Cómo diseñar sistemas de bombeo solar

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Cómo diseñar sistemas de bombeo solar 

 

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INTRODUCCIÓN AL BOMBEO SOLAR. .
Una interesante aplicación de la energía solar es el bombeo de agua de pozos o simplemente la elevación de agua para llenar un embalse u otro usos. Esta aplicación es especialmente interesante en comunidades que viven en el mundo rural donde no hay disponibilidad de energía eléctrica convencional y se tiene que recurrir a los derrochadores generadores a base de hidrocarburos. .
Cuanto más remoto es un lugar más costoso es transportar combustible para las estaciones de bombeo y ahí precisamente son eficaces las bombas solares. .
El ahorro energético que podemos conseguir sustituyendo sistemas convencionales es realmente importante. Pero para maximizar el ahorro energético hay que entender algunos conceptos que nos ayudarán a diseñar la aplicación más económica. .
Una pequeña estación solar de bombeo tiene un precio muy similar a la de las aplicaciones convencionales, por lo que se trata de una solución muy ventajosa ya que nos evitamos el consumo de combustibles fósiles. En lugares remotos es más ventajoso aún puesto que el coste del transporte de combustible suele ser alto. La actual tendencia es que el bombeo de agua mediante tecnología fotovoltaica es ya bien rentable frente a otras tecnologías como las bombas de queroseno, diésel o gasolina. .
Otra de las grandes ventajas del bombeo eólico es que la energía no necesita ser almacenada, por lo que evitamos gran parte de los costes que acompañan a las energías renovables. El agua se extrae cuando el generador tiene capacidad para accionar la bomba y el resto del tiempo simplemente se parar. Ya que el agua el agua al contrario que la enegía puede almacenarse sin pérdidas apreciables, ganamos de esta forma gran eficiencia respecto a otros métodos.

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CONFIGURACIÓN DEL SISTEMA DE BOMBEO SOLAR.La generación de energía con paneles fotovoltaicos puede hacerse tanto con instalaciones fijas como móviles. En lugares donde no sea prudente que los paneles solares queden sin ser atendidos pueden construirse soportes transportables que incluso pueden incorporarse sobre vehículo. El uso de bombas de corriente continua permite empezar a extraer agua con potencias tan pequeñas como 96 Wp, lo cual supone que con un solo panel solar dispondremos de energía suficiente como para empezar a bombear agua. Gracias a que no perdemos con la conversión de la energía, utilizando bombas de corriente continua podremos empezar a bombear 440 litros de agua a la hora desde 6 metros de profundidad con tan solo esa energía. Pero el mismo sistema nos permitirá trabajar a grandes profundidades, aunque en ese caso solamente bombeará 82 litros a la hora desde 70 metros de profundidad. . SOBRE EL DISEÑO
. PASO 1 - PROCURAR CALCULAR EL MENOR CAUDAL POSIBLE

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El sol es un recurso continuo, y sin embargo el agua no suele requerirse más que en momentos puntuales. Es por ello que como norma general las bombas solares serán mucho más efectivas si se usan para llenar aljibes o depósitos y luego disponemos el agua cuando la vayamos necesitando. Las bombas solares pueden trabajar durante todo el año sin que gastemos un céntimo en combustible, y si disminuimos el caudal la bomba será más barata y necesitaremos menos capacidad de panel. .

PASO 2 - DETERMINAR LOS LITROS DE AGUA QUE NECESITAMOS BOMBEAR AL DÍA. .
A partir de este planteamiento de optimizar el consumo, calcularemos la cantidad de agua que necesitamos bombear al día. Este dato es el que realmente necesitamos calcular. Si necesitamos la bomba por ejemplo para una aplicación de riego, podremos ir llenando la balsa durante meses hasta que necesitemos utilizar el agua. Esto permite diseñar sistemas de bombeo muy económicos para aplicaciones que requieran bastante consumo de agua pero en poco tiempo.

Si el clima es predecible, con radiación solar elevada durante todo el año, podremos usar un pequeño sistema de bombeo para almacenar agua en grandes cantidades, y luego usarla cuando se necesite: llenar cisternas, aplicaciones de riego, etc. Si por ejemplo un cultivo se riega una vez a la semana podremos calcular el tiempo que tardará en llenarse el embalse.

Una estimación de consumo de agua diario puede ser la siguiente:

• Cada persona consume entre 190 y 300 litros.
• Vaca unos 132 litros.
• Caballo entre 38 y 75 litros.
• Oveja unos 8 litros.
• Cerdo unos 16 litros.
• Cien gallinas unos dieciséis litros.

Si vamos a utilizar el agua para regar cultivos, los criterios que podemos usar para calcular el agua que necesitamos diariamente (en el periodo de riego) son los siguientes:

• Arroz: Unos 100 m3/hectárea.
• Granja: Unos 60 m3/ha.
• Cereales: 45 m3/ha.
• Caña de azúcar: 65 m3/ha.
• Algodón: 55 m3/ha

PASO 3 - DETERMINAR EL ALMACENAMIENTO

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Diseñar un sistema de generación mediante bombeo solar requiere un almacenamiento que permita guardar el agua para cubrir las necesidades. Para ello debemos diseñar un sistema de almacenamiento acorde con las necesidades de cada usuario.

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Almacenando agua nos protegeremos cuando la bomba no funcione por falta de sol. Si el agua se utiliza para riego pueden llenarse los depósitos con bombas de bajo caudal y usar el agua cuando llegue el momento.

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Los depósitos para almacenamiento de agua pueden estar construidos de acero, cloruro de polivinilo (PVC), fibra de vidrio, hormigón, o albañilería. El acero, la fibra de vidrio, y los depósitos de agua en PVC, se usan en sistemas tanto eólicos como de energía solar.

Los depósitos de agua pueden construirse subterráneos, elevados sobre el suelo, o en la superficie. Los depósitos de hormigón se recomiendan para almacenamiento de agua bajo el suelo en climas cálidos ya que mantienen el agua fría. Los depósitos de acero pueden oxidarse fácilmente cerca del mar, por lo que deben protegerse con tratamiento anti-óxido.

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Si el agua se usará para riego puede construirse un pequeño embalse, en cuyo caso debe estar impermeabilizado para reducir el tamaño del generador fotovoltaico.

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El uso de las láminas de plástico para la impermeabilización del terreno y acumulación de agua ha sufrido una amplia expansión en todo el mundo y el proceso aún no ha terminado, pues evoluciona paralelamente a la creciente escasez de pluviometría en las zonas de cultivo con clima suave.

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Para distribuir agua a una comunidad rural lo aconsejable es primero bombear a un tanque elevado y de ahí distribuirlo. .

PASO 4 - CALCULAR LA ALTURA.

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El siguiente paso es un factor muy importante en el diseño. Se trata de estimar la presión efectiva con la que la bomba puede operar. Esta presión se mide en altura que se expresa en pies o en metros. Para estimar las necesidades debemos sumar:

• Nivel de bombeo: Es el nivel al que está el agua que debemos bombear.
• Elevación vertical: La elevación entre la tubería de descarga de la bomba y el punto de uso. Pueden ser muy pocos metros o puede ser necesario subir el agua a una colina.
• Pérdidas por fricción: En la mayoría de los casos, las pérdidas por fricción pueden simplificarse.

Si el depósito de almacenaje del sistema se localiza cerca del pozo, 9 metros o menos, y se usa el tamaño de tubería recomendado, puede usarse una norma simple. En los casos en los que el depósito se localiza lejos del pozo, más de 10 metros, pueden usarse cálculos más exactos basados en la longitud de la tubería, el número y tipo de accesorios y el caudal. .

