Análisis en detalle de la recuperación de calor en los sistemas de enfriamiento

Un nuevo artículo dedicado a la recuperación del calor generado en los procesos de enfriamiento, sin duda una de las inversiones más rentables en eficiencia energética que podemos realizar si somos grandes consumidores de frío. Pero como siempre ocurre en la eficiencia energética aplicada a los procesos térmicos también encontraremos diferentes alternativas de ingeniería que nos ayudarán a rentabilizar aún más el proyecto de recuperación de calor. Estudiemos con más detalle el análisis de ingeniería que debe realizarse en este tipo de proyectos.

En primer lugar hay que indicar que lo que hacemos en estos proyectos es recuperar el calor que se rechaza en los sistemas de enfriamiento, por lo que el éxito de esta medida está en que nos evitamos generar energía al aprovechar el calor residual de un proceso. Pero cuando hablamos de calor residual no nos referimos a una pequeña cantidad de calor ni mucho menos. Al contrario, cuando un equipo de enfriamiento trabaja produce una enorme cantidad de calor, exactamente produce una energía que es igual a la carga de enfriamiento más la entrada de energía en los compresores.

Cualquier consumidor de frío en grandes cantidades está tirando a la basura una enorme cantidad de calor que está pidiendo a gritos ser recuperado. Pero lo más sorprendente que nos encontramos al estudiar procesos es que el mismo usuario está tirando calor a la basura por un lado luego está comprando calor por otro para otra necesidad de su proceso industrial. Visto así parece una incongruencia, pero realmente lo que ocurre es que si en la planta no está instaurada una cultura de eficiencia energética las sucesivas ampliaciones y reformas en la planta no estarán interrelacionadas entre sí.

. A) LA GENERACIÓN DE CALOR .

La recuperación de calor en los procesos de frío a su temperatura de condensación normal es usualmente simple y no suele generar problemas. Sin embargo, la baja temperatura del calor recuperado es una limitación fundamental. Para alcanzar máxima eficiencia en los procesos de enfriamiento el diseño considera una temperatura de condensación cercana a la temperatura del aire exterior. Si bien la temperatura que puede obtenerse recuperando calor en estos procesos no tiene muchas veces aplicación práctica, si que resulta de gran interés en industrias con procesos industrializados.

B) AUMENTANDO LA RECUPERACIÓN DE CALOR MEDIANTE EL INCREMENTO DE LA TEMPERATURA DE CONDENSACIÓN .

Puede aumentarse la temperatura del calor recuperado de 11 a 28 ºC incrementando la temperatura de condensación. De esta forma aumenta también la cantidad de calor a recuperar. Dimensionando convenientemente el proceso podemos encontrar interesantes aplicaciones para el calor recuperado, incluyendo calentamiento de espacios y calor industrial.
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Pero incrementar la temperatura de condensación penaliza seriamente la eficiencia y también es probable que surjan complicaciones y problemas. En el caso de las enfriadoras su diseño está pensado para producir una capacidad especificada a una temperatura ambiente máxima especificada, que típicamente implica temperaturas de condensación en el rango de 38 ºC y 43 ºC. En operación normal, la temperatura de condensación promedio es más baja que éstas. Es usualmente seguro operar una enfriadora de forma continuada a su temperatura máxima de diseño, o incluso a una temperatura algo más alta, pero la vida del motor puede reducirse. .

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

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Efecto de la temperatura de recuperación más alta en el COP de la enfriadora. .

Si se opta por incrementar la temperatura de condensación, debe estudiarse el punto adecuado que compense el valor incrementado del calor recuperado contra el aumento en los costes del enfriamiento. El incremento de la temperatura de condensación típicamente reduce el COP de la enfriadora un 1 – 2 % por grado.

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El mejor resultado se obtiene estudiando la mejor relación entre el valor de la energía de entrada de la enfriadora y el calor recuperado. El calor recuperado es usualmente menos valioso que la energía de entrada en la enfriadora. Por otra parte, el efecto bomba de calor de una enfriadora hace que la cantidad de calor recuperada sea varias veces mayor que la cantidad de energía de entrada de la enfriadora.

. El efecto de una temperatura de recuperación de calor más alta en la capacidad de enfriamiento.

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Incrementando la temperatura de condensación durante largos periodos de tiempo puede afectar adversamente la fiabilidad del motor y del compresor. El efecto depende del tipo de compresor, tipo de refrigerante y del diseño del modelo especificado.

La amenaza más seria a largo plazo es el aislamiento del motor. La vida del aislamiento declina rápidamente cuando se incrementa su temperatura. La temperatura del motor se eleva debido a que la corriente del motor se incremente cuando el motor debe producir una mayor presión de condensación. El fallo de un motor interno es especialmente nocivo porque los productos generados al quemarse el aislamiento y se desplazan a través del circuito de refrigerante.

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Limitaciones de descarga de compresores centrífugos en temperaturas de condensación elevadas. .

