Sistemas de agua fría

 

 

Sistemas de agua fría

Sistemas de agua fría: un repaso

Introducción

El uso del agua fría para mantener condiciones controladas de temperatura y humedad se remonta a principios del siglo XX con clientes industriales que vieron las ventajas económicas que esta nueva tecnología prometía. En ese entonces sólo se podía contar con equipos que enfriaban y deshumedecían el aire por contacto directo con el agua fría lo que requería que la temperatura del agua fría se mantuviera por debajo de la temperatura del punto de rocío que se pretendía lograr en el aire de suministro durante todo el proceso pues el intercambio térmico aire-agua era en paralelo. Esto limitaba el diferencial de temperatura en el agua a valores relativamente bajos de donde comienza a popularizarse el uso del diferencial de 10°F (5ºC) que muchos aún hoy continúan usándolo.

La introducción de los serpentines de enfriamiento aleteados mejora esta situación pues permite el intercambio de calor aire-agua en contra flujo que es más eficiente y por ello es capaz de producir diferenciales más altos en el agua fría lo que reduce costos y eleva la eficiencia de la instalación.

Componentes

Los componentes de un sistema de agua fría aparecen en la figura 1. Los serpentines de enfriamiento instalados en las manejadoras de aire, fancoils, etc., disipan la carga térmica de los espacios acondicionados, el enfriador de agua descarga este calor a la atmósfera y así enfría el agua. La bomba y la tubería de distribución permiten la circulación del agua fría entre estos dos componentes y el tanque de expansión permite la expansión térmica segura del agua para evitar daño a los componentes del sistema por la dilatación del agua con los cambios de temperatura.

La capacidad de enfriamiento de cualquier elemento de un sistema de agua fría puede calcularse con las formulas:

Serpentines de enfriamiento

La especificación y selección correcta de los serpentines de enfriamiento es clave para lograr las condiciones deseadas en los ambientes acondicionados y mejorar la operación del sistema.
Para especificar correctamente los requerimientos de los serpentines de enfriamiento es necesario que el cálculo de carga de los espacios acondicionados se haga separando lo que es su carga sensible y su carga latente. Así, con la ayuda de la carta psicrométrica, determinar el caudal correcto de aire y los valores correspondientes de temperatura de bulbo seco y bulbo húmedo a la entrada y salida del serpentín, respetando las reglas del comportamiento de los serpentines de enfriamiento descritos por ASHRAE en su texto “HVAC Systems and Equipment” que se menciona parcialmente en el siguiente párrafo.

En todo serpentín que enfría y deshumedece, la extensión de la línea recta que une la condición de entrada y salida del aire en la carta psicrométrica debe intersectar la línea de saturación (flecha en la figura 2). Esta intersección recibe el nombre de temperatura promedio de la superficie del serpentín, también conocida por algunos como temperatura del punto de rocío del serpentín (abreviado en inglés como ADP que se usará de aquí en adelante para ahorrar espacio). Si las cargas o las condiciones a mantenerse en el espacio son tales que no es posible lograr una intersección, ello es señal que el serpentín de enfriamiento por sí solo no logrará la condición deseada en el ambiente y se necesitará de un elemento adicional después del serpentín o se necesitará aceptar una condición diferente en el ambiente o se tendrá que recurrir a un sistema diferente de acondicionamiento.

La temperatura del ADP deberá ser mayor a la temperatura de entrada del agua – la diferencia dependerá del área de intercambio del serpentín escogido. Serpentines de gran área (hileras y/o aletas) posiblemente podrán alcanzar diferenciales de 4°F o menos. Se recomienda el uso de serpentines de 6 o más hileras con no más de 12 aletas por pulgada para producir la capacidad requerida con menores caudales de agua, y posiblemente menores caudales de aire, para así reducir el costo inicial y operativo de la instalación. La limitación en el número de aletas se menciona únicamente para facilitar la limpieza del serpentín.

La velocidad de cara recomendada en instalaciones comerciales está entre 400 y 500 pies por minuto. Velocidades mayores pueden ser aceptables si no producen arrastre del condensado y si se acepta la mayor pérdida de presión del aire y el riesgo de mayor ruido. Velocidades menores tienen menores pérdidas de presión pero elevan el costo de la instalación. La selección de la velocidad óptima es sobre todo una decisión económica; un mayor número de horas de operación de la manejadora o un mayor costo de la energía eléctrica favorecerá el uso de valores menores.

