Recuperando calor en los sistemas de enfriamiento

Cuando una planta de enfriamiento está trabajando, rechaza una cantidad de calor que es igual a la carga de enfriamiento más la entrada de energía a los compresores. En las instalaciones que tienen grandes cargas de frío, el calor se descarga a la atmósfera en enormes cantidades. Esta energía está pidiendo a gritos ser reutilizada.

Afortunadamente, recuperar calor de las enfriadoras a la temperatura de condensación normal es usualmente simple y está libre de problemas. Sin embargo, la baja temperatura del calor recuperado es una limitación fundamental. Para alcanza la máxima eficiencia, las enfriadoras se diseñan normalmente para operar con temperaturas de condensación próximas a la temperatura del aire exterior. La mayoría de estas instalaciones no pueden usar gran parte del calor que se recupera a estas bajas temperaturas. El precalentamiento de agua para uso sanitario es con mucho la aplicación más común. Otras aplicaciones son inusuales pero son útiles en aplicaciones más especializadas.

Aumentando la recuperación de calor incrementando la temperatura de condensación

Puede incrementarse la temperatura del calor recuperado de 11ºC a 28ºC incrementando la temperatura de condensación. También se incrementa la cantidad de calor que puede recuperarse. Y, es factible también encontrar nuevas aplicaciones para el calor recuperado, incluyendo calentamiento del espacio y aplicaciones de calentamiento industrial.

Sin embargo, incrementar la temperatura de condensación puede también penalizar seriamente la eficiencia de la enfriadora. También se producen otras complicaciones y problemas. Las enfriadoras están diseñadas para producir una capacidad especificada a una temperatura máxima ambiente máxima, que típicamente implica temperaturas de condensación en el rango de 38 ºC a 43 ºC. En operaciones normales, la temperatura de condensación promedio es inferior a éstas. Es usualmente seguro operar una enfriadora continuamente a su temperatura máxima de diseño, o incluso a temperaturas más altas, pero la vida del motor puede reducirse.

Puede incrementarse la temperatura de recuperación de calor más aún usando una enfriadora que esté diseñada específicamente para recuperación de calor. Una enfriadora de recuperación de calor es simplemente una unidad convencional que está optimizada para temperaturas de condensación más altas.

El efecto de la temperatura de recuperación de calor en el COP de la enfriadora

Si se incrementa la temperatura de condensación, se equilibra el valor del calor recuperado contra el coste incrementado de enfriamiento. Incrementando la temperatura de condensación típicamente se reduce el COP de la enfriadora entre un 1 % y un 2 % por grado.

El mayor compromiso depende del valor relativo de la energía de entrada de la enfriadora y el calor recuperado. El calor recuperado es usualmente menos valioso que la energía de entrada de la enfriadora. La energía de entrada para las enfriadoras de compresión son usualmente electricidad u otra fuente cara. En la otra mano, el efecto bomba de calor de una enfriadora hace que la cantidad de calor recuperado sea varias veces mayor que la cantidad de energía de entrada de la enfriadora.

Si se selecciona una nueva enfriadora para una temperatura de condensación más alta, tendrá un COP algo más alto en la operación de recuperación de calor que una enfriadora similar a la seleccionada para temperaturas de condensación normales. Sin embargo, esta enfriadora de recuperación de calor tendrá un COP más bajo a temperaturas de condensación normales.

El efecto de una temperatura de recuperación de calor mayor en la capacidad de enfriamiento

Operando una enfriadora a una temperatura de condensación de calor incrementada se reduce su capacidad sustancialmente. El efecto de la temperatura de condensación en la capacidad varía con el tipo de compresor. Las enfriadoras centrífugas sufren unas pérdidas más serias de capacidad que otros tipos porque el gas refrigerante en un compresor centrífugo no se mueve por desplazamiento positivo. Cuando el gas fluye a través de la enfriadora, baja su velocidad por el incremento de la presión de descarga causad por una temperatura de condensación más alta.

El efecto de la temperatura de condensación más alta en la vida del equipo

Si se incrementa la temperatura de condensación por un largo periodo de tiempo, la capacidad del compresor y la fiabilidad del motor puede quedar afectada severamente. El efecto depende del tipo de compresor, el tipo de refrigerante y los detalles del modelo específico. Deben controlarse las especificaciones de la enfriadora antes de operar a temperaturas de condensación elevadas durante un largo periodo.

La amenaza más seria a largo plazo es el aislamiento del motor. La vida del aislamiento declina rápidamente cuando su temperatura se incrementa. La temperatura del motor se eleva debido a que la corriente del motor se incrementa cuando el motor debe producir mayor presión de condensación. El fallo de un motor interno es especialmente negativo porque los productos calientes son corrosivos y se desplazan a través del circuito del refrigerante, requiriendo un farragoso procedimiento de limpieza. Si el motor de limpieza es externo, puede ser aconsejable reemplazarlo con un motor que tenga un rating de temperatura superior.

Algunos refrigerantes tienen temperaturas de descarga especialmente altas. Incrementando la temperatura de condensación puede elevarse la temperatura de descarga lo bastante como para descomponer el aceite de lubricante que se transporta en el refrigerante. Este problema puede solucionarse seleccionando un aceite lubricante conveniente para altas temperaturas.

Limitaciones de descarga de comprensores centrífugos a temperaturas de condensación elevadas

Las enfriadoras centrífugas tienen la mayor eficiencia pico de todos los tipos de enfriadoras. Desafortunadamente para la recuperación de calor, un compresor centrífugo es menos tolerante de tener temperaturas de condensación incrementadas que otros tipos de compresores. El más serio problema es que las enfriadoras centrífugas pierden su capacidad de estrangulamiento cuando se incrementa la temperatura de condensación.

La sobrepresión es un problema especial de los dispositivos centrífugos. Incrementando la temperatura de condensación para la recuperación de calor se eleva la presión de descarga. Para evitar la sobrepresión, la enfriadora debe operar con cargas altas ara incrementar la fuerza centrífuga que impulsa el flujo de gas exterior. Surge puede ocurrir incluso a plena carga si la temperatura de condensación es demasiado alta.

Las enfriadoras centrífugas ofrecidas como modelos de recuperación de calor no son diferentes de las enfriadoras centrífugas básicas. Simplemente están diseñadas para producir mayor fuerza centrífuga en el gas.

Bibliografía: Donald R. Wulfinghoff. Energy Efficiency Manual. Energy Institute Press