PASO 5 - CONFIGURACIÓN

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En algunas aplicaciones quizás necesitemos disponibilidad de agua constante, pero en otras no será necesario. Todo ello deberemos valorarlo para decidir si colocamos o no una batería que consiga bombear también en días nublado. Si no colocamos la batería, en días nublados el sistema no funcionará. Será cuestión de ver cada aplicación. Si por ejemplo es una aplicación de riego, los días nublados disminuye la evaporación y por tanto no importará que retrasemos algún día el riego. .

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El subsistema motor-bomba incluye motor, bomba, y acoplamiento. Varios tipos de bombas y motores pueden usarse en aplicaciones de bombeo fotovoltaico, dependiendo siempre del tipo de aplicación y la demanda de agua. .

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Diferentes tipos de bombas y motores están disponibles en aplicaciones de bombeo de agua dependiendo de los requerimientos de agua, la altura de bombeo, la altura de succión (para bombas en superficie) y recursos de agua. Los tipos más comunes de acoplamiento usados para bombear agua son correas y poleas, tornillos de accionamiento, acoplamiento directo (cremallera y piñón o pernos y bridas), y transmisión de engranaje. La eficiencia del mecanismo de transmisión depende del ratio de acoplamiento, que es el ratio del par del motor respecto al par de la carga. En acoplamiento directo de la transmisión las pérdidas son tan solo de un 2 %. Sin embargo, las pérdidas en casos de reducción directa de la velocidad son de un 40 %. Las transmisión de energía en caso de transmisión con engranajes, que depende del diseño de la caja de engranajes, del ratio de engranaje, y del tamaño del motor en relación con la reducción de velocidad, puede ser muy alta. .

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Veamos algunas configuraciones en suministro de agua solar típicas usadas en bombeo solar: .

• Bomba sumergida con motor montado en superficie: estas bombas fueron de uso común en lugares remotos, como aplicaciones en el Sahel (África subsahariana) en los años 70. La ventaja es que da fácil acceso a las escobillas del motor para su cambio y otras operaciones de mantenimiento. Pero tiene como desventaja las pérdidas de energía en los rodamientos del kgb y los altos costes de instalación. En General esta configuración sea reemplazado ampliamente por grupos de motor y bomba sumergidos.
• Grupo motor bomba centrífugo multi etapas sumergido: este tipo es probablemente la configuración más común en suministro de agua solar. Las ventajas de esta configuración son que es fácil de instalar, admitieron tuberías flexibles y la bomba sumergida queda lejos de posibles daños. Pueden utilizarse bombas AC o DC. Los motores DC usan escobillas que deben reemplazarse aproximadamente cada dos años. Otros motores apropiados para esta aplicación son los DC sin escobillas que requieren conmutación electrónica. El sistema más comúnmente empleado consiste en una bomba AC y un inversor con una configuración fotovoltaica inferior a 1.500 Wp.
• Grupo bomba-motor flotante: la versatilidad de las unidades flotantes las hacen ideal para aplicaciones de bombeo en canales y pozos abiertos. La bomba es fácilmente transportable y hay poco riesgo de que la bomba trabaje en seco. La mayoría de estas configuraciones utilizan bombas centrífugas sumergidas de una etapa. El tipo más común utiliza un motor DC (conmutado electrónicamente) sin escobillas.
• Bomba de desplazamiento positivo recíproco: La bomba de desplazamiento positivo recíproco (conocidas como jack o nodding donkey) son muy adecuadas para de elevadas alturas y bajo caudal. El rendimiento es proporcional a la velocidad de la bomba. En alturas elevadas las fuerzas de fricción son bajas comparadas con las fuerzas hidrostáticas y a menudo hecho hace que las bombas de desplazamiento positivo sean más eficientes que las bombas centrífugas para esta situación. Las bombas de desplazamiento positivo recíprocas crean una carga cíclica en el motor que, para operaciones eficientes, necesita ser equilibrada.
• Grupo bombas de succión: Este tipo de bombas no se recomienda salvo en aplicaciones en las que el operador pueda estar siempre atendiendo. Aunque el uso de cámaras primarias y válvulas de no retorno puedan prevenir pérdidas de impulsión, en la práctica se experimentan problemas de autor arranque e impulsión.

PASO 6 - DETERMINAR LA CAPACIDAD TOTAL

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Con la secuencia anterior de acciones estaremos en condiciones de determinar el equipo que necesitamos para nuestra aplicación. Realmente es el caudal lo que finalmente nos determinará el tamaño de la instalación definitiva, es decir, el volumen de agua que necesitemos diariamente. Están disponibles bombas que pueden trabajar con alturas de hasta 200 m y caudales de hasta 250 m3/día. .

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Hemos hablado de algunas de las aplicaciones básicas de la energía solar para proporcionar soluciones de bombeo, pero hay muchas más. Por ejemplo, la bombita mostrada en la imagen permite tomar agua de una piscina o depósito similar y colocar un sistema de riego automático por aspersión, y lo mejor de todo, sin instalación alguna. .

PASO 7 – ESTIMACIÓN DE LOS RECURSOS SOLARES

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Los datos de radiación solar no suelen estar disponibles en muchas zonas remotas donde se requiere el bombeo solar, por lo que debemos considerar en el cálculo que los datos no serán necesariamente exactos. .

Si trabajamos en un proyecto grande es interesante hacer algunas mediciones directas y para ello varios instrumentos están disponibles.
PASO 8 - TECNOLOGÍAS DE BAJO COSTE .

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Un paso necesario para hacer que esta tecnología sea accesible a las comunidades remotas ha sido el lanzamiento al mercado de paneles solares de bajo coste. El único problema de estos paneles, normalmente de telururo de cadmio el único problema que tienen es que requieren una superficie superior, pero en las comunidades remotas el espacio no suele ser un problema. .

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Las bombas pueden usarse directamente bombeando agua y utilizando un controlador del sistema de energía solar y un inversor. Las bombas utilizadas son sumergibles monofásicas o trifásicas. .

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Otra forma de minimizar el coste del sistema es utilizando bombas de velocidad variable. Si bien estas bombas son más caras, pueden variar su funcionamiento adaptándose a la producción del sol y por lo tanto consiguen extraer más agua ya que trabajan en periodos de menor radiación solar. Adicionalmente, las capacidades de tracking de energía permiten que el controlador se ajuste de manera constante a la producción pico de la radiación solar. .

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Los controladores actuales pueden llegar a alcanzar una eficiencia en la conversión de potencia que llega al 97 %, que es superior a la tecnología de inversores convencionales. . .,

EJEMPLOS DE APLICACIÓN EN PAÍSES POBRES .

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En los países pobres más de 1.100 millones de personas tienen acceso inadecuado al agua limpia, y lo peor es que su número sigue aumentando al no haber infraestructura eléctrica disponible. Es muy costoso hacer un pozo y más costoso aún extraer el agua de grandes profundidades. Veamos algunos ejemplos de bombeo solar en proyectos que se vienen realizando en lugares con difícultades. ,

Uganda

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Uganda es un país donde la mayor parte de la población no está conectada a las redes de distribución, ni siquiera muchas ciudades. En la ciudad de Kitgum, a 300 km al norte de Kampala, un proyecto proporciona agua a la comunidad generada con energía solar. El sistema de bombeo dispone de unidades de 10.000 vatios que proporcionan 26.500 galones al día (100 m3). Ello nos da que con 100 vatios se pueden extraer en promedio 1000 litros de agua. .

Otra unidad en la misma ciudad produce 60 m3 al día. Una tercera unidad de 5.000 vatios fue instalada en Nyapea para proporcionar agua a un hospital principal. .

Eritrea.

En Eritrea también se están construyendo estaciones de bombeo (diez por el momento) para proporcionar agua a comunidades ubicadas en lugares remotos.

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La elevada radiación solar de los países tropicales nos da como resultado que la construcción de un sistema de generación solar de este tipo puede hacerse de forma que obtener 1.000 litros de agua al día cuesta tan poco como 100 euros. O sea, el coste de la energía solar actual permite conseguir diez litros al día con tan solo un euro por lo cual podemos obtener el litro de agua potable por tan solo 10 céntimos el litro (nos referimos al coste de la inversión en generación) Es muy importante indicar que los costes los de generación, con sistemas que no requieren mantenimiento ni tampoco combustible. El coste supone que con una inversión de 10 céntimos obtenemos al año 365 litros de agua si la radiación solar es buena. .

Evidentemente hablamos solamente del sistema de paneles solares y costes en origen, pero el desplome de los precios de la energía solar está desde luego haciendo que esta forma de obtener agua sea accesible a cada vez más personas.

 

Enfriadora de adsorción de silica gel

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Enfriadora de adsorción de silica gel/compacta para sistemas de enfriamiento solar

Principio básico de la enfriadora de adsorción .

El proceso básico de la refrigeración de frío es la compresión de un fluido refrigerante, que origina la evaporación del líquido a baja temperatura y presión y condensación del vapor a temperaturas y presiones más altas. En vez de presión mecánica como los acondicionadores de aire, las enfriadoras térmicas usan energía térmica para la compresión del fluido. .

El principio básico de la compresión térmica es la ab- adsorción del refrigerante en un material líquido o sólido. Mientras que las enfriadoras de absorción usan bromuro de litio líquido en las enfriadoras de adsorción se usan adsorbentes sólidos como silica gel o zeolitas. En ambas máquinas, el refrigerante es agua, lo cual genera que la máquina tenga que ser operada a muy bajas presiones en un contendor de vacío. .

Algunas enfriadoras ( p. ej. SorTech) usan silica gel como adsorbente. Silica gel es un vidrio poroso con una alta capacidad de adsorber vapor de agua. Por ese motivo se usa como desecante en varias aplicaciones. .

El adsorbente es secado por la entrada de calor. El vapor de agua queda libre, fluye en el condensador y es licuado por emisión de calor. Cuando el material se seca, la entrada de calor en el adsorbedor se para y cierra la válvula de control superior. .

Después de la fase de enfriamiento se invierte la reacción y comienza la evaporación del condensado del líquido. .

La válvula de control inferior al evaporador se abre y el adsorbente seco aspira el vapor de agua. En el evaporador, el agua se evapora y genera frío, que puede usarse para aire acondicionado. .

Durante el proceso de absorción el calor se rechaza por lo cual tiene que ser disipado. .

En la última etapa, el condensado del líquido retorna al evaporador y el circuido se cierra. En orden de alcanzar una producción de frío continua dos adsorbedores trabajan en combinación, es decir, un adsorbedor des-absorbe mientras el otro adsorbedor genera frío por adsorción.

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Principios de construcción .

SorTech AG ha desarrollado y patentado dos principios de construcción, importantes para alcanzar un diseño de enfriadora compacto de peso ligero. .

Revestimientos de intercambiadores de calor de adsorbedor con silica gel. .

Silica gel típicamente se vende en pequeños pellets circulares con diámetro entre 1 y 3 mm. .

Generalmente, la transferencia de calor y masa en un lecho sólido de pellets de silica gel es muy baja. Por lo tanto, es crucial para realzar la densidad de potencia de las enfriadoras de adsorción aplicando el gel directamente en la superficie del intercambiador de calor del adsorbedor. .

En esta etapa se mejora considerablemente la transferencia de calor entre los pellets de silica gel y la pared del intercambiador de calor, la transferencia de masa entre los pellets de silica gel y las paredes del intercambiador de calor, y la transferencia de masa del vapor de agua en los poros de silica gel.

SorTech AG ha desarrollado el proceso que permite pegar la superficie del intercambio de calor con pellets de silica gel con ayuda de resina epoxi sin bloquear la entrada de los poros en los pellets. En general, a esta técnica pueden aplicarse todo tipo de gránulos. .

Construcción de auto-soporte compacto .

Uno de los mayores problemas de la construcción de enfriadoras de adsorción es la necesidad de diseñar un recipiente de vacío conteniendo los intercambiadores de calor del adsorbedor, el evaporador y el condensador.

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Las normas de diseño de recipientes a presión de vacío dan como resultado construcciones voluminosas y pesadas debido a la demanda de estabilidad contra la presión atmosférica. .

Para superar esta desventaja se desarrolló un diseño, donde los intercambiadores de calor y la construcción interna de la máquina se usa como soporte para la envolvente de adaptada para el vacío. Este uso dual permite aplica láminas metálicas de acero inoxidable delgadas para contener el vacío. Este diseño es muy simple y ligero por lo que conseguimos ahorrar material y volumen, lo cual es un paso importante para la construcción de una enfriadora de adsorción. .

La primera generación del producto .

Al comienzo de 2008, SorTech AG definió un primer producto denominado ACS 08, una máquina con una capacidad de enfriamiento de 7,5 kW y COP térmico de 0,56. El circuito enfriamiento trabajaba a 18/15 °C a 2.0 m³/h. .

La máquina puede también usarse bajo otras condiciones de temperatura. .

SorTech AG proporciona un programa Excel para el cálculo de la capacidad de enfriamiento y el COP bajo todas las condiciones de temperatura. .

El control de la enfriadora de adsorción se gestiona de esta forma, es fácil operar la máquina bajo carga parcial. El ciclo de adsorción-desorpción del sistema se ajusta automáticamente a la demanda de enfriamiento. Por lo tanto, bajo ciertas condiciones de temperatura no hay un valor único sino un rango de COP y capacidades de enfriamiento bajo las que trabaja la máquina.

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Diseño del sistema .

SolarNext AG ha desarrollado chillii® Solar Cooling Kits basasados por ejemplo en el chillii® STC8. El sistema de enfriamiento básicamente incluye colectores térmicos solares, almacenamiento de agua caliente, bombas, un anfrieaodr, un re-enfriador, almacenamiento de agua fría y control del sistema. Para el desarrollo de tal sistema de enfriamiento solar es indispensable usar un controlador para el sistema completo. .

El rango funcional del chillii® System Controller contiene el control de diferentes fuentes de calor (ej. Calor solar, calor de residuos CHP, etc.), el sistema de apoyo (ej. caldera de gas/oil o caldera de madera, o recuperador del calor de escape), la gestión del almacenaje, el agua caliente, la enfriadora y re-enfriamiento (ej. enfriador húmedo, seco e híbrido), además de los circuitos de calentamiento y enfriamiento. .

Así la eficiencia del sistema se alcanza con la generación de energía necesaria con prioridad en fuentes de energía regenerativas, con un funcionamiento de la enfriadora optimizado y refrigeración con control de velocidad de las bombas y el ventilador de re-enfriamiento.

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Costes .

El valor promedio de superficie de colector de los sistemas de refrigeración instalados en Europa (rango de capacidad pequeño a grande) es alrededor de 3 m²/kW. Un valor de 3,5 a 4,5 puede considerarse como un valor de referencia para absorción térmica a pequeña escala. .

Los costes totales específicos de los sistemas de refrigeración (sin costes de instalación y distribución del frío) están en Europa entre 5.000 y 8.000 €/kW (datos de 2008). Estos precios están bajando y se espera se sitúen a 3.000 €/kW.

Eficiencia energética con aire acondicionado central

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Eficiencia energética con aire acondicionado central

El aire acondicionado central está diseñado para enfriar una casa completa. Un compresor y condensador se localiza en el exterior y se conectan por líneas de refrigerantes a un evaporador montado en el interior. El mismo sistema de tubos se usa tanto para la distribución del aire caliente como frío.

Forma de trabajar un acondicionador de aire central

Un acondicionador de aire central usa la energía para para alejar el calor. El tipo más común usa el ciclo de compresión de vapor, para transferir el calor de la casa al exterior.

El ciclo de compresión pasa el refrigerante líquido a través del dispositivo de expansión, transformando el líquido a una mezcla de gas/líquido de baja presión. En el evaporador del interior, el líquido restante absorbe el calor del aire de la casa y se transforma en un gas a baja temperatura.

El gas a baja temperatura es comprimido por el compresor que reduce su volumen e incrementa su temperatura, causando que se transforme en vapor de alta presión y alta temperatura. Este vapor se envía al condensador exterior donde su calor se transfiere al aire del exterior, y el refrigerante se condensa en un líquido. El líquido retorna al dispositivo de expansión y el ciclo se repite.

El aire de la casa se enfría y deshumidificado pasa sobre el evaporador del interior. La humedad se extra del aire cuando entra en contacto con el evaporador y se colecta para ser drenado

Consideraciones de eficiencia energética

La consideración más importante sobre la selección de los equipos es la elección de un equipo de aire acondicionado con EER (o SEER) tan alto como sea posible, teniendo en cuenta el presupuesto disponible. La eficiencia de un acondicionador de aire central queda afectado por las características y componentes elegidos por el fabricante. El SEER de un acondicionador de aire central tiene un rango que va de 10.0 a un máximo de aproximadamente 17.00.

Los compresores más eficientes y efectivos son los que tienen superficies de intercambio de calor más grandes, flujo de refrigerante mejorado y otras características tecnológicamente avanzadas.

Los compresores recíprocos avanzados, scroll y de velocidad variable o dos velocidades, cuando se combinan con los mejores intercambiadores de calor y controles, permiten que el SEER sea tan alto como 17.0.  Los equipos de aire acondicionado con SEERs más altos usan compresores de alta eficiencia de dos velocidades o de velocidad variable

Consideraciones de sonido

Los acondicionadores de aire centrales deben seleccionarse con los niveles de ruido lo más bajos posibles. Los nuevos diseños ofrecen a menudo bajos niveles de ruido.
Consideraciones sobre el tamaño

Las cargas de enfriamiento deben ser calculadas en todos los casos, y no deben usarse asunciones simples para estimar los tamaños.

Si la unidad está sobredimensionada se producirá un acortamiento en los ciclos de operación, por lo que la humedad no se eliminará adecuadamente. Si la unidad es pequeña ello originará una incapacidad para alcanzar una temperatura confortable en los días calientes.

Con un sistema de acondicionamiento de aire central, el coste del equipo será más proporcional al tamaño. Un sobredimensionado innecesario incrementará el precio de compra y aumentará el ciclo on-off, por lo que disminuirá la eficiencia.

Consideraciones de instalación

Las consideraciones más importantes sobre la instalación de aire acondicionado central son las siguientes:

• Entre las consideraciones más importantes a destacar mencionamos que el compresor debe estar protegido del sombreado directo del sol.
• Localizar la unidad exterior donde el ruido no sea un problema para los vecinos.
• Las líneas de refrigerante deben ser tan cortas como sea posible, y al atravesar los muros deben estar bien empaquetados.

Consideraciones de operación

En interés de la eficiencia energética, se usará acondicionador de aire central solamente cuando la velocidad sea inadecuada para asegurar unas condiciones confortables. La ventilación natural de la casa en la noche, cuando está relativamente fría, combinada con cerrar la casa durante las horas de calor y hacer funcionar el acondiciondor de aire central puede ser una estrategia efectiva.

El termostato interior se colocará en el rango de 22 - 25 ºC, dependiendo de los requerimientos de control. Si el nivel de humedad es más bajo, la posición del termostato será el nivel superior. Los niveles de humedad pueden reducirse usando un ventilador en el baño y venteando la cocina.

La operación de ventilador puede mantener la temperatura más uniforme en la casa eliminando las diferencias de temperatura debido a la estratificación. Puede también ayudar a mantener la vivienda más limpia, especialmente si hay limpiadores de aire electrónicos instalados.

Sin embargo, la operación del ventilador de interior puede incrementar los costes de operación. En climas más húmedos, la humedad eliminada durante la operación del compresor es re-evaporada por la operación del ventilador cuando el compresor está apagado. Esto incrementa los niveles de humedad y causa disconfort.

Eficiencia energética estimando pérdidas de refrigerante

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Eficiencia energética estimando pérdidas de refrigerante 

 

La gestión del refrigerante en los equipos de enfriamiento es el mantenimiento preventivo más importante para mantener el equipo en máxima eficiencia. Es importante decir que siempre debe funcionar el equipo con la cantidad correcta de refrigerante. Ni mucho ni poco. También debe asegurarse que nada entra en el sistema de refrigeración sino un refrigerante. En este capítulo explicamos medidas comunes para gestionar estas actividades.

Estas medidas pueden también reducirá fallos costosos en los equipos, y extenderá la vida útil del equipo. Mantener la eficiencia y evitar daños en el equipo son cuestiones relacionadas con la gestión de refrigerantes.

Las pérdidas son la principal causa de problemas relacionados con los refrigerantes. No es usual en las enfriadoras perderá grandes cantidades de refrigerante. Las viejas centrales de refrigeración no bien mantenidas pierden una fracción sustancial de carga de refrigerante a lo largo del año. Los equipos nuevos quieren una cantidad menor pero todos pueden desarrollar pérdidas que necesitan ser reparadas. Sólo los sistemas pequeños completamente herméticos son inmunes a las pérdidas,  e incluso estos pueden sufrir fallos de uniones soldadas que permiten pérdidas.

TIPOS DE PÉRDIDAS

Hay tres modos para controlar las pérdidas del sistema: pérdidas de refrigerante, pérdidas de aire y vapor de agua en el sistema, y pérdidas de agua en el sistema. Estos problemas pueden ocurrir o no según las características de presión del refrigerante y el diseño del sistema.

Pérdidas de refrigerante

La localización de pérdidas de refrigerante tiene un importante efecto en el consumo energético de la instalación frigorífica, veamos en qué partes del circuito suelen producirse en la práctica.

Si la presión del refrigerante en el interior del sistema es mayor que la presión atmosférica, el sistema puede perder refrigerante. La pérdida de refrigerante causa una operación ineficiente de todo el sistema de enfriamiento.

Para incrementar la presión, los refrigerantes comunes son siempre de alta presión. Las presiones de vapor de estos refrigerantes están por encima de la atmosférica incluso en el lado de succión del compresor.

Algunos refrigerantes de baja presión operan a presiones superiores a la atmosférica en el lado de descarga del compresor, lo cual incluye al condensador. Por tanto, el lado de alta presión de estos sistemas puede perder refrigerante.

Los refrigerantes de baja presión ser pierden en el sistema por la acción de las unidades de purgado, que se requieren en todos los sistemas que usan refrigerantes de baja presión. Esto no es una pérdida que en el sentido, pero tienen el mismo efecto. La operación de las unidades de purgado está relacionada con las pérdidas de aire en el sistema.

El coste de sustituir el refrigerante perdido es significativo, por no hablar de las connotaciones ambientales de estas pérdidas. Y lo peor aún es que si no se controla el refrigerante, perdemos cantidades caras del mismo tendremos problemas de rendimiento en la instalación.

Pérdidas de aire y vapor de agua

El sí la presión del refrigerante en el interior del sistema es inferior a la atmosférica, puede entrar aire por las grietas del sistema, y el aire transporta a vapor de agua. La presencia de gases no refrigerantes reduce la eficiencia.

En las plantas frigoríficas que utilizan refrigerantes halocarbonados, la humedad y el aire pueden causar también serios daños. El aire y la humedad comienzan a daña el circuito de enfriamiento tan pronto como entran en el sistema, incluso aunque se hayan instalado unidades de purga para eliminarlos.

Pérdidas de agua en el sistema

En el caso de las enfriadoras de agua con condensadores de agua fría hay problemas adicionales provocados por las pérdidas de agua en el lado del refrigerante del sistema. Los daños provocados por el agua son los mismos que los generados por el vapor. Con pérdidas de líquidos de cualquier tamaño, los efectos pueden ser mucho más severos.

La ruta más probable de pérdidas de agua es a través del evaporador de una enfriadora de agua. Esta parte del sistema tiene una presión interna más baja. El factor crítico es el diferencial de presión en el evaporador cuando el compresor está funcionando. Incluso con algunos refrigerantes de alta presión, la presión del agua en el evaporador puede ser mayor que la presión del refrigerante. Esto se debe a que el evaporador puede estar sujeto a grandes presiones hidrostática del sistema alto de distribución de agua fría.

El agua puede también entrar en el sistema a través de un condensador de agua fría. Este riesgo existe principalmente en sistemas que usan refrigerantes de baja presión. La mayor parte de los refrigerantes de alta presión tienen una presión que es lo bastante alta como para resistir la entrada de pérdidas de agua en el condensador.

Para localizar pérdidas en el sistema de enfriamiento, recomendamos las siguientes localizaciones:

· Sellado de ejes de compresores con motores de transmisión externa.

· Ejes de operación para las aletas de vía de admisión en enfriadoras centrífugas.

· Cualquier mecanismo de movimientos que se transmita a través de la carcasa.

· Cajas de cableado que pasan a través del lado del refrigerante del sistema para motores internos, descargador es de cilindros, sensores, etc.

· Conexiones de carga.

· Huecos de medidores.

· Accesorios roscados.

· Juntas.

· Aletas de serpentinas de refrigeración, especialmente en conexiones soldadas.

· Uniones soldadas, especialmente en viejas unidades donde la corrosión interna puede haber penetrado al a través de las imperfecciones de la soldadura.

SÍNTOMAS DE PÉRDIDAS

El primer paso para gestionar las pérdidas es conocer dónde está el problema. En primer lugar debe mantenerse un registro continuo de la cantidad de refrigerante que debe usarse para rellenar el sistema. En sistemas con refrigerantes de presión positiva, las pérdidas de refrigerante es indican la existencia de grietas. En sistemas con refrigerantes de presión negativa, las pérdidas de refrigerante se indican una ineficiencia o disfuncionamiento de la unidad de purgado, o una pérdida de aire importante en el sistema.

En sistemas con unidades de purgado, debe registrarse el tiempo que la unidad de purga opera. Esto se debe a la presión parcial que los gases no refrigerantes añaden a la presión parcial de los gases del refrigerante.

Sí en el sistema cae la carga, la falta de refrigerante puede crear una caída de presión que enmascara la elevación de la presión causada por la presencia de aire. Esta es una condición de ineficiencia.

MÉTODOS PARA DETECTAR PÉRDIDAS

La mayoría de las pérdidas de refrigerante se producen muy lentamente, lo cual hace difícil su detención. Los métodos que pueden usarse para detectar pérdidas dependen del tipo de refrigerante y de la localización de la pérdida en el sistema. Algunos de los métodos comunes que podemos mencionar para detectar pérdidas son los siguientes:

· Apariencia visible de corrosión. Cuando el refrigerante se escapa se combina con vapor de agua en el aire y forman ácidos altamente corrosivos. Una estrategia es localizar componentes de acero con óxido y corrosión de color verde en aleaciones de cobre.

· Burbujas jabonosas: el uso de burbujas jabonosas puede ser interesante para detectar pérdidas de cualquier tipo de refrigerante. El procedimiento es humedecer el agua sospechosa y buscar burbujas. Incluso las grietas más pequeñas crean burbujas si la solución jabonosa proporciona suficiente cobertura. Este método puede fallar si la solución jabonosa drena o puede caer.

· Detector de ionización electrónico (electronic ionization detector): Es un nuevo tipo de ensayador de refrigerantes halocarbonados. Funciona y analizando el gas halocarbonado entre electrodos de platino cargados y sintiendo la ionización de la corriente. Es muy sensible.

· Tintes en el aceite refrigerante: es un viejo método que puede ser conveniente para refrigerantes que transportan aceite en el sistema. El cliente se desplaza con el aceite, y aparece en los puntos de pérdida. Hay tintes fluorescentes disponibles que pueden ser tan pequeños como una lámpara ultravioleta portátil.

· Olor: En refrigerantes, el amoniaco y otros gases de fuerte olor, pueden detectarse por este sistema la existencia de grietas lo bastante grandes.

PÉRDIDAS EN CONDENSADORES Y EVAPORADORES DE ENFRIADORAS

El refrigerante puede perderse en el agua del evaporador o condensador, y la primera pista será indirecta. Sí añadimos refrigerante y no encontrar pérdidas externas, sospecharemos que las pérdidas están en el lado del agua. Para localizar las pérdidas, se vaciará el evaporador o condensador y ensayará buscando pérdidas de refrigerante.

Un primer control de pérdidas en el evaporador puede hacerse usando detectores de pérdidas en el tanque el sistema de agua de venteo de agua fría. Este ensayo no puede detectar pequeñas pérdidas, y tampoco detectar refrigerantes que estén completamente disueltos o químicamente alterados por el agua.

Como un primer control de pérdidas en el condensador, puede usarse un detector de refrigerante sensible en el punto en donde el agua de enfriamiento o se bombea al a la torre de enfriamiento o en el punto de succión. Este ensayo no puede revelar pequeñas pérdidas.

Aplicando los diferentes sistemas de control de pérdidas puede conseguirse una mejora en la eficiencia que en promedio irá del 5 al 20 %

 

Propiedades del amoniaco como refrigerante

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Propiedades del amoniaco como refrigerante 

 

En varios artículos venimos hablando de las últimas tecnologías en refrigeración (ver "Controles de refrigeración PlantVisorPRO", "Refrigeración, seguridad y calidad de los alimentos", "Sobre las últimas tecnologías en compresores industriales y su eficiencia", "Enfriamiento por absorción utilizando biomasa como combustible", "Sobre las últimas tecnologías de licuefacción del gas natural", "La carrera por el desarrollo de sistemas de frío industrial ultra-eficientes"), y también lo hemos hecho del amoniaco como una de las tecnologías que pese a ser convencional están actualmente en auge ("Ventajas en costes y eficiencia energética del amoniaco como refrigerante" ). En este nuevo artículo volvemos al amoniaco pero en esta ocasión vamos a centrarnos en las propiedades de este agente químico como refrigerante.

El crecimiento del amoniaco está aumentando a nivel global, pues las restricciones ambientales a los refrigerantes clorados o fluroclorados han hecho emerger al amoniaco como un refrigerante que no contribuye a la disminución de la capa de ozono ni al calentamiento global. El amoniaco es un refrigerante eficiente usado en la preservación y procesado de alimentos, así como muchas otras aplicaciones en refrigeración y aire acondicionado. En la industria alimentaria el uso del amoniaco está muy extendido, alcanzando aproximadamente al 90 % de las instalaciones existentes. El amoniaco tiene características deseables como refrigerante que son conocidas desde hace aproximadamente un siglo, y la más importante de todas es que la eficiencia energética del amoniaco es mayor que el resto de los refrigerantes, por lo que utilizando amoniaco se consigue disminuir el consumo energético de la instalación. También el coste del amoniaco es una ventaja atractiva ya que es mucho menor al de cualquier refrigerante sintético. En términos generales cuesta entre el 10 y el 20 % menos en instalación.

Hay que indicar que el amoniaco es corrosivo y peligroso cuando se libera a la atmósfera en grandes cantidades, por lo que exige tomar precauciones especiales. Debido a su naturaleza irritante, las personas no pueden permanecer en atmósferas que contienen amoniaco por ser peligroso para la salud. Aunque el amoniaco puede arder en altas concentraciones, su ignición es difícil y la combustión no se mantiene si se retira la fuente de ignición.

Usos comunes del amoniaco

El amoniaco es un componente químico alcalino, sin color, que se reconoce por ser la base de muchos productos de limpieza doméstica, y también se utiliza en muchas aplicaciones agrícolas, industriales y comerciales. El amoniaco está disponible en cuatro grados comerciales – fertilizante, refrigerante, federal y metalúrgico – dependiendo del nivel de pureza.

El grado del amoniaco utilizado en refrigeración tiene un 99.98 % de pureza y está libre de agua y otras impurezas (máximo 150 ppm de agua, 3 ppm de aceite, 0,2 ml/g de no condensables). El amoniaco está siempre disponible, es barato, opera a presiones comparables con otros refrigerantes, y es capaz de absorber grandes cantidades de calor cuando se evapora. El amoniaco se produce en todo el mundo en unas cantidades estimadas de 100 millones de toneladas métricas.

Las aplicaciones más comunes del amoniaco son las de uso agrícola, sector que absorbe el 80 % de la producción de amoniaco. Las más comunes son las siguientes:

• Inyecciones directas en suelo como fertilizante (hasta 150 libras anuales por acre).
• Producción de urea (material cristalino sin color que está altamente concentrado, forma parte de los fertilizantes de hidrógeno y es fuente de proteína para la alimentación del ganado).
• Defoliante del algodón previo a la cosecha.
• Agente anti-hogos en ciertas fruta.

El 20 % restante del amoniaco fabricado comercialmente se utiliza en aplicaciones industriales, tales como:

• Inyección directa en control de la reducción catalítica selectiva de los óxidos de nitrógeno en emisiones de chimeneas.
• Inyección directa de hidróxido de amoniaco en emisiones de chimeneas para neutralizar óxidos de azufre de combustibles que contienen azufre.
• Componentes de nitrógeno para la fabricación de explosivos tales como TNT y nitroglicerina.
• Refrigerantes en ciclo cerrado en muchos sistemas de refrigeración industrial.
• Agentes neutralizantes para constituyentes ácidos en plantas de tratamiento de aguas residuales.

Menos del 2 % del amoniaco producido comercialmente en el mundo se utiliza como refrigerante.

Usos del amoniaco en refrigeración

Con el incremento de las regulaciones en el uso de los refrigerantes basados en clorofluorocarbonos (CFC), hidroclorofluorocarbonos (HCFC) e hidrofluorocarbonos (HFCs), y la eliminación por fases de CFCs y HCFCs, se investigaron activamente otros refrigerantes para su uso en los sistemas de refrigeración existentes. Los refrigerantes alternativos deben tener características termodinámicas similares a los halocarbonos y ser seguros para los humanos y el medio ambiente. El amoniaco es un refrigerante alternativo tanto para sistemas de refrigeración y equipos de aire acondicionado. Puede utilizarse además tanto en equipos nuevos como en los ya existentes. Tiene un punto de vaporización bajo (-33º C), un potencial de disminución de la capa de ozono cero cuando se libera a la atmósfera y un alto calor latente de vaporización (9 veces mayor que el R-12). Adicionalmente, el amoniaco en la atmósfera no contribuye directamente al calentamiento global. Estas características dan como resultado un refrigerante de alta eficiencia energética con mínimos problemas ambientales. Con un análisis económico puro, sin cargas reguladoras y necesarias, el amoniaco encontraría aplicaciones más amplias de las que actualmente disfruta. Conforme los códigos de diseño y pateado asumiendo la seguridad del amoniaco sus aplicaciones aumentando. Las aplicaciones de sistemas de refrigeración basados en el amoniaco incluyen sistemas de almacenamiento térmico, enfriadores para aplicaciones de aire acondicionado, supermercados, etc.

La seguridad del amoniaco

El amoniaco sólo es peligroso en altos niveles de concentración. Según la NIOSH, el nivel de concentración al que puede exponerse una persona durante 30 minutos sin protección respiratoria es de 500 partes por millón. El amoniaco es un gas irritante y esto ayuda a prevenir que alguna persona pueda exponerse a concentraciones peligrosas de forma inadvertida. El umbral de olor promedio de las personas es de cinco partes por millón, muy por debajo de las concentraciones peligrosas.

Las propiedades de auto alarma que tiene el amoniaco son conocidas virtualmente por todos los ingenieros, diseñadores, técnicos y mecánicos que trabajan con sistemas de amoniaco regularmente. Así, incluso las pérdidas más pequeñas se reparan rápidamente.

Los sistemas de amoniaco modernos son sistemas completamente cerrados con controles totalmente integrados, que regulan la presión en todo el sistema. Por ello los sistemas de refrigeración son seguros, y además cumplen códigos de diseño que son efectivos, maduros, constantemente actualizados y revisados. El mayor riesgo podría provenir de una posible explosión, pero para prevenirlo estos sistemas utilizan válvulas de seguridad que evitan cualquier sobrepresión. El método preferido para aliviar estas sobre presiones es la liberación directa a la la atmósfera. El amoniaco es más ligero que el aire (el peso molecular del amoniaco es 17, mientras que el peso molecular del aire es.

Aspectos ambientales

El amoniaco permanece en la atmósfera tan solo unos días por lo que se considera un gas biodegradable. Hasta tal punto esto es así que incluso se utiliza el amoniaco para reducir peligrosas emisiones de gases de chimeneas inyectando lo directamente en los gases de salida de las turbinas de gas y calderas.

En los últimos años hay una tendencia creciente a estimular el uso de amoniaco como refrigerante, estos estímulos vienen tanto de organismos internacionales como de las políticas de algunos países avanzados como Alemania.

 

Ventajas en costes y eficiencia energética del amoniaco como refrigerante

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Ventajas en costes y eficiencia energética del amoniaco como refrigerante 

 

Hace unos días hablábamos de eficiencia energética en centrales frigoríficas (ver “La carrera por el desarrollo de sistemas de frío industrial ultra-eficientes”), una cuestión clave en el difícil mundo de la gestión energética industrial. Continuamos hablando de eficiencia energética en el sector de la refrigeración industrial y esta vez hablamos brevemente de las propiedades que en esta disciplina aporta el amoniaco. El amoniaco es tóxico para las personas y ello hizo que fuese durante años el patito feo de la refrigeración, pero en los últimos años se ha demostrado que su utilización presenta excelentes ventajas ambientales y energéticas. El amoniaco de grado refrigerante contiene un 99,98 % de agua y otras impurezas puras. Es fácilmente disponible, barato, capaz de absorber grandes cantidades de calor y luego evaporarse. La presión de operación del amoniaco es comparable con la de otros refrigerantes, pero la capacidad para absorber grandes cantidades de calor por volumen hace posible se usen tuberías y componentes más pequeños lo cual supone un ahorro importante en grandes instalaciones. Las superiores propiedades termodinámicas del refrigerante hacen que se requiera menos energía cuando se usa en grandes sistemas industriales y que las emisiones de CO2 sean menores al requerir menos energía. También el amoniaco es eficiente en costes ya que con su utilización es posible ahorrar entre un 10 y un 20 % respecto a las instalaciones con refrigerantes convencionales. Termodinámicamente hablando la eficiencia del amoniaco es un 3-10 % superior a otros refrigerantes; y como resultado usan menos electricidad que otros refrigerantes industriales. También el coste del propio producto es un factor a tener en cuenta ya que es significativamente inferior al de otros refrigerantes industriales y a la vez se requiere una cantidad de amoniaco inferior.

 

Sobre las últimas Tecnologías de licuefacción del gas natural

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Sobre las últimas Tecnologías de licuefacción del gas natural 

El proceso de licuefacción del gas natural

El gas natural puede obtenerse directamente de la tierra como un flujo de fluido que debe ser procesado antes de su uso comercial. Normalmente el gas requiere primero un pre-tratamiento para quitar o reducir el contenido de impurezas tales como dióxido de carbono, agua, sulfuro de hidrógeno, mercurio, etc. Antes de ser transportado a su punto desudo el gas debe ser licuado (GNL), y de esa forma el volumen se reduce unas 600 veces. Puesto que el gas natural es una mezcla de gases, licua en un rango de temperaturas. A presión atmosférica, el rango de temperaturas usual en el que ocurre la licuefacción ocurre entre -165 ºC y – 155 ºC. Por otra parte, ya que la temperatura crítica del gas natural está entre – 80 ºC y – 90 ºC, el gas no puede licuarse solamente por compresión, es por lo tanto necesario usar procesos de enfriamiento. La tecnología de licuefacción del gas natural está en pleno desarrollo, y son muchos los avances en los últimos años. En este artículo revisamos los más recientes, y para ello hemos estudiado las últimas veinte patentes aprobadas en Estados Unidos. Sólo las últimas veinte, porque hay más de mil patentes que tratan sobre este proceso de enfriamiento.

Los diferentes refrigerantes usados en el proceso de enfriamiento

El enfriamiento del gas natural se consigue utilizando diferentes ciclos de enfriamiento. Podemos hablar por ejemplo del uso de refrigerantes gaseosos utilizados en intercambiadores de calor como medio para enfriar el gas natural, y del el método de tres ciclos de enfriamiento en cascada. En tales cascadas, la refrigeración puede ser proporcionada por metano, etileno y propano en secuencia. Otro sistema conocido usa gases de hidrocarburos como propano, etano y metano en un único ciclo y un ciclo de refrigeración de propano separado para proporcionar enfriamiento de la mezcla de refrigerante y gas natural. El uso de hidrocarburos como refrigerantes es peligroso especialmente en ambientes confinados.

Un método alternativo es el desvelado por la US Patent 6023942, que propone el uso de dióxido de carbono como refrigerante. Este método puede utilizarse en tierra pero presenta problemas en plataformas marinas. Ya que depende de un proceso de expansión en bucle abierto como medio principal para enfriar el chorro de GNL. Los procesos de expansión como este no permiten se alcancen temperaturas lo suficientemente bajas y por ello el GNL tiene que mantenerse a muy altas presiones para mantenerlo en forma de líquido. Por motivos de seguridad y económicos estas altas presiones no son apropiadas para ambientes industriales. Un método alternativo es la utilización de procesos basados en el ciclo del nitrógeno (ver US Patent 6631626), pero tiene la desventaja significativa de una eficiencia térmica mucho más baja que en un sistema basado en hidrocarburos. Asimismo, ya que el nitrógeno tiene una baja transferencia de calor, se requiere una gran área de transferencia de calor para disipar el calor residual del proceso en un medio de enfriamiento. Hay que indicar también que en cualquier proceso de licuefacción de chorros de GNL la presencia de nitrógeno es problemática debido a la solubilidad de estos componentes en el GNL presurizado. Además, las concentraciones elevadas de nitrógeno en el ciclo de metano abierto puede incrementar los requerimientos de refrigeración y originar varios problemas operacionales. En esta patente se describen algunos métodos para la retirada del nitrógeno. La US Patent 7386996 utiliza recientemente un nuevo proceso basado en dióxido de carbono como refrigerante pero con un circuito de pre-enfriamiento proporcionado con una disposición en cascada con el circuito de enfriamiento principal. Este ciclo evita el peligro de los hidrocarburos en el circuito de refrigeración principal, a la vez que reduce sensiblemente el consumo energético. Como indicábamos anteriormente, en una disposición en cascada, el circuito de enfriamiento se lleva a cabo por una serie de ciclos de refrigeración que están típicamente en forma de sistema de bucle cerrado. La disposición es tal que el chorro de gas pasa a través de una serie de intercambiadores de calor interrelacionados que están dispuestos de forma que al menos un chorro de refrigerante pasa a través de una pluralidad de intercambiadores de calor en secuencia. La configuración es tal que el chorro de gas natural pasa a través de una serie de intercambiadores de calor que son dispuestos de tal forma que al menos un chorro de refrigerante pasa a través de una pluralidad de intercambiadores de calor en secuencia. Preferiblemente dos o más chorros de refrigeración se usan y la disposición puede ser tal que el chorro pasa a través del intercambiador de calor

Circuito para el aprovechamiento del exceso de presión para realizar un trabajo

La US Patent 20060112725 ha desvelado recientemente un proceso de licuefacción de un chorro de gas natural comprende los siguientes pasos:

(a) Proporcionar el chorro de gas natural presurizado a una primera presión y una temperatura;

(b) Enfriamiento del chorro de gas natural presurizado por intercambio de calor directo con un chorro de refrigerante frío para producir un chorro de gas natural presurizado a una segunda temperatura más fría que la primera temperatura;

(c) Expansión del chorro de gas natural presurizado enfriado en un dispositivo de expansión, donde el trabajo de expansión del dispositivo de expansión se usa para impulsar un compresor que comprime el chorro de refrigerante y presurizarlo, la expansión resultante es un chorro frío que es dirigido a la zona de licuefacción de gas natural;

(d) Enfriamiento del chorro de refrigerante presurizado para producir un chorro de refrigerante presurizado al menos parcialmente condensado.

(e) Expansión del chorro parcialmente condensado para producir el chorro empleado en (b);

(f) Licuefacción del chorro de alimentación frío en la zona de licuefacción de gas natural.

Circuito en cascada de tres etapas

La US Patent Application 20080006053 desvela un método para licuefacción de gases ricos en hidrocarburos. En este proceso el gas fluye a través de una cascada de tres etapas de refrigeración, cada etapa comprendiendo un circuito de refrigeración y un compresor, donde al menos parte del flujo de refrigerante del segundo circuito se usa para el pre-enfriamiento del gas rico en hidrocarburos en la primera etapa de refrigeración. De esta forma se equilibra la carga en cada compresor. Estandarizando las unidades de impulsión y los compresores de los tres circuitos de refrigerante, es posible maximizar la capacidad de licuefacción del proceso usando unidades de transmisión y compresores probados. Este método puede aplicarse a cascadas de refrigerantes mixtos y circuitos con pre-enfriamiento de dióxido de carbono.

Otros procesos

• La US Patent 20060137391 describe un método para mejorar el ciclo de expansión multi-etapa reduciendo la presión del GNL presurizado y enfriado a casi la presión atmosférica.
• Otra solución se describe en la US Patent 20050268649. En esta patente se desvela un proceso para conseguir la licuefacción del gas natural en conjunción con la producción de un chorro de líquido que contiene predominantemente hidrocarburos más pesados que el metano. En el proceso, el chorro de gas natural que es licuado se enfría parcialmente, se expande a una presión intermedia, y es suministrado a una columna de destilación. El producto del fondo de esta columna de destilación preferencialmente contiene la mayoría de cualquier hidrocarburo más pesado que el metano que de otra forma reduciría la pureza del gas natural licuado. El chorro de gas residual de la columna de destilación se comprime a una presión intermedia, y se enfría a baja presión para condensarlo, y luego se expande a baja presión para formar el choro de gas natural licuado.

 

 

Sobre las últimas tecnologías en compresores industriales de refrigeración y su eficiencia

 

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Sobre las últimas tecnologías en compresores industriales de refrigeración y su eficiencia

 

 

Aerzen, Cubigel, Danfoss, Hartford, Gea Grasso, TEE, Dorin, Fracold, Bitzer, Bristol, Bock, J & E Hall, Frigopol, Refcomp…La oferta de compresores para aplicaciones de refrigeración permite encontrar en cada caso el más adecuado para nuestras características de diseño. En los últimos años, los compresores de refrigeración han avanzado enormemente en rendimiento y eficiencia, en este artículo revisamos los avances de algunos de los fabricantes más relevantes del elemento del circuito de refrigeración que más energía consume, y su aplicación en el sector industrial:

• Aerzen: El estadounidense Aerzen fábrica compresores libres de aceite en varios tamaños. Los compresores originales del fabricante funcionaban según el principio de Lysholm, máquinas diseñadas con completa libertad de contaminación por aceite lubricante. Posteriormente se fabricaron otros modelos de tipo similar, pero operando bajo el principio de la inyección de aceite.
• Bitzer: El fabricante alemán diseña y fabrica compresores de pistón, tornillo, scroll y otros recipientes a presión. También refleja en su web una importante apuesta por la eficiencia energética. Como otros fabricantes Bitzer permite en su página la descarga de herramientas de apoyo para el diseño de plantas y selección de piezas. También encontraremos una rica selección de dibujos en formato 2D.
• Bristol Compressors: El fabricante habla en su web de los avances de sus compresores pero no incide especialmente en la eficiencia energética.
• Cubigel: La compañía española Cubigel fabrica también una gama de compresores de refrigeración de alta eficiencia. La serie más extendida trabaja con R134a, R404A y refrigerantes naturales R290 y R600a. Este rango muestra mejoras en el COP que van entre el 12 5 y el 25 % en comparación con rangos standard. Además, hay un compresor controlado electrónicamente, que mejora el COP en un 35 %. Los modelos de alta eficiencia de Cubigel reducen el consumo energético de aparatos de refrigeración comercial entre el 10 % y el 20 % con respecto al rango standard. La mayoría de los modelos de alta eficiencia están equipados con motores eléctricos, diseñados con un concepto de "condensador opcional", es decir, el compresor puede trabajar con o sin condensador (CSR/CSIR), que reduce el stock de compresores.
• Danfoss: El rango de compresores Danfoss va desde pequeños compresores herméticos de corriente continua para aplicaciones herméticas a grandes compresores scroll para acondicionamiento de aire o aplicaciones industriales. Algunas versiones, tales como los compresores optimizados en energía, los compresores de velocidad variable y los compresores para aplicaciones solares están disponibles. El rango cubre todos los refrigerantes comunes HFC, HCFC y CFC, así como los hidrocarburos para modelos más pequeños. La eficiencia energética es uno de los principios claves de los compresores danfoss. En los compresores scroll, por ejemplo, el fabricante afirma que el ahorro energético conseguido en los de pistón semihermético es del 5-15 % y en los de diseño Scroll del 8 %.
• Dorin: Fabricante italiano de compresores. Entre sus modelos encontramos compresores semiherméticos, compresores de CO2, compresores de tipo abierto para aplicaciones de transporte, compresores HI para aplicaciones de inversor, Compresores THI tándem para aplicaciones de inversor, compresores de tipo abierto y unidades de condensación de aire.
• Frascold: Este fabricante produce una gran gama de compresores: semiherméticos, semiherméticos con dos etapas, compresores semi-herméticos tándem, compresores semi-herméticos de tornillo gemelos compactos, compresores semi-herméticos de tornillos gemelos para separadores de aceite remotos, unidades de condensación refrigeradas por aire, unidades de condensación refrigeradas por agua, grupos, receptor/compresor, compresores de tornillo gemelos CHHO. Siguiendo la línea de otros fabricantes, Frascold apuesta también en su web por la eficiencia energética, por ejemplo en los separadores de aceite de los compresores de tornillo gemelos CXH0. También aporta el fabricante información sobre las aplicaciones de los convertidores de frecuencia variable. El objetivo de estos controles es variar la velocidad del compresor en función de las capacidades requeridas en cada momento. Puede conseguirse aumentar la eficiencia energética si el sistema funciona con menor capacidad cuando las cargas son menores.
• Gea Grasso: Este fabricante diseña y construye compresores de pistón y tornillo, enfriadoras y purgadores. Entre las novedades que incluye en su web destacamos una herramienta de cálculo del retorno de la inversión en purgadores. Los gases no condensables como el aire tienden a penetrar en el sistema de refrigeración. Estos gases tienen un impacto negativo en el rendimiento del sistema de refrigeración. Las temperaturas de descarga del compresor y del consumo de energía se incrementarán. La capacidad de enfriamiento caerá. En ambos casos el coeficiente de rendimiento del sistema de refrigeración es mucho más bajo. El fabricante produce un purgador auto limitante que evacua gases no condensables fuera del sistema de refrigeración. El sistema puede integrarse de forma muy simple tanto en plantas nuevas como en plantas existentes. La herramienta incluida en la web permite calcular el pay back de la inversión y el ahorro total (en términos de dinero) de forma gráfica basándose en la capacidad de refrigeración, enfriamiento o aplicación de congelación, ratio de no-condensables, horas de operación del compresor, costes de electricidad e inversión.
• Hartford compressors. Este fabricante diseña y fabrica compresores recíprocos para usos de refrigeración industrial y comercial. Son también compresores de rendimiento.
• J & E Hall: Otro de los fabricantes internacionales, en este caso británico. Fabrica compresores recíprocos, semiherméticos y unidades de condensación. Respecto a la eficiencia, el fabricante hace hincapié en su web en el control del compresor.
• RefComp: En sus Series 134-XS & 134-S SERIE 40-300 Hp el fabricante describe sus compresores de alta potencia. Los factores que resalta son la eficiencia, ausencia de ruido, fabricación compacta y simplificación de la instalación y mantenimiento. Medioambientalmente el fabricante promueve el uso del refrigerante R134a, uno de los más interesantes. La tecnología de tornillo realza los beneficios potenciales de R134a, en particular su alta eficiencia de compresión y límites en la temperatura de condensación. El rango consiste en 17 modelos cuyo desplazamiento y potencia del motor nominal a 50 Hz va de 118 a 1100 m³/h y de 40 a 390 CV respectivamente. Las características técnicas innovadoras y el amplio rango de modelos hace a estos compresores ideales para enfriadoras aire/agua y lo menos enciende o agua/agua y bombas de calor. El fabricante ha desarrollado un separador de aceite de diseño radial para minimizar las dimensiones totales axiales del compresor, por lo que el compresor puede instalarse en un espacio reducido. Estos compresores son de alta eficiencia. La solución de tornillos gemelos, con su movimiento relativo de rodillos prácticamente elimina las fuerzas de contacto y reducen la longitud del sellado. Los compresores disponen también de un control de la capacidad del sistema, que se realiza mediante un sistema de válvulas de láminas o by-pass. El rendimiento y la eficiencia energética del sistema pueden incrementarse aún más con el circuito del economizador, en particular para ratios de compresión altos y medios. Para optimizar la separación de aceite en el interior del compresor estos equipos se disponen de filtros de aceite de alta eficiencia, vidrio para ver los niveles, sensores de nivel de aceite opto-electrónico o mecánico. El proceso de compresión ocurre cinco veces cada rotación del motor completa (aprox. 1500 ciclos at at/min, a 50 Hz) at y garantiza un efecto pulsante uniforme en el gas de descarga. Para seleccionar compresores el fabricante facilita el software de selección de compresores LEONARDO.
• Türk Elektrik: Fabricante turco que entre otros productos desarrolla compresores de refrigeración. 40 años de experiencia en fabricación tiene su objetivo en aumentar la eficiencia energética, disminuir el ruido e impacto ambiental.

Por último, indicamos que casi todos los fabricantes analizados disponen de útiles herramientas de selección de compresores que de forma muy ajustada a las necesidades de la aplicación ayudarán a determinar la opción adecuada en cada caso