto es de 2,3 años.

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Palabras clave: Micro-channel aluminium condensers, Flooded evaporators, Inverter-controlled compressors, ultra-efficient chiller, direct digital control (DDC) system