11 diciembre 2011

Cálculo del consumo energético de una planta frigorífica (1ª PARTE)


La disminución del consumo de las plantas frigoríficas es una cuestión crítica actualmente y un diseño bien afinado será la clave del sistema que necesitamos. En este artículo vamos a explicar el funcionamiento del software Pack Calculation II (descarga gratuita) para analizar el consumo energético de una planta frigorífica.
Esta aplicación se utiliza para comparar algo bien interesante en las plantas de refrigeración, el consumo anual de energía entre distintas soluciones viables. Entre otras características, los sistemas de CO2 transcríticos pueden compararse con sistemas tradicionales y ver las diferencias entre sí. En este artículo explicamos en detalle cómo funciona este fantástico programa y sus posibilidades para el diseño de ciclos frigoríficos optimizados.

Como veremos, el grado de desarrollo es tal que podemos considerar todas las configuraciones posibles del ciclo frigorífico, así como los sistemas de control de eficiencia energética más avanzados.

INICIO DEL ANÁLISIS

Para ver cómo funciona el programa vamos a hacer un análisis sencillo usando un sistema pequeño de una sola etapa. En el manual de instrucciones del programa se incluye un análisis algo más complejo pero para iniciarse con él es conveniente estudiar una instalación pequeña más simple.
El análisis de un sistema comienza seleccionando las opciones de diseño del ciclo de refrigeración como son:
Configuración del sistema
Las opciones que tenemos para la configuración del sistema son las siguientes:
  • Una etapa: Con la opción de una etapa transcrítica.
  • Dos una etapa.
  • Cascada, cascada transcrítica, CO2.
  • Evaporadores inundados.

Selección del compresor
La selección del compresor idóneo para nuestra aplicación es clave de cara a optimizar su consumo energético y a conseguir un perfecto funcionamiento del sistema. En el ejemplo seleccionamos un compresor de una etapa.
Si elegimos dos etapas seleccionaríamos también la temperatura baja (LT) y la temperatura media (MT). Cuando seleccionamos un sistema transcrítico de dos etapas ello implica que usaremos CO2 como refrigerante.
La selección del compresor se hace a partir de las especificaciones técnicas que en el propio programa incluye para los principales fabricantes. Aquí determinamos especialmente la temperatura de evaporación y la temperatura de condensación.
En el ejemplo dimensionamos un compresor Bitzer 4FC-3.2Y. Se trata de un compresor semihermético a pistón con una intensidad máxima de funcionamiento de 9,2 A que trabaja a 380...420 V a 50 Hz. El volumen que desplaza es de 18,05 m3/h a 1450 epm a 50 Hz.
Seleccionamos asimismo una temperatura de evaporación de Te =– 30 ºC y una temperatura de condensación de Tc = + 20 ºC.
En la pantalla observamos que tendríamos una capacidad de enfriamiento Qe = 5,2 kW y una capacidad de condensación Qc = 7,5 kW
Del compresor seleccionado lo que nos interesa son sus capacidades máximas. En este caso la temperatura de evaporación  y la temperatura de condensación. También la capacidad de enfriamiento y la capacidad de condensación. Estos números son importantes para el análisis posterior.
Es importante observar que las opciones/parámetros que consideremos en el diseño deben ser lo más próximas posibles a las condiciones de diseño, ya que es lo que nos determinará la eficiencia del sistema y su buen funcionamiento.
Si en un lugar demasiado caluroso seleccionamos una Tc de + 20 ºC y luego las temperaturas son más elevadas durante gran parte del año es posible que estemos diseñando un sistema demasiado pequeño, y su capacidad real será inferior a la prevista.
Por el contrario, si como medida de seguridad seleccionamos una temperatura de condensación demasiado alta estaremos sobredimensionando el sistema innecesariamente. El consumo será mayor y también su coste.
Lo interesante del programa es que una vez sabemos utilizarlo las capacidades nos las calcula automáticamente y el avance es muy rápido.
Definición de la línea de  succión
Una vez que hemos definido la configuración de partida y hemos seleccionado los compresores el siguiente paso es definir la línea de succión.
En la línea de succión tenemos
  • Capacidad de enfriamiento.
  • Evaporadores de expansión seca.
  • Circuito secundario.
  • Perfil de la temperatura de evaporación.
  • Intercambiador de calor.
En la línea de succión definiremos la capacidad de enfriamiento real del sistema.  Esta capacidad la habremos calculado en función de las necesidades reales de la aplicación que estamos resolviendo, con medios alternativos y a partir de variables como:
  • Características del recinto a refrigerar. Si es por ejemplo una cámara frigorífica se requiere saber volumen, dimensiones, espesor de aislamiento, localización y temperatura ambiente.
  • Características del producto: Condiciones de conservación, contenido en agua, temperatura de congelación, calor de respiración, carga del producto, rotación diaria, entrada diaria del producto, tiempo de enfriamiento, temperatura de entrada y tipo de embalaje.Los cálculos de la aplicación nos permiten obtener las necesidades frigoríficas diarias y la potencia de funcionamiento necesaria en kW.
Nótese que una vez que se define la capacidad de enfriamiento, si añadimos más sistemas posteriormente, la capacidad de enfriamiento será automáticamente la misma para el sistema de referencia.
Cuando definimos la capacidad de enfriamiento, tenemos las siguientes opciones:
  • Perfil: Podemos especificar el perfil de carga para el sistema. El programa tiene un perfil predeterminado constante pero podemos definirlo por semana o por día.
  • Capacidad de dimensionado. Este valor define el tamaño del perfil seleccionado (el perfil es relativo). El programa automáticamente selecciona un valor, que es igual a la capacidad de dimensionado de la capacidad de los compresores.
  • Tamb at… Los últimos tres parámetros definen cómo el perfil seleccionado varía con las temperaturas ambientes.
Si el sistema tiene evaporadores de expansión seca, definiremos el recalentamiento total y el no útil. Si el recalentamiento total es de 20 K y el no útil es 10 k, lo cual significa que el recalentamiento en el evaporador es 10 k (recalentamiento útil), y el gas de succión de esta forma desde el evaporador al compresor se calienta 10 K (no sobrecalentamiento útil).
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