En instalaciones de 100% aire exterior en zonas húmedas sería preferible no exceder 400 PPM por la gran cantidad de condensado que producirá el enfriamiento y deshumedecimiento del aire.

El comportamiento del serpentín de agua fría se puede apreciar en la figura 3. La capacidad de enfriamiento sensible del serpentín se ve levemente afectada al comenzar a reducirse el caudal de agua por el serpentín pero la capacidad latente se verá afectada más o menos en proporción a la reducción del caudal y prácticamente desaparecerá al llegar apróximadamente al 30% del caudal de diseño. Esto se explica, porque la humedad relativa en los espacios acondicionados tiende a aumentar cuando el equipo opera a carga parcial ya que la señal que recibe el termostato que normalmente comanda la posición de la válvula de control es afectada sólo por la carga sensible.

La selección de los serpentines de enfriamiento requiere como mínimo la siguiente información:

•   Caudal de aire a enfriarse.
•   Temperaturas del bulbo seco y húmedo del aire de entrada y salida.
•   Temperatura de entrada del agua fría.
•   Altura sobre el nivel del mar.

En muchos mercados se requiere que los serpentines de enfriamiento sean certificados por algún organismo técnico independiente para asegurar al cliente que el producto es capaz de producir las condiciones que su fabricante afirma. En los Estados Unidos esta certificación se hace bajo la norma 410 de AHRI (Air-conditioning, Heating and Refrigeration Institute, previamente ARI).

Válvulas de control

La capacidad de los serpentines de enfriamiento se controla comúnmente con válvulas de 3 o de 2 vías, dependiendo de si se desea un sistema de caudal de agua constante o variable. El primero es de diseño y operación simples pero tiene un mayor costo operativo y su uso es más común en instalaciones de menor capacidad mientras que el segundo que resulta en un menor costo operativo se usa con mayor frecuencia en las instalaciones más grandes.

Las válvulas de control se seleccionan por el valor de su coeficiente de operación (Cv) que se define por la fórmula:

Posiblemente sea más fácil recordar que el CV es simplemente el caudal de agua que pasa por la válvula produciendo una pérdida de 1 psi. Se recomienda que las válvulas de control se seleccionen con una pérdida por lo menos igual al 50% de la pérdida total del ramal donde van instaladas la válvula y el serpentín.
Las válvulas de control pueden tener varias características pero las más comunes en la industria del aire acondicionado son la lineal y la de igual porcentaje. Para mejor control de la capacidad del serpentín, se recomienda el uso de válvulas con la característica de igual porcentaje (Figura 5) que se adapta mejor a las características del serpentín de la figura 3 para lograr un rendimiento lineal de la capacidad del serpentín relativo al desplazamiento de la válvula. Últimamente se han incorporado a las válvulas elementos que compensan los cambios de presión (“pressure independent”) que experimenta todo sistema en operación para así mantener el diferencial de presión sobre la válvula constante y lograr mejor control de la capacidad del serpentín.

Las válvulas de 3 vías tienden a operar con diferenciales de temperatura (ΔT) menores a los previstos en el diseño y esta situación se agravará si las válvulas se escogen con poca pérdida. El mayor deterioro ocurre cuando el desplazamiento de estas válvulas alcanzan aproximadamente el 50%.  Las válvulas de 2 vías tienden a producir mayores diferenciales de temperatura (ΔT) que las de 3 vías pero también sufrirán un deterioro si se las escoge con insuficiente pérdida de presión. Además las válvulas de control deben ser capaces de controlar satisfactoriamente los caudales de agua por el serpentín, y hasta cortar totalmente el flujo (2 vías), con cualquier presión que la bomba sea capaz de levantar en operación.

