BOMBA DE CALOR

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BOMBA DE CALOR

TIPOS Y FUNCIONAMIENTO

El sistema de bomba de calor puede transmitir el calor del entorno hacia las dependencias que se pretenden calefactar. El calor generado puede utilizarse para calefacción y agua caliente sanitaria.

El principio de funcionamiento es el mismo que usa un aparato frigorífico. Un refrigerador consigue enfriar un recinto ya que quita energía del aire interior, a baja temperatura, y la cede al aire exterior, a mayor temperatura, calentándolo.

Si invertimos el funcionamiento de un refrigerador, enfriando el aire exterior y calentando el interior, obtenemos una bomba de calor. Por esta razón la mayoría de estos aparatos son reversibles y permiten refrigerar en verano y calefactar en invierno.

La bomba de calor se suele clasificar según el medio de origen y destino de la energía de tal forma que se denomina mediante dos palabras. La primera corresponde al medio que absorbe calor (foco frío) y la segunda al medio receptor (foco caliente). A continuación de describen algunos de estos tipos.


BOMBA DE CALOR AIRE-AIRE: Son las más utilizadas, principalmente en climatización.

BOMBA DE CALOR AIRE-AIRE

En este sistema, tanto la calefacción como la refrigeración del espacio acondicionado se consiguen mediante la inversión del flujo del fluido frigorífico (refrigerante con el que se carga el sistema de refrigeración) entre las baterías o intercambiadores denominados clásicamente evaporador y condensador. La inversión de este flujo se consigue mediante una válvula de 4 vías accionada mediante un termostato situado en el ambiente acondicionado.
Las baterías intercambiadoras dejan de denominarse evaporador y condensador, debido a que actúan tanto una como la otra efectuando la doble función de evaporador y condensador, dependiendo de que el equipo esté trabajando en ciclo de calor o de frío. En un equipo bomba de calor aire-aire estas baterías se denominan:

• Batería exterior: la que está efectuando las funciones de condensador en ciclo de frío y de evaporador en ciclo de calor. Está situada en el exterior del espacio acondicionado y de ahí viene su denominación.
• Batería interior: situada en el interior del espacio acondicionado actúa como evaporador en ciclo de refrigeración y como condensador en ciclo de calor.

Ambas baterías son de tubo de aleta ya que se trata de intercambiadores aire-refrigerante debido a que el calor siempre se toma y se cede al aire (situado dentro y fuera del espacio acondicionado), de ahí el nombre de bomba de calor aire-aire. Actualmente los equipos bomba de calor aire-aire son del tipo compacto (package) o partidos (split). Sus capacidades oscilan entre las 4.500 y 20.000 frig/h y sus características fundamentales son: - La bomba de calor de este tipo cumple la doble función de calefactar y enfriar. En consecuencia con un solo equipo se pueden conseguir las condiciones de confort durante todo el año. - Las unidades tanto de calor como de frío para acondicionar un espacio determinado se consiguen mediante una sola fuente de energía (normalmente la eléctrica). - El calor suministrado por el equipo en el ciclo de calor es de dos o tres veces superior al absorbido por el equipo para su funcionamiento. - No se precisan chimeneas ni tomas de aire para que el equipo funcione. En consecuencia se reducen los costos de instalación.

BOMBA DE CALOR AIRE-AIRE

ESFUERZOS Y CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS

Por lo general, una bomba de calor tiene tres zonas de funcionamiento dentro de las cuales los componentes de la misma están sometidos a esfuerzos importantes. Estas zonas están definidas por las condiciones ARI de 7ºC y -7ºC. El material de las bombas no solamente debe estar concebido para su trabajo en estos puntos, sino que también debe estarlo para condiciones anormales, tales como:

• Arranque en épocas muy frías.
• Tensiones de alimentación extremas.
• Averías de algún componente.
• Contaminación del refrigerante en mayor o menor grado.

Los equipos de diseño actual que se han probado en estas condiciones (además de las condiciones ARI) puede considerarse que gozan de una fiabilidad prácticamente asegurada.

Compresor El compresor es la parte fundamental de una bomba de calor. Su misión es bombear los vapores producidos en el evaporador a baja presión, y comprimirlos a alta presión. En consecuencia, la presión de alta (P.A.) y la presión de baja (P.B.) se producirán en función del sistema, de las temperaturas y de las posibles anormalidades que tengan lugar en el equipo.


