Optimizando el diseño de las enfriadoras de agua

El tratamiento de la eficiencia energética en refrigeración recibe una atención especial en TODOPRODUCTIVIDAD. En un buen número de artículos venimos profundizando sobre estrategias para la optimización de este tipo de instalaciones. De manera particular citamos:

• Enfriadoras de agua para refrigerar centros de datos.
• Algoritmos de diagnosis automatizados para enfriadoras, calderas, torres de enfriamiento y sistemas de distribución de agua fría
• Optimizando la temperatura en las enfriadoras de agua (Parte I)
• Optimizando la temperatura en las enfriadoras de agua (Parte II)
• Algunas mejoras de eficiencia en plantas con enfriadoras de agua múltiples
• Sobre las últimas tecnologías en compresores industriales de refrigeración y su eficiencia
• Controles de refrigeración PlantVisorPRO y su alcance en la refrigeración eficiente
• Nuevo sistema de refrigeración para aplicaciones con suministro eléctrico discontinuo
• Optimizando la eficiencia mediante secuenciación de la actividad en las enfriadoras
• Ultraenfriadoras de recirculación de alto rendimiento
• Refrigeración, seguridad y calidad de los alimentos
• La carrera por el desarrollo de sistemas de frío industrial ultra-eficientes
• Colección de programas para cálculos del LEED en calor y frío
• Propiedades del amoniaco como refrigerante
• Ventajas en costes y eficiencia energética del amoniaco como refrigerante

Continuamos con los artículos dirigidos a la refrigeración industrial eficiente, pero en esta ocasión nos centraremos en la optimización en el diseño de las enfriadoras de agua o chillers. En las plantas grandes grandes capacidades, las enfriadoras son equipos intensivos en consumo energético, y muy propicias para desarrollar proyectos de optimización.

En este artículo nos centraremos en dar una visión general de las variables que deben tenerse en cuenta en el diseño.

OPTIMIZACIÓN DEL DISEÑO

Para optimizar el diseño de una central de enfriamiento hay que tener en cuenta muchas decisiones que afectan a los costes de la energía y a los costes de la inversión. Por ejemplo, los costes de la energía están determinados por:

• La eficiencia a plena carga de cada parte del equipo (ej. enfriadoras, torres, bombas...).
• El número de cada parte del equipo y cómo están dispuestos.
• El diseño del sistema de distribución (caudal variable contra caudal constante, circuito de distribución primario o primario/secundario).
• Las secuencias de control tales como el reajuste de la temperatura del agua fría y el reajuste de la presión diferencial; y
• El dimensionado de tuberías y válvulas.

La consideración de los costes iniciales puede ser incluso más compleja en las etapas iniciales de diseño. Hay muchas razones para ello, incluyendo:

• Los costes no son una función continua de la capacidad.
• La capacidad de algunos equipos y materiales sólo está disponible en tamaños discretos.
• Los costes varían por fabricante y condiciones del mercado.
• Los costes varían ampliamente dependiendo de la disposición en planta física de la planta y otros detalles de diseño.

PROCEDIMIENTO DE DISEÑO DE PLANTAS ENFRIADORAS

Los costes de operación incluyen los componentes de la planta de enfriamiento (enfriadora, bombas de agua de enfriadoras y condensador, torre de enfriamiento), y también los costes del sistema de manejo de aire. Todos estos costes pueden quedar afectados por las decisiones de diseño de la planta, tales como la temperatura del agua fría. La optimización rigurosa de los costes del ciclo de vida del sistema requieren un modelo matemático de cada componente del sistema y estudiar las opciones de diseño, describiendo exactamente su rendimiento de operación y primeros costes. Desgraciadamente, esta aproximación no es práctica; hay demasiadas opciones y sus costes y rendimiento no pueden siempre describirse según funciones matemáticas continuas.

Sin embargo, es posible optimizar parcialmente la planta de enfriamiento con un esfuerzo razonable. La clave está en descomponer la planta de enfriamiento en subsistemas y luego optimizar cada subsistema. La planta no se optimizará completamente debido a la complejidad de los subsistemas, pero el resultado será próximo al óptimo.

Para entrar en un proceso de diseño detallado es también necesario realizar un perfil de la carga, conocer el equipo de enfriamiento y los sistemas de distribución de agua.

Para la mayor parte de las plantas de enfriamiento, puede conseguirse un diseño de planta casi óptimo siguiendo el siguiente procedimiento secuencial:

1) Seleccionar la configuración de caudal del sistema de distribución de agua fría. 

2) Seleccionar la temperatura del agua fría, caudal y tamaño de las tuberías del circuito primario. 

3) Seleccionar las opciones de control de velocidad de la torre, eficiencia, rango de temperaturas de agua del condensador y aproximación de temperaturas, y de esta forma se realiza la selección preliminar de la torre de enfriamiento. 

4) Seleccionar las enfriadoras usando especificaciones y análisis del ciclo de vida. 

5) Ajustar el dimensionado de la torre y número de celdas si es necesario. 

6) Finalizar el diseño de sistemas de tuberías y seleccionar bombas. 

7) Desarrollar y optimizar las secuencias de control.

El procedimiento de diseño es iterativo, la solucción ideal es optimizar todos los componentes de planta simultáneamente, pero no siempre es practicable. Incluso con el procedimiento simplificado que hemos explicado, son importantes algunas interacciones de forma que no pueden evaluarse independientemente de otras interacciones. 

Bibliografía: Chilled Water Plant Design Guide. Energydesignresources