El caudal de agua en sistemas con válvulas de 3 vías será la suma de los caudales de todos los serpentines de enfriamiento pues este sistema no aprovecha el factor de diversidad en el caudal aunque sí en la capacidad del chiller. En sistemas con válvulas de 2 vías el factor de diversidad puede aplicarse tanto al caudal de agua como a la capacidad de los chillers.
Las válvulas de 3 vías pueden ser del tipo divergente o convergente (mezcladora). Para el control de los serpentines de agua fría es más conveniente el uso de las válvulas convergentes como se muestra en la figura 4 que además de tener un menor costo se instalan en la línea de retorno que es más aconsejable para la operación del sistema.

Bombas

La bomba hace posible la distribución del agua entre el chiller y los serpentines de enfriamiento en las manejadoras, fancoils, etc. La bomba centrífuga es la de uso más común en los sistemas de agua fría por su simplicidad de diseño y operación, además de su bajo costo y alta eficiencia.
Las características operativas de las bombas se muestran en forma de curvas con las coordenadas de caudal vs altura dinámica (figura 6). El punto de máxima eficiencia (BEP – Best Efficiency Point) estará identificado de donde se podrá trazar la línea de máxima eficiencia recordando la relación cuadrática del caudal con la altura dinámica. La línea de máxima eficiencia permite identificar los puntos de máxima eficiencia para los diferentes diámetros de rodete disponibles para la bomba o para las diferentes velocidades, si se trata de bombas de velocidad variable.

Las bombas pueden ser de curva plana o empinada. Aunque no hay una regla fija, se dice que bombas de curva plana son aquellas cuya altura dinámica a descarga trancada (0 caudal) no excede 20% del valor en el punto de máxima eficiencia. Si excede 20% se considera de curva empinada. Se recomienda el uso de bombas de curva plana en sistemas cerrados para evitar variaciones significativas de presión por la acción de las válvulas de control y de curva empinada para sistemas abiertos para evitar mayores reducciones de caudal al oxidarse la tubería por la presencia del aire disuelto en el agua.

Se recomienda que la bomba opere a las condiciones de mayor eficiencia posible pues esto no sólo reduce su costo operativo sino que también representa un menor esfuerzo sobre sus cojinetes. Para ello, se recomienda que la selección de la bomba en sistemas de caudal constante que utilizan válvulas de 3 vías se haga a la izquierda del punto de máxima eficiencia pues en operación, estos sistemas tienden a operar con caudales mayores a los de diseño y así el punto de operación se desplazará hacia puntos de mayor eficiencia. En sistemas de caudal variable (válvulas de 2 vías) la selección puede hacerse levemente a la derecha del punto de máxima eficiencia pues en operación estos sistemas normalmente operarán con caudales menores a los de diseño lo que hará que el punto de operación se desplace hacia el punto de mayor eficiencia. Se deberá cuidar que en operación la bomba pueda “salirse de su curva” o sobrecargar su motor.

Enfriadores de agua

Los enfriadores de agua, posiblemente más conocidos por el vocablo inglés “chillers”, deben mantener el agua que se suministra a los serpentines de enfriamiento a la temperatura para la que fueron especificados y seleccionados. El chiller nada tiene que hacer con el diferencial de temperatura del agua fría pues la temperatura a la que el agua fría retorna al chiller es producto de la carga térmica que recoge el serpentín de enfriamiento y el caudal de agua que le alimenta la válvula de control. El chiller sólo controla la temperatura del agua fría que suministra al sistema.

Hay una gran variedad de opciones en chillers – pueden ser enfriados por aire o por agua o pueden ser de accionamiento mecánico o térmico – lo que permite satisfacer los requerimientos de prácticamente cualquier índole.

El enfriamiento del agua en los chillers mecánicos puede ser mediante intercambiadores de expansión directa que se utilizan en chillers con compresores de desplazamiento positivo (scroll, alternativos, tornillo) o inundados que se utilizan en chillers con compresores centrífugos o  tornillo. En los chillers térmicos se usan los intercambiadores inundados. En los intercambiadores de expansión directa el refrigerante frío circula dentro de los tubos y el agua circula entre los tubos y el casco. En los intercambiadores inundados el agua circula dentro de los tubos que estan sumergidos en el refrigerante líquido frío que llena el espacio entre los tubos y el casco. Los intercambiadores inundados permiten la limpieza mecánica de los tubos.

