02 octubre 2009

Optimizando la eficiencia mediante secuenciación de la actividad en las enfriadoras

Apagar los equipos cuando no se necesitan es el principio más poderoso de la eficiencia energética. En este artículo continuamos hablando de los controles electrónicos de las plantas de enfriamiento y las prácticas de operación recomendadas que limitan la operación de las enfriadoras y sus componentes principales conforme se necesite.

Conceptos generales

Si en una industria hay más de una enfriadora, pueden reducirse significativamente los costes de operación poniendo atención a la forma en que arranca cada unidad de enfriamiento, y la forma en que se distribuye la carga entre las mismas. La justificación es la siguiente:

  • Si una unidad de enfriamiento puede operar con más de un nivel de producción de frío, su eficiencia variará con la carga.
  • Si se dispone de más de un tipo de unidades de enfriamiento, es muy posible que difieran en sus características de eficiencia.
  • Diferentes enfriadoras y combinación de enfriadoras pueden tener distintos requerimientos de energía para los equipos auxiliares.

La secuencia de operación de la planta de enfriamiento es especialmente importante cuando las unidades de enfriamiento tienen diferentes características de eficiencia. Por ejemplo, si se añaden nuevas enfriadoras a una planta existente, las nuevas máquinas serán probablemente más eficientes que las viejas unidades. También, diferentes tipos y modelos de enfriadoras pueden tener grandes diferencias en las características de carga de sus partes. Por ejemplo, las enfriadoras recíprocas sufren menos pérdidas de eficiencia a bajas cargas de enfriamiento que las enfriadoras recíprocas, incluso aunque tengan una menor eficiencia pico.

Una vez que se han planificado las cargas de las unidades de enfriamiento, es importante decir que el funcionamiento manual sólo es satisfactorio cuando funciona continuamente.

¿Cómo secuenciar las unidades de enfriamiento?

Las unidades de refrigeración actuarán más eficientemente dependiendo de la forma como modulen individualmente. Para evitar confusiones, discutiremos cada tipo de modulación independientemente.

  • Optimización de la secuencia en unidades de enfriamiento de una etapa.

Las unidades de una etapa operan con una producción de frío constante. Responden a cambios en la carga de enfriamiento poniéndose en marcha o parándose, usualmente en respuesta a la temperatura del agua fría de retorno. Usualmente tienen compresores recíprocos o scroll. Si todas las enfriadoras de una etapa son idénticas, la secuencia de operación no es un problema. Si se dispone de enfriadoras con diferentes características de eficiencia, se comenzará la secuencia según el orden de eficiencia, independientemente de su capacidad. La única complicación surge si diferentes enfriadoras tienen distintos requerimientos de energía en el equipo auxiliar. Por ejemplo, una enfriadora más eficiente puede requerir una bomba de agua del condensador más grande. En este caso, se calculará el consumo de energía total de cada enfriadora más el del equipo auxiliar, y las enfriadoras operarán en la secuencia que use la menor energía total.

  • Secuencia óptima de enfriadoras multi-etapas.

La mayoría de las enfriadoras recíprocas ajustan su producción en etapas fijas. Usualmente hacen esto deshabilitando, o descargando, cilindros individuales en el compresor. Las viejas máquinas recíprocas tienen de uno a cuatro cilindros, y típicamente cada cilindro puede descargar separadamente. Por ello se obtiene un número de etapas igual al número de cilindros. Esto está siendo cada vez más común con compresores individuales de enfriadoras recíprocas que operan en sólo dos etapas, donde se consigue alcanzar un mayor número de etapas usando varios compresores. Por ejemplo, una enfriadora recíproca moderna puede tener tres compresores, cada uno con dos etapas, para una producción total de enfriamiento en seis etapas.

Las enfriadoras recíprocas son más eficientes a plena carga, porque las pérdidas por fricción son constantes, y descargar los cilindros incurre en algunas pérdidas. Por lo tanto, es usualmente más eficiente aperar con la primera enfriadora a plena carga antes de comenzar con la siguiente. Si una enfriadora tiene varios compresores, el fabricante dispondrá los compresores para arrancar y parar en la secuencia más eficiente.

