15 noviembre 2009

Optimizando la temperatura en las enfriadoras de agua (Parte I)

Las temperaturas de operación inadecuadas en los equipos de enfriamiento de agua son una de las fuentes de derroche más importantes que podemos encontrar en este tipo de instalaciones. La optimización de las temperaturas de operación de las máquinas de frío son uno de los aspectos más importantes de la operación eficiente. El coeficiente de rendimiento, COP, de estas máquinas depende fuertemente de las diferencias de temperatura entre las que opera. Los diseños convencionales típicamente mantienen este diferencial más alto del que se necesita, el habitual "terrible sobredimensado" que durante años ha sido la tónica general. Es fácil por ello buscar plantas de enfriamiento cuyo diferencial de temperaturas sea superior al que se necesita, proporcionando una gran oportunidad para conseguir ejecutar proyectos sencillos de ahorro energético. Veamos las características de este tipo de proyectos:
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Optimizando temperaturas del evaporador y condensador

Puede reducirse el diferencial de temperatura desde abajo y para ello se incrementa la temperatura del evaporador. También puede reducirse desde arriba bajando la temperatura de condensación. Ambos ajustes son fáciles de hacer físicamente. Las temperaturas apropiadas dependen de la carga de enfriamiento, el clima, el diseño de la enfriadora, y posibles conflictos que puedan surgir en la eficiencia de otros equipos en el sistema de enfriamiento. El principal desafío es establecer convenientemente las temperaturas óptimas de diseño para todas las condiciones de operación. En la mayoría de las aplicaciones, las temperaturas óptimas cambian en un amplio rango de condiciones de carga. Por lo tanto, el uso de controles automáticos para ajustar las temperaturas de forma continua es una excelente opción. No obstante hay que indicar que estos controles no serán fácilmente amortizables en instalaciones pequeñas.

Nuestra recomendación es que trabajemos en dos medidas principales. La primera optimiza la temperatura del evaporador, y la segunda optimiza la temperatura del condensador. Las dos medidas son similares en teoría, y ambas pueden proporcionar ahorros importantes. Sin embargo, las dos difieren en la práctica. Optimizar el evaporador es usualmente fácil, simple de comprender y seguro. Optimizar la temperatura del condensador a veces requiere mucho análisis, y la enfriadora puede quedar dañada sea la temperatura de condensación es demasiado.

Repasemos una por una las medidas que pueden tomarse en este tipo de proyectos.

Mantener el agua fría a la temperatura más alta posible

Siempre que cumplamos los requerimientos del proceso es conveniente que la temperatura del agua fría sea lo más alta posible, de esta forma podremos conseguir ahorros muy importantes. Por cada grado Celsius que aumentemos la temperatura podemos obtener alrededor de un 4% de ahorro en el suministro de energía. Esta es la información que debe resaltarse al usuario, ya que normalmente no es consciente del derroche energético que supone la temperatura del agua más allá de lo debido.

Para saber hasta dónde podemos elevar la temperatura del agua que terminaremos la máxima temperatura para varias cargas de enfriamiento. Es decir, la temperatura que buscamos dependerá de la carga final, que podremos calcular fácilmente estudiando las condiciones reales de trabajo de la máquina.

En la práctica, los sistemas de agua fría se diseñan para que la temperatura del agua sea unos 5,5 ºC (u otro valor parecido) y la máquina trabajará ineficientemente manteniendo intentando mantener esa temperatura. Pero lo que se consigue es que para cargas por debajo de la de diseño la temperatura bajará, y aumentará en cargas que estén por encima de la de diseño. En muchas aplicaciones la carga está prácticamente siempre por debajo de la considerada en el diseño, por ejemplo en las instalaciones de aire acondicionado. En consecuencia la temperatura del agua será prácticamente siempre inferior a la prevista y el derroche será muy importante. Estaremos trabajando con agua mucho más fría de lo necesario. Esta observación puede hacerla cualquiera intuitivamente midiendo la temperatura del agua fría en cualquier aplicación común. Normalmente estará más fría de lo necesario porque los cálculos se hicieron con unas hipótesis de carga superiores a las que en realidad se dan en la aplicación. Evidentemente esto no será siempre así, pues en algunos casos sí que la carga es elevada. Pero en instalaciones ya existentes es muy fácil estudiar temperatura y carga, actuando en consecuencia, y obteniendo de forma sencilla importantes ahorros para el cliente.

Una instalación existente puede optimizarse de forma manual de una forma bastante sencilla, y haciendo varias pruebas hasta dar con la temperatura correcta para la aplicación. Basta usar para ello un simple termómetro. Podemos probar, por ejemplo, subir la temperatura de diseño hasta 8,3 ºC, calcular el sistema, y verificar cómo se comporta con la carga habitual. También debemos tener en cuenta si es crítico que en algún momento se supere la temperatura de diseño o no lo es.

Otra mejora interesante es estudiar qué partes de proceso son críticos y cuáles no y actuar en consecuencia. Muchas veces son muy pocos los productos que requieren un control estricto de la temperatura y pueden almacenarse separadamente en un pequeño recinto.

El ahorro que puede obtenerse con esta medida es realmente espectacular.

La potencia del ventilador en los sistemas que manejan aire con volumen de aire variable (VAV)

En un sistema de manejo de aire de volumen-aire-variable, el enfriamiento del espacio se controla variando el caudal de suministro de aire, y la temperatura del aire de alimentación se mantiene nominalmente constante. Elevando la temperatura del agua fría se puede elevar la temperatura del aire, lo cual originará que los ventiladores operen la mayor potencia. No obstante, la energía ahorrada en el enfriamiento es bastante superior a la pérdida en los ventiladores, por ello el beneficio neto es superior al subir la temperatura del agua en todo lo posible. En algunos casos especiales esto puede no ser verdad, por lo que debe calcularse el compromiso óptimo entre energía de enfriamiento y energía de ventilación.

Energía de bombeo en sistemas de agua fría de caudal variable

Un sistema de agua fría de caudal variable ahorra la energía de bombeo distribuyendo agua fría solamente en las cantidades necesarias para los sistemas de manejo de aire. En un sistema de caudal variable, incrementando la temperatura del agua fría se aumenta la cantidad de agua fría que debe bombearse, para una carga de enfriamiento o dada.

Ajustar la temperatura del agua fría manualmente

La forma más sencilla y barata de ajustar la temperatura del agua es en el panel de control.

No obstante, la limitación práctica es que la carga cambia continuamente, y los operadores no podrán ajustar manualmente con frecuencia. Esta estrategia puede ser útil si el cambio de la carga es una respuesta a la estacionalidad, pero no si la carga cambia de forma continua.

Si hay limitaciones de presupuesto puede elaborarse una tabla con las temperaturas y las cargas previstas. Esta tabla hay que desarrollarla para cada aplicación pero es muy útil para ahorrar energía.

El ahorro que puede conseguirse aplicando este tipo de medidas irá del 4 al 10 % en el consumo total. El coste de este tipo de acciones es MÍNIMO y el periodo payback es INMEDIATO.


Palabras clave: Variable-air-volume, variable-flow chilled water systems
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