La norma 90.1 de ASHRAE, entre otras cosas, fija las eficiencias mínimas que deben lograr los diferentes equipos de aire acondicionado, entre ellos los chillers. Además, ARI certifica el rendimiento de los chillers accionados mecánicamente bajo su norma 550/590 para asegurar al comprador que los equipos certificados producen la capacidad prometida por sus fabricantes.

Tubería de distribución

La distribución del agua puede hacerse con retorno directo o con retorno invertido (figura 7). El suministro invertido es simplemente una variación del retorno invertido. Con el retorno invertido se busca que el recorrido del agua por todos los ramales sea más o menos igual para facilitar el ajuste de los caudales por cada ramal.        
El menor costo del retorno directo lo hace más atractivo y es seguramente el de mayor uso. Este arreglo funcionará mejor si la pérdida de presión de los ramales es un porcentaje importante de la pérdida total requerida de la bomba o lo que es lo mismo decir que debe buscarse una pérdida pequeña en el troncal. También ayudará si se asignan pérdidas mayores a los ramales más cercanos a la bomba para lograr pérdidas más o menos parecidas para la bomba para cada uno de los ramales.
La tubería de distribución se dimensiona de acuerdo al material que se vaya a usar utilizando cuadros que muestran las pérdidas de acuerdo a los caudales y diámetros de tubería. Con la introducción de programas que permiten el uso de la computadora se ha aliviado este tedioso trabajo pues con estos programas no sólo se logra el dimensionamiento de la tubería sino también la pérdida de presión del sistema para la selección de la bomba además del volumen de agua en las tuberías para la selección del tanque de expansión.

Tanque de expansión

El tanque de expansión permite el aumento volumétrico del agua en el sistema debido a los cambios de temperatura que puedan ocurrir en el agua. En operación, el agua es enfriada por el chiller a la temperatura de diseño requerida pero con el sistema fuera de servicio por cualquier motivo, la temperatura del agua puede llegar a la temperatura ambiente. El cambio en el volumen específico del agua a estas dos condiciones produciría un aumento de presión enorme que puede causar daño a cualquier componente del sistema si no hay forma de aliviar tal condición. El tanque de expansión correctamente dimensionado da al agua el espacio donde pueda expandirse sin causar daño o desperdicio.

Existen básicamente tres tipos de tanque de expansión:

•  Abierto (abierto a la atmósfera).
•  Cerrado (agua y aire presurizado dentro de un tanque cerrado).
•  Diafragma (agua y aire separados por una membrana flexible dentro de tanque cerrado).

El tanque de expansión es también el punto donde se establece la presión de referencia que se mantendrá constante. En un sistema cerrado sólo debe haber una presión de referencia.

Torres de enfriamiento

En los sistemas de mayor capacidad y hasta en los de mediana capacidad, donde el consumo energético es de gran importancia, el uso de las torres de enfriamiento para desechar el calor a la atmósfera adquiere mayor relevancia pues reduce notablemente el consumo de energía.
El consumo de energía de los chillers mecánicos ha venido mejorando en los últimos años y esta mejoría ha sido aun mayor para los equipos enfriados por agua. Hoy es posible encontrar chillers enfriados por agua, de mediana y alta capacidad, con consumos de 0.60 Kw/ton o menos, en gran medida gracias al uso del compresor tipo tornillo en los equipos de mediana capacidad y el centrífugo en los de mayor capacidad. Una ojeada a la norma 90.1 de ASHRAE confirmará la mejoría que han experimentado los chillers enfriados por agua en relación con los chillers enfriados por aire. Por supuesto que la decisión de usar uno u otro dependerá también de otros factores como ser la disponibilidad de agua, su costo, su tratamiento, el costo inicial de la instalación, mantenimiento, etc.

Para la selección de la torre se necesita la siguiente información:

•   Caudal de agua que se desea enfriar.

•   Temperatura de entrada y salida del agua.

•   Temperatura del bulbo húmedo del ambiente.

•   Altura sobre el nivel del mar.

Al igual que los chillers y los serpentines de enfriamiento, las torres de enfriamiento también cuentan con un programa de certificación para asegurarle al comprador que el producto certificado que compra es capaz de producir la capacidad ofrecida por el fabricante. Esta certificación lo hace la organización “Cooling Technology Institute” (CTI) bajo su norma 201.

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