Si se dispone de enfriadoras multietapas con diferentes características de eficiencia, se secuenciarán las enfriadoras en orden de su eficiencia, independientemente de su capacidad. La salida de las enfriadoras en etapas se controla usualmente supervisando la temperatura del agua de retorno.

La única complicación surge si hay diferencias en los requerimientos de energía auxiliares de las diferentes enfriadoras. Por ejemplo, una enfriadora más grande y eficiente requiere una bomba de agua del condensador más grande. En este caso, se calculará el consumo de energía total de cada enfriadora más su equipo auxiliar, y las enfriadoras operarán en la secuencia que use la menor energía total.

  • Secuenciación óptima modulando enfriadoras.

Las enfriadoras centrífugas y de tornillo ajustan su producción de frío por modulación continua, adaptándose a una carga mínima. Cuando la carga es mínima, el compresor se apaga. Con este sistema se controla la operación de la enfriadora para mantener constante el suministro de agua fría.

Tanto las enfriadoras centrífugas como las de tornillo sufren serias pérdidas de eficiencia a cargas bajas. Por lo tanto, la guía general es operar con el mínimo número de enfriadoras.

Si todas las enfriadoras tienen características de eficiencia similares pero difieren en tamaño, es generalmente mejor comenzar primero por la enfriadora más pequeña. De esta forma se explota el hecho de que la eficiencia en la modulación de enfriadoras mejora con la carga. Esto es especialmente importante si la enfriadora pequeña opera con una energía auxiliar menor, por ejemplo, si queda servida por bombas más pequeñas.

Cuando arranca una enfriadora adicional, las cargas deben distribuirse de forma que todas las enfriadoras que trabajan simultáneamente lo hagan al mismo porcentaje de la carga. Esto es verdad incluso si las enfriadoras tienen diferentes tamaños, probado que sus curvas COP respecto a la carga son similares. Si las enfriadoras son idénticas, es fácil distribuir la carga uniformemente entre las enfriadoras. El control simple de cada enfriadora mantiene el suministro de agua fría a la misma temperatura. Debe tenerse cuidado en la instalación del termostato de cada enfriadora de forma que se instalen donde detecten únicamente la descarga de su propia enfriadora.

Si las características de eficiencia de la enfriadora difieren, las unidades más eficientes deben operar primero. Por ejemplo, las enfriadoras centrífugas son más eficientes que las viejas unidades, así que deben operar primero.

Los controles pueden complicarse si hay una combinación de enfriadoras con diferentes características de eficiencia. Por ejemplo, consideremos que una planta de enfriamiento tiene una vieja enfriadora centrífuga y una nueva de tornillo. La enfriadora de tornillo es más eficiente que la máquina centrífuga a baja carga, pero es menos eficiente a altas cargas. En este caso, puede ser más eficiente operar la máquina de tornillo con una capacidad de hasta el 60 %, luego apagar la máquina de tornillo y transferir la carga a la máquina centrífuga. Si la carga sube al punto en el que se necesitan ambas máquinas, la carga es compartida entre las dos máquinas en un ratio que varía con la carga.

En un caso complejo donde enfriadores disimilares operan juntos, debe desarrollarse una tabla que especifique cómo funciona cada enfriadora, y la distribución de carga entre las enfriadoras. Para desarrollar esta tabla es necesario conocer las eficiencias de las enfriadoras a través de todo su rango de cargas. A partir de aquí, se calcula la entrada de energía a las enfriadoras en cada porcentaje de carga.

Similarmente, puede calcularse la energía de bombeo del agua fría, la energía de bombeo de agua del condensador, y la energía del ventilador de la torre de enfriamiento para cada nivel de carga. El cálculo de la eficiencia energética del ventilador puede ser complicado, y probablemente tengan que hacerse algunas simplificaciones.

Con toda esta información disponible, puede trazarse un diagrama de costes de operación frente al rendimiento en cada enfriadora, incluyendo cualquier diferencia significativa en costes de mantenimiento. Por último, para cada nivel de carga de planta total, se tabula la combinación menos cara de enfriadoras y equipo auxiliar.

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

Palabras clave: Chiller plant, modulating chiller

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