Guía de diseño de plantas enfriadoras (7ª PARTE)

Esquema de una planta enfriadora

Ver 6ª PARTE

Enfriadoras centrífugas

Las enfriadoras centrífugas tienen el mayor ratio de eficiencia de todas las enfriadoras. Están disponibles en tamaños que van desde las 80 a las 10.000 toneladas pero la mayoría de los tamaños comunes van de 200 a 2000 toneladas. Por encima de 2000 toneladas normalmente son fabricadas a medida del cliente. Están disponibles tanto en versiones de aire frío como de agua fría pero debido a sus COPs muy bajos y altos costes iniciales, las enfriadoras centrífugas de aire frío raramente se usan.

Las enfriadoras centrífugas están controladas con vanes guía de entrada que permiten una modulación tan baja como una capacidad del 10 al 15 % (con válvula de agua de condensador). Nótese que la eficiencia de la enfriadora cae severamente a bajas cargas. Puede añadirse un variador de frecuencia para realzar las características de operación en carga parcial y son a menudo efectivos en coste cuando se evalúan mediante un análisis del coste en el ciclo de vida. Además del ahorro energético, las enfriadoras centrífugas con variadores de frecuencia son más silenciosas en carga parcial y es probable que la vida útil sea superior. Pueden también usarse HGBP (Bypass de gas caliente) pero sólo será considerado si se requieren muy baja limpieza (a temperatura de condensador elevada).

Entre los distintos fabricantes existen diferencias en el producto, las más importantes son las siguientes:

• Transmisión de engranajes vs transmisión directa. Las enfriadoras de transmisión directa operan a 3600 rpm. Los engranajes permiten al impulsor rotar a velocidades de hasta 35.000 rpm. Esto permite utilizar los impulsores más pequeños, reduciendo el coste inicial de la máquina. Hay una pérdida de eficiencia en el tren de engranajes de 1,5 % a 2 %.También los engranajes tienen rodamientos adicionales y requieren el mantenimiento regular, que las máquinas de transmisión directa no requieren. La selección más apropiada de diámetro del impulsor y ratio de engranaje permite que las máquinas sean seleccionadas muy cerca de su nivel de alto rendimiento, mientras que las máquinas de transmisión directa, debido a las elecciones del diámetro del impulsor limitado, a veces se seleccionan varios puntos de eficiencia. Las máquinas de transmisión directa tienen a veces múltiples etapas (más de un impulsor). En esta situación, los economizadores pueden ser añadidos para realzar el rendimiento energético de la máquina.
• Transmisión abierta vs hermética: Las enfriadoras centrífugas herméticas tienen el motor totalmente encerrado dentro de la envolvente de la enfriadora. Los motores se mantienen limpios y se enfrían por el chorro de refrigerante. Las máquinas herméticas tienen una menor probabilidad de pérdidas de refrigerante que las máquinas abiertas. Los fallos de motor en las máquinas herméticas son casi siempre catastróficas, requiriendo paradas prolongadas y grandes gastos para resolver averías. Las máquinas de transmisión abiertas tienen el motor localizado fuera de la envolvente. Los ratios de eficiencia no incluyen pérdidas del motor (4 % a 5 % en máquinas más grandes). El calor desde el motor de transmisión abierta debe extraído de la sala de máquinas, que usualmente requiere enfriamiento mecánico adicional. En caso de fallo del motor catastrófico, las máquinas de transmisión abiertas pueden repararse y colocarse en servicio de una forma relativamente fácil, mientras que la máquina hermética requerirá una mayor atención. Afortunadamente los fallos de motor son raros. Las máquinas de transmisión abierta tienen sellos que pierden y están sujetos a fallos.
• Orificio fijo vs válvula de flotador. Cuando un orificio fijo se usa como dispositivo de expansión térmica, debe mantenerse una presión diferencial mínima entre el condensador y el evaporador para asegurar el caudal más apropiado de refrigerante. Esto puede limitar el grado de alivio de agua del condensador que puede obtenerse durante momentos fuera de pico, con la consecuencia de que la máquina no tendrá un buen rendimiento en carga parcial como el que tiene una máquina con válvula de flotador.
• Retorno del aceite: Las enfriadoras pueden tener una bomba de aceite, pero la mayoría requieren una presión diferencial mínima entre el condensador y el evaporador para asegurar un caudal de refrigerante apropiado. Esta condición es a menudo ejercida por el fabricante requiriendo un mínimo de 20 ºF entre la temperatura del agua fría dejando y la temperatura del agua entrante del condensador. 

Procedimiento de diseño de plantas de enfriamiento

En la figura con la que abrimos el artículo mostramos un esquema de una planta de enfriamiento simple sirviendo como unidad de manejo de aire. Los costes de operación incluyen los de los componentes de la planta de enfriamiento (enfriadora, bombas de condensador y enfriadora, torre de refrigeración y los de los ventiladores del sistema de manejo de aire. Todos estos costes pueden ser afectados por las decisiones de diseño de la planta, tales como la temperatura de agua fría. La optimización rigurosa del coste del ciclo de vida del sistema requiere un modelo matemático de cada uno de los componentes del sistema y opciones de diseño posibles, describiendo exactamente y definiendo su rendimiento de operación y primeros costes.

Además, es posible optimizar parcialmente la planta enfriadora con un esfuerzo razonable. La clave es descomponer la planta enfriadora en subsistemas y luego optimizar dentro de los subsistemas. La planta no será completamente optimizada debido a la interacción compleja entre subsistemas, pero el resultado se acercará al óptimo.

Antes de comentar un proceso de diseño, sin embargo, es necesario primero des desarrollar los perfiles de carga. Es también esencial que el diseñador tenga un buen conocimiento sobre el equipo de planta de la enfriadora y de los sistemas de distribución de agua.

Para la mayoría de las plantas de enfriadora, el diseño óptimo puede alcanzarse por el siguiente procedimiento paso a paso:

1. Seleccionar la configuración del caudal del sistema de distribución de agua fría.
2. Seleccionar las temperaturas de agua fría, caudal, tamaño de tubería primaria.
3. Seleccionar opción de control de velocidad de la torre, eficiencia, rango de temperatura del agua del condensador y temperaturas aproximadas, para hacer una selección de la torre de enfriamiento preliminar.
4. Seleccionar enfriadora usando especificación de rendimiento y análisis del ciclo de vida.
5. Ajustar el dimensionado de la torre y número de celdas si es necesario.
6. Finalizar el diseño del sistema de tuberías y seleccionar las bombas.
7. Desarrollar y optimizar las secuencias de control.

De nuevo, la solución ideal es optimizar todos los componentes de la planta simultáneamente, pero eso usualmente no es práctico. Incluso con la aproximación simplificada dada aquí, algunas interacciones son tan importantes que no pueden ser enteramente independientes de otras interacciones.

Ver 8ª PARTE