Las enfriadoras centrífugas tienen la mayor eficiencia pico de los tipos de enfriadora convencionales. Desgraciadamente para la recuperación de calor, un compresor centrífugo es menos tolerante a incrementar su temperatura de condensación que otros tipos de compresores.

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El problema más serio es que las enfriadoras centrífugas pierden capacidad para estrangular cuando la temperatura de condensación se incrementa. La carga a la que esto ocurre se incrementa con la temperatura de condensación. .

Incrementando la temperatura de condensación para recuperar calor se eleva la presión de descarga pero surgen problemas por la aparición de sobre-corrientes. Los modelos de enfriadoras centrífugas ofrecidas para recuperar calor deben estar diseñados para producir mayor fuerza centrífuga en el gas. El fabricante incrementa el diámetro del impulsor o la velocidad del impulsor.

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C) OTRAS FORMAS DE RECUPERAR EL CALOR .

Recuperación de calor en compresores de tornillo.

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Los compresores de tornillo inyectan aceite en el proceso de compresión para sellar los huecos alrededor del rotor. El aceite absorbe una considerable cantidad del calor de compresión, y este calor puede recuperarse a una temperatura lo bastante grande como para ser útil en algunas aplicaciones.

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Recuperación de calor en compresores de amoniaco.

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Debido a su alta presión diferencial, el amoniaco está limitado a ser usado con compresores recíprocos y de tornillo. El amoniaco tiene un sobrecalentamiento excepcionalmente alto, así que el compresor debe estar diseñado para enfriar agua del colector de descarga para proteger la máquina. La cantidad de calor enfriando agua en esta agua de enfriamiento del compresor es una pequeña fracción del rechazo de calor total, pero es apropiado que el circuito del agua de enfriamiento sea tal que este calor puede colectarse con el refrigerante del condensador.

Recuperación de calor de enfriadoras de absorción.

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Como norma general, no debe incrementarse la recuperación de calor de las enfriadoras de absorción incrementando su temperatura de condensación, especialmente funcionan con vapor o agua caliente. El COP de las enfriadoras de absorción es bajo en el mejor de los casos, e incrementando la temperatura de condensación el COP será aún peor. La temperatura de operación de las enfriadoras de absorción también es crítica, por lo que la realización de cualquier ajuste debe hacerse cuidadosamente. .

D) APLICACIONES INDUSTRIALES DEL CALOR RECUPERADO .

Recuperación de calor como energía suplementaria. .

El calor recuperado en los sistemas de enfriamiento debe considerarse como una fuente de calor suplementaria. Normalmente necesitaremos una fuente de energía de apoyo para acoplar el calor con las necesidades de proceso.

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Acoplando el enfriamiento con la recuperación de calor. .

El calor recuperado debe estar disponible en el momento que lo requiere la aplicación. Por lo tanto, la cantidad de calor que puede recuperarse depende del momento en el que opera la instalación de frío y el momento en el que se requiere la aplicación de la recuperación de calor. .

Para abordar diferencias temporales en la producción y uso del calor recuperado es conveniente estudiar la posibilidad de usar almacenamiento de calor.

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Acoplar la recuperación de calor y las temperaturas de aplicación. .

En algunas aplicaciones, la cantidad de calor que puede recuperarse es proporcional a la temperatura de condensación. En muchas ocasiones el calor obtenido no proporciona la temperatura máxima de la aplicación, entonces la recuperación de calor es aún valiosa para precalentamiento. El consumo energético de un calentador disminuye conforme lo hace la diferencia entre la temperatura deseada y la temperatura del agua de alimentación. Podemos por tanto diseñar aplicaciones en las que se reduzca el consumo energético de los calentadores un 60 – 80 % dependiendo de la energía calorífica que requiera el agua de alimentación. Es importante indicar que con tales ahorros la recuperación de la inversión en el equipo auxiliar que se requiere en estos proyectos es realmente rápida.

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Pérdidas de intercambiadores de calor y aislamiento de contaminantes. .

La recuperación de calor se apoya en el uso de un intercambiador de calor. Las temperaturas de condensación son bajas, así que la caída de temperatura en el intercambiador puede reducir la cantidad de calor del condensador que puede recuperarse. Por lo tanto, el intercambiador de calor debe diseñarse para pérdidas de temperatura mínimas. .

Si el condensador se refrigera por agua, puede recuperarse el calor simplemente usando el agua de refrigeración directamente, aunque esto no siempre es posible. Si el sistema usa una torre de refrigeración para enfriar el condensador, el agua de refrigeración se ensuciará. Esto puede forzar el uso de otro intercambiador de calor para aislar el agua de la torre de la aplicación. .

Si el condensador se refrigera por aire, se instalará un intercambiador de calor que recupera el calor del gas refrigerante comprimido. .

Bibliografía:

Wulfinghoff, D. R. Energy Efficiency Manual. Energy Institute Press