Cuando las P.A. y P.B. son elevadas nos encontramos en una zona donde la potencia eléctrica consumida es importante, lo que implica que los esfuerzos mecánicos a que se someten los cojinetes, cigüeñal, válvulas, etc., son importantes.
Otra zona de esfuerzos importantes se produce con una P.A. elevada y una P.B. débil. Con esa relación de compresión, la temperatura de descarga aumenta y el caudal de fluido frigorífico es bajo. En consecuencia se produce una mala refrigeración del motor eléctrico del compresor, acelerando la destrucción del compresor por vía química.
Un equipo diseñado para funcionar solamente en ciclo de refrigeración, lo hace solamente en el exterior de las zonas de esfuerzos elevados.

Cuando acontecen situaciones anormales, tales como fuga de gas, filtros sucios, condensador sucio, falta de aire a través del evaporador o condensador, el punto de funcionamiento se sitúa entonces dentro de la zona de esfuerzos importantes y con el fin de proteger el compresor se montan las seguridades adecuadas (presostatos de alta, baja, etc.).

Compresor en ciclo de calor
Si en un equipo de refrigeración se procede a invertir el ciclo a fin de que trabaje proporcionando calor, se obtiene el siguiente diagrama de funcionamiento.

          
Puede verse que en este caso, el ciclo del sistema se sitúa en un punto más alejado que el tarado del presostato de baja del equipo concebido como refrigerador solamente. Las primeras bombas existentes en el mercado montaban un presostato de baja regulado para una presión mas baja que a su vez está ya situado en la zona de esfuerzos importantes (nótese que el punto ARI -7°C no está situado en la misma).
Además de los esfuerzos enumerados que solicitan a una bomba de calor, éstas están sometidas a otro esfuerzo adicional que se produce durante la formación de hielo y el ciclo de deshielo. Esta zona está situada alrededor de los 0°C. Por encima de + 7ºC no existe formación de hielo y por debajo de -7°C se deposita en muy pequeña cantidad.
Durante el ciclo de deshielo, el funcionamiento del equipo se sitúa en la zona marcada [DE]

Compruébese que tanto las zonas de formación de hielo sobre la batería exterior como la de deshielo no están situadas en lugares que se han denominado críticos. El esfuerzo que que solicita al compresor durante estos periodos es el derivado de las inversiones del ciclo y que viene motivado por variaciones de presión, temperatura y caudal de refrigerante. Por este motivo puede haber algún momento que el funcionamiento del compresor está situado en la zona de esfuerzos elevados.
En resumen, hemos encontrado tres zonas de esfuerzos.

1.º Los puntos ARI 7°C y -7°C que enmarcan perfectamente la zona de formación de hielo.
2.º Por encima de 7°C, es decir hacia los 13°C y más arriba se entra en una zona de temperaturas exteriores elevadas.
3.º Alrededor de los -15°C se encuentra la zona de temperaturas exteriores bajas.

En consecuencia una bomba de calor esta sometida a esfuerzos importantes en regiones que no quedan definidas por los puntos de medida 7ºC. y -7ºC. dentro de los cuales prácticamente todos los equipos de refrigeración funcionan correctamente. Debido a esto, es necesario que el compresor que se utilice en un equipo bomba de calor este diseñado de forma que:

• Los arrollamientos del motor están preparados para soportar temperaturas mas altas de lo habitual.
• Los elementos de protección de estos arrollamientos deben ser adecuados.
• El aceite utilizado para la lubricación del compresor debe ser adecuado para que soporte las elevadas temperaturas a que se vera sometido sin sufrir transformaciones químicas.
• La lubricación debe estar asegurada durante cualquier condición de funcionamiento asegurando la vida de todas las partes móviles y cojinetes, válvulas, válvula de inversión, válvulas de retención, etc.

El refrigerante debe mantenerse a su nivel adecuado tanto en ciclo de verano como de invierno para evitar golpes de líquido al compresor.
Actualmente, gracias a los ensayos efectuados sobre las condiciones de funcionamiento de una bomba de calor se puede disponer de compresores herméticos especialmente diseñados para trabajar en equipos bomba de calor. Se han tornado medidas tendentes a reforzar los cojinetes y dar mas superficie de paso a través de las válvulas. Los motores eléctricos disponen de un aislamiento mejor y la refrigeración del estator ha sido mejorada. Asimismo se utilizan en este tipo de compresores aceites de base mineral quo evitan una serie de problemas quo surgen cuando se utilizan aceites de refrigeración considerados estándar.
Consecuentemente, estas mejoras permiten ampliar la zona de funcionamiento del equipo.

Conclusión
La bomba de calor AIRE-AIRE es cada día mas fiable y en consecuencia cada vez mas sencilla (o viceversa).
Los compresores mas robustos precisan menos órganos de protección. Los nuevos compresores desarrollados para aplicaciones de bomba de calor son mas compactos, mas ligeros, de mantenimiento mas fácil, contienen menos aceite y refrigerante disuelto en él, son menos ruidosos, pueden funcionar dentro de unos límites de voltaje mas amplios, y resisten mejor la contaminación del circuito.
Por otro lado la tecnología electrónica permite disponer de paneles de mando de la bomba de calor donde los contáctores electromecánicos pueden reemplazarse por conmutadores electrónicos (triac) y toda la problemática del funcionamiento del equipo (protección contra funcionamiento en zonas de esfuerzos importantes tanto en alta como en baja, fallo de caudal a través de las baterías, filtros sucios, perdida de gas, temperaturas del refrigerante anormales, inicio y duración del deshielo solo cuando es realmente necesario, conexión automática del frío o el calor según necesidades del local acondicionado, puesta en funcionamiento de las resistencias complementarias cuando esta a una temperatura exterior inferior a la de equilibrio, etc.), queda resuelta de una forma sencilla y quo abarata costos de reparación.

BOMBA DE CALOR AIRE-AGUA: Se utilizan para producir agua fría para refrigeración o agua caliente para calefacción y agua sanitaria.

BOMBA DE CALOR AIRE-AGUA

La bomba de calor extrae el calor del aire exterior y lo transfiere a los locales a través de un circuito de agua a baja temperatura.

Es un sistema clásico de acondicionamiento de aire, que utiliza baterías frías y baterías calientes además de una "batería exterior" que se utiliza para eliminar o extraer el calor del exterior. En invierno, el evaporador de la maquina frigorífica se conecta a la batería exterior y el condensador a la batería caliente. El calor se extrae de una mezcla de aire exterior-aire de extracción que pasa por la batería y a través de la maquina eliminando sobre el aire que se introduce en el local por la batería caliente.
Este sistema se presta extremadamente bien a aplicaciones con maquinas centrifugas y a pistón. Cuando la temperatura exterior descienda por debajo de 4° C., el fluido que se hace circular a través de las baterías exteriores debe incorporar una solución anticongelante a fin de protegerlas. Asimismo debe instalarse un dispositivo de deshielo de la batería exterior.
Pueden efectuarse muchas variantes sin cambiar el principio básico de funcionamiento. Puede utilizarse una torre de agua para enfriar el agua de condensación en verano y concebirla además con baterías de aletas que puedan extraer el calor del aire exterior en invierno. Otra posibilidad es utilizar un enfriador de tipo evaporativo que funcione húmedo en verano y seco en invierno.

BOMBA DE CALOR AGUA-AGUA: Permiten aprovechar la energía contenida en el agua de los ríos, mares, aguas residuales, etc. 

 

 

BOMBA DE CALOR AGUA-AGUA

Utilizan como fuente de calor el agua superficial de ríos, lagos, etc. o agua subterránea. La temperatura de estas fuentes es prácticamente constante durante toda la estación de calefacción, lo que permite mantener un COP constante y elevado durante toda la temporada.

En este tipo, tanto la calefacción como la refrigeración se efectúan mediante la inversión de los circuitos de agua entre el evaporador y el condensador de una planta enfriadora de agua. Este sistema precisa de una reserva de agua que se utiliza en verano para la condensación y en invierno como fuente de calor. Puede utilizarse con estos fines agua de un grifo, de pozos, lagos, etcétera. Las maquinas de refrigeración centrifugas o a pistón son ideales para este tipo de sistema.
El cambio de la producción de frío a la de calor se efectúa gracias a un simple sistema de válvulas.

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RECONVERSIÓN R-22 A 417 A

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VÁLVULAS ESPECIALES

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VÁLVULAS ESPECIALES

Válvulas solenoides

Las válvulas solenoides pueden ser de dos tipos, de vástago que se utilizan en válvulas pequeñas y algo antiguas y de membrana. Todas tienen sentido de circulación, deben funcionar en posición horizontal con la bobina hacia arriba y su consumo eléctrico es muy pequeño. Cuando la bobina de la solenoide no tiene tensión la válvula está cerrada mediante un muelle y la presión de alta que se queda en la parte superior. Cuando excitamos la bobina hacemos subir el vástago y abre la válvula. La bobina no hace ningún esfuerzo ya que no tienen que vencer ninguna presión. Las válvulas se suministran por partes, ofreciendo la posibilidad de diseñar la válvula según sus requisitos. Están disponibles en diferentes tamaños, tipos de conexiones y con bobinas de diferentes tensiones y frecuencias.
Sirven  para líneas de líquido, aspiración y gas caliente con amoníaco o refrigerantes fluorados.

Diferentes tipos de válvulas solenoides

Las bobinas están especialmente diseñadas para trabajar en ambientes agresivos con alta humedad y fluctuaciones de temperatura, condiciones usuales en la mayoría de las instalaciones de refrigeración.
Son de fácil  montaje y desmontaje, lo cual asegura una instalación sin errores. Las bobinas se montan sin ningún tipo de herramientas y para desmontarlas solo se precisa un destornillador.

Bobinas para válvulas solenoides

Válvula de 4 vías o inversora

La válvula de 4 vías se empezó utilizando como método de desescarche realizando la inversión de ciclo y enviando al evaporador gas caliente desde la descarga  para poder descongelar el hielo producido por la condensación del agua en el exterior del evaporador. Hoy en día la válvula inversora es el elemento fundamental para el funcionamiento de un equipo de aire acondicionado en función de calor. Su funcionamiento consiste en que la bobina electromagnética actúa sobre un patín interior dispositivo capaz de provocar el cambio de la dirección del refrigerante de manera que el evaporador se convierte en condensador, y el condensador se convierte en evaporador, lo que completa una fase de ciclo invertido.

Aspecto exterior de dos válvulas inversoras

Esta válvula esta compuesta por la válvula principal y una válvula piloto, esta última tiene como función ayudar a desplazar el patín interior para realizar el cambio de ciclo. Por otro lado  la válvula principal esta compuesta por cuatro vías que, para entender su funcionamiento fijaremos las posiciones que no varían en el circuito y así la comprensión en el funcionamiento del paso de refrigerante se simplifica.
En primer lugar la descarga del compresor ira siempre sobre la tubería que esta sola y opuesta a las otras tres por tanto esta línea será gas a alta presión.
En segundo lugar la aspiración del compresor será siempre la tubería central que está acompañada del las otras dos tuberías, las tuberías de los extremos serán las que cambien siendo en función del modo de empleo del equipo (frío o calor) será aspiración o descarga.

Funcionamiento en modo frio

Desde el compresor descarga refrigerante hacia la válvula de 4 vías penetrará por la tubería que está sola, y pasará a la tubería lateral derecha donde entrará en el intercambiador exterior, aquí el refrigerante se licuará, después se expansionará en el elemento de expansión para entrar en el intercambiador interior y evaporarse saldrá hacia la válvula inversor donde se dirigirá a la tubería lateral izquierda pasara a traves del patín interior a la tubería fijada como aspiración (tubería central), y llegará al compresor.

funcionamiento de válvula en modo frío

Funcionamiento en modo calor

La compuerta deslizante a sido desplazada, entonces el refrigerante como en el caso anterior entra en la válvula de 4 vías penetrará por la tubería que está sola, y pasará a la tubería lateral esta vez  izquierda dirigiéndose entonces al intercambiador interior donde condensará saldrá y posteriormente se expansionará para entrar en el intercambiador exterior y evaporarse, volverá a la válvula de inversión de ciclo y entrará a ella por la tubería de la derecha pasando a la central y llegando finalmente al compresor.

funcionamiento de válvula en modo calor

Funcionamiento interior de la válvula de 4 vías

La válvula de inversión de ciclo obedece a la demanda de modo de funcionamiento del equipo. La bobina se excita eléctricamente entonces la válvula piloto deja pasar gas desde el circuito y a trabes de ella misma refrigerante a uno u otro lado de las dos cámaras situadas en los extremos de la válvula de 4 vías. Gracias a esto se creara un movimiento del patín interior deslizante debido a la diferencia de presión creada por la válvula piloto.
Bobinas

Las bobinas están especialmente diseñadas para trabajar en ambientes agresivos con alta humedad y fluctuaciones de temperatura, condiciones usuales en la mayoría de las instalaciones de refrigeración.
Son como en el caso se las bobinas solenoides de montaje y desmontaje fácil, lo cual asegura una instalación sin errores. Las bobinas se montan sin ningún tipo de herramientas y para desmontarlas solo se precisa un destornillador.

Bobina de válvula de 4 vías

Válvulas de paso manual
Estas válvulas son perfectamente herméticas, tanto al interior como al exterior, las válvulas de bola con cuerpo de latón o de acero y de racores de cobre, permiten el aislamiento rápido de los circuitos frigoríficos, normalmente incorporan un limitador de rotación integrado. Par su soldadura en los conductos no es necesario desmontar el cuerpo de la válvula. Normalmente vienen preparadas para trabajar a una presión máxima de servicio de entre 35 y 40 bares así como a las temperaturas de funcionamiento comprendidas entre – 40 ºC  y  + 150 ºC, estas válvulas están estimadas a una amplia gama de aplicaciones.
Otro tipo de válvulas manuales es la válvula de cierre manual con volante de membrana, que se utiliza en tubería de líquido, de aspiración y de gas caliente en instalaciones de refrigeración.

Válvula de paso manual de bola

Válvulas de volante

Válvulas calibradas
Son ajustables, y aseguran un caudal de aceite regