Refrigeración, Reflexión Económica
Los Sistemas de Refrigeración Distribuidos están ganando
terreno debido a su mayor eficiencia de energía, y por sus bajos costos
durante arranques y en operación.
En un mundo donde el alto consumo de energía, el continuo
aumento del costo del petróleo y el calentamiento global, son factores
de mayor preocupación, los comerciantes, contratistas y fabricantes de
equipos, están considerando nuevas formas de reducir las pérdidas de
energía. Una de las principales causas de un excesivo consumo de
energía en el medio de los supermercados y comercios, es el sistema de
refrigeración.
En la medida que los comercios contemplan la actualización de
los diseños de sus tiendas, o se preparan para reemplazar o mejorar
sus sistemas de refrigeración, los sistemas de Refrigeración
Distribuidos se encuentran ganando popularidad como una solución a la
eficiencia energética, ambientalmente amable, en relación al sistema
estándar centralizado.
Actualmente los sistemas de refrigeración para supermercados
han venido usando comúnmente bastidores o racks de hierro donde son
montados grandes compresores reciprocantes los cuales se localizan en
uno o más cuartos de máquinas de refrigeración. Los compresores de
estos racks son conectados a las cámaras frías de conservación,
congelación, vitrinas, refrigeradores, etc. mediante grandes longitudes
y cantidades de tuberías.
Esta gran red de tuberías es el origen principal del consumo
de energía y de la consecuencia ambiental. Se requiere una considerable
cantidad de refrigerante para esas tuberías de gran longitud, las que
con un mayor número de uniones se aumenta las posibilidades de fugas de
refrigerante, además los sistemas centralizados requieren mayor
espacio de pisos y techos.
Estos
sistemas operan más eficientemente que los centrales con racks, debido
a que permiten una mejor igualación de la unidad condensadora al grupo
de succión.
Beneficios del Sistema
Los sistemas de Refrigeración Distribuida han venido ganando
popularidad en los últimos 50 años, en gran parte porque ofrecen
unidades de menor tamaño y manejables, debido a esto se pueden localizar
muy cerca de sus cargas térmicas. Esto reduce la complejidad de la
instalación, así como sus costos inicial y anual.
Esto mejora su flexibilidad, y elimina las consideraciones
estructurales asociadas con los pesados sistemas de Centrales con Racks
de compresores. Los tendidos de tuberías se reducen, y los espacios de
techos y pisos se aprovechan para poner mercancías. Lo más importante
es que la cantidad de refrigerante es reducida en un 70%, consideración
ambiental muy importante.
En adición, los sistemas de refrigeración distribuidos operan
más eficientemente que los sistemas centrales con racks, debido a que
permiten una mejor igualación de la unidad condensadora al grupo de
succión. Los contratistas saben que operar vitrinas a diferentes
temperaturas requiere que el cabezal de succión se divida en un circuito
para cada temperatura.
La ineficiencia se crea cuando el refrigerante se pasa a
través de una válvula reguladora de presión del evaporador (EPR), y
también por las caídas de presión en las líneas de tuberías largas. En
los sistemas de refrigeración distribuida las líneas de tuberías son
cortas, y por lo tanto la ineficiencia se afecta menos por razón de
caídas de presión en la succión.
La
arquitectura de la refrigeración distribuida ofrece beneficios
significativos sobre el sistema de refrigeración en racks: En su costo
inicial, en el costo diario, y en el costo de mantenimiento.
Entre los beneficios adicionales de los sistemas de refrigeración distribuida se incluyen:
➤ Costos menores de operación
➤ Costos menores de instalación
➤ Mayor flexibilidad dentro de la tienda
➤ Menor tiempo de arranques comparados con los sistemas centrales
➤ Mayor diversidad en la selección de los alimentos
➤ Componentes y materiales menos costosos
Los sistemas refrigeración distribuida pueden reducir los
costos de puesta en servicio y de la construcción de la tienda. La
reducción de los costos iníciales durante la construcción de la tienda
en acero estructural y tuberías de refrigerantes, pueden ser del orden
de $2,000,000 (200,000 dólares).
A medida que los comercios tienden más hacia la
refrigeración, los sistemas de refrigeración distribuida permiten una
gran variedad de arquitectura de la tienda, que impacta en la venta de
los productos. Las tiendas ofrecen mayor cantidad de productos
especiales tales como cafés al gusto, comidas gastronómicas, alimentos
orgánicos preelaborados, y otros servicios dependientes de la
refrigeración. Este diverso arreglo requiere mucha flexibilidad en la
ubicación del equipo de refrigeración.
La base fundamental es también afectada por la distribución
de la refrigeración, y su reducción del costo anual de operación y de
mantenimiento. Con la reducción en tuberías se eliminan miles de
soldaduras disminuyendo así el riesgo de fugas de refrigerante.
Tendencia de Sistemas
Avances en componentes
Los sistemas de refrigeración distribuida han llegado a ser
una solución de la eficiencia de energía, simplemente a través de los
avances en la tecnología de componentes tales como el uso de los
Compresores Scroll. Estos avances en tecnología ayudan a optimizar la
eficiencia a través de una combinación de simple modulación, de un
control de temperatura extremadamente preciso y reducción lineal de
potencia.
Los compresores semiherméticos son los que mueven la mayoría
de los sistemas centrales de refrigeración. Estos grandes compresores
cuando son conectados en paralelo mediante tuberías proveen la
refrigeración requerida para toda la tienda. La eficiencia de los
compresores es por lo general bastante alta y su confiabilidad es muy
buena.
Para reducir el consumo de energía, en los comercios se está
considerando re-arreglar los sistemas cambiando a los compresores
Scroll de alta eficiencia. Recientes mejoras en su funcionamiento con
avanzadas tecnologías de modulación, hacen al scroll en sistemas
distribuidos un compresor viable como una alternativa de los compresores
semiherméticos.
Los
comerciantes continuamente buscan sistemas de refrigeración más
eficientes de energía. La Refrigeración Distribuida por lo general
cumple con este requerimiento
Por ejemplo, en términos de una más avanzada modulación, los
compresores Scroll digitales de una compañía, son capaces de ajustar su
capacidad de enfriamiento de 10 a 100 por ciento, respondiendo a las
variaciones o cambios de carga térmica de los diferentes refrigeradores,
vitrinas demostradoras, cámaras frigoríficas, etc.
La igualación de los requerimientos de carga ayuda a la
reducción de ciclados de compresores, se mantiene una óptima
temperatura en las cámaras y refrigeradores, es ideal en supermercados
donde la calidad de los alimentos es importantísima y los márgenes de
utilidad son bajos.
Los compresores Scroll tienen un menor número de partes
móviles que los compresores reciprocantes, y son más confiables por su
diseño. Un compresor reciprocante contiene nueve partes móviles por
cada cilindro. En comparación el compresor Scroll tiene sólo dos partes
móviles, lo que elimina las oportunidades de fallas. Las partes más
susceptibles de falla tales como bielas, pernos, no existen en los
Scrolls.
Una falla común en los equipos de refrigeración es cuando
refrigerante líquido retorna al compresor. Debido a que los líquidos son
incompresibles, harán fallar al compresor más rápidamente que
cualquier otro problema.
Algunos fabricantes han tenido la habilidad de que sus
compresores manejen líquido, utilizando la conformacia radial y axial
en los scrolls. Conformancia es la habilidad de las espirales del
Scroll de “separarse” bajo condiciones anormales, lo cual provee la
capacidad de permitir pasar líquido a través de estas sin dañarlas.
Puesto que los compresores scroll no usan pistones para
comprimir el gas, hay una muy pequeñísima pérdida de eficiencia
volumétrica originada por la reexpansión, la que si ocurre en cada
carrera del pistón en los modelos reciprocantes. Similarmente debido a
que las válvulas internas son eliminadas no existen pérdidas en estas.
Durante la operación de un Scroll, la fuerza centrífuga
mantiene las espirales en contacto y libre de fugas con una compresión
continua y constante. La separación de la succión y la descarga de los
gases, reducen las pérdidas por transferencia de calor.
Los sistemas distribuidos con compresores scroll permiten
usar bases y áreas de montaje más pequeñas. En promedio, los
compresores scroll usan menos partes que un semi-hermético de la misma
capacidad y ocupan menos espacio. La orientación del scroll inherente
proporciona una posición vertical y esbelta, haciéndolo ideal y a la
medida para el concepto de refrigeración distribuida.
El diseño simple de los scrolls en comparación con los
compresores reciprocantes, les permite operar con niveles muy bajos de
ruido y vibración. De hecho pruebas demuestran que los scroll son
hasta tres veces más silenciosos que los modelos reciprocantes.
Una de las razones de su bajo nivel de ruido, es que los
compresores scroll no requieren válvulas de succión para tener una
compresión eficiente. Un movimiento orbital balanceado resulta en
operación silenciosa y con menos vibración.
Aumento de Capacidad y Eficiencia
Tradicionalmente la única forma de tener los beneficios
adicionales del subenfriamiento mecánico era con múltiples compresores
de tornillo grandes, o con sistemas de compresores semiherméticos
reciprocantes, usando un compresor separado para el subenfriamiento
mecánico.
Los compresores scroll permiten una ganancia significativa de
funcionamiento con un sólo compresor utilizando el sistema de
inyección con vapor. La técnica de la inyección de vapor puede mejorar
la capacidad y eficiencia de los sistemas de baja y ultra baja
temperatura en aplicaciones de refrigeración comercial.
La Inyección de Vapor Mejorada (Enhanced Vapor Injection
EVI), introduce el vapor refrigerante a la mitad de las espirales del
scroll en el proceso de compresión creando el efecto de subenfriamiento
reduciéndose la temperatura de descarga. Un scroll con vapor de
inyección tiene un consumo de energía similar a la de un compresor con
subenfriamiento, pero sin la necesidad de añadir un compresor con
subenfriamiento mecánico.
Cuando las cargas de refrigeración disminuyen, el circuito
de inyección de vapor se puede desconectar como una forma de modulación
de la capacidad. El efecto de la caída de presión en la línea de
succión se reduce debido a un mayor cambio de entalpía a través del
evaporador.
Mejoras en la electrónica usada en los sistemas de
refrigeración distribuida permiten un mejor control de los componentes
tales como los compresores, motores, válvulas y sensores. Como ejemplo,
el Regulador Electrónico a Pasos (Electronic Stepper Regulator ESR)
es un regulador de succión de accionamiento directo que utiliza un
motor de actuación lineal bipolar que actúa a pasos, manteniendo la
mayor presión de succión posible en forma constante.
La válvula a pasos abre o cierra a la posición exacta
necesaria, hasta lograr la temperatura preestablecida de la cámara. Si
la cámara está más fría, la válvula cierra aumentando la presión del
evaporador. Si la cámara está más caliente la válvula abre disminuyendo
la presión del evaporador.
El ESR es una alternativa del Regulador Mecánico de Presión
de Succión (EPR) usado en circuitos de cámaras refrigeradas. El ESR es
controlado electrónicamente mediante un sistema de control integrado,
diferente al empleado en las válvulas mecánicas EPRs.
Mediante modulación para el control de la presión de succión
del evaporador, los esfuerzos en las tuberías y sus uniones se
disminuyen considerablemente. Por lo que también se reduce la
posibilidad de fugas costosas del refrigerante.
Los sistemas con ESRs pueden controlar valores de
temperaturas de las cámaras del orden de 0.05°C (0.1 °F), que es una
inhabilidad mecánica de la tradicional EPR. Esta precisión crea una
tienda con operación eficiente, elimina mermas y pérdidas de producto,
lo cual finalmente se refleja en ahorro de dinero.
Aunque la ESR es más avanzada que la EPR, sirve para la misma
función en el sistema de refrigeración. La válvula de expansión que
actúa con sucesión pasos trabaja en la misma forma que la válvula
termostática de expansión, controla el sobrecalentamiento del
evaporador regulando la cantidad de refrigerante en el serpentín del
evaporador.
El regulador electrónico a pasos opera en la misma forma que
un regulador convencional, abriendo y cerrando para controlar la
presión de evaporación, la cual a su vez controla la temperatura del
evaporador. El comerciante puede solicitar al fabricante de la ESR las
instrucciones para su ajuste.
Para la selección del tamaño de la válvula se procede en la
misma forma. Las leyes de la termodinámica no cambian por el mero hecho
de que la válvula sea controlada por un motor eléctrico o por medio
electrónico. La selección del tamaño de la válvula encierra el
conocimiento del refrigerante en el sistema, la carga del evaporador, la
temperatura de líquido, capacidad que se requiere y caída de presión a
través de la válvula.
El motor paso a paso (stepper motor) que dirige la válvula,
es como cualquier motor eléctrico y debe pensarse así como tal.
Trabaja, actúa y se comporta como un motor eléctrico, pero opera con
una onda eléctrica cuadrada en vez de una senoidal de un motor normal
de corriente alterna CA. El técnico de servicio promedio está
familiarizado con los motores eléctricos de corriente alterna, CA, y de
corriente directa, DC, por lo que un motor paso a paso no debe
presentar ninguna dificultad una vez que se familiarice con sus
técnicas de servicio.
Los “cerebros” de la operación
Conforme la tecnología de la refrigeración ha avanzado,
también ha avanzado la habilidad de los controles electrónicos para
conectar los componentes críticos tales como, compresores, motores,
válvulas y sensores. Por ejemplo, un controlador en un supermercado
provee una efectiva y suave integración de la operación de las
componentes de refrigeración y del acondicionamiento del aire, también
integra los sistemas de control de un edificio tales como los de la
iluminación y la seguridad.
La localización de los controles de una cámara, y la
ubicación diferente y difícil de alcanzar de la válvula de expansión en
la cámara y no en el rack, presentan un reto potencial de servicio.
Algunos sistemas de control integran la electrónica del compresor,
válvulas electrónicas y controles de flujo, monitoreando el equipo en
línea. El resultado es un ambiente de una tienda “inteligente” donde
todos las componentes, sistemas y controles del edificio son
conectados, manejados, y monitoreados desde un lugar con un sistema
centralizado.
En un sistema de operación central, mientras se reúne la
información vital de funcionamiento de las operaciones de una tienda,
otras tiendas también pueden recoger y analizar la información de toda
una cadena de tiendas.
El inherente mantenimiento protector del sistema, permite
prever inadvertencias técnicas obteniendo una mejor relación
efectividad – costo, reduciendo los tiempos muertos, y redundando en la
seguridad de los alimentos.
La arquitectura de la refrigeración distribuida ofrece
beneficios significativos sobre la refrigeración tradicional central de
racks, en costo inicial, operación diaria y costos de mantenimiento.
Usando el altamente eficiente compresor Scroll se reduce el consumo de
energía total de la tienda de un 5 a 10 por ciento.
La combinación de los ahorros en el costo inicial, ahorro
anual de energía y mantenimiento, y la facilidad en el despliegue del
equipo, ofrece a los directivos de las empresas nuevas opciones en el
diseño de las tiendas y en su forma de vender. En adición, para bajar
aún más los costos de instalación, los propietarios de las tiendas
esperan arranques y puestas en servicio en menor tiempo, conduciendo a
una más rápida apertura de la tienda y comenzar en menor tiempo con el
flujo de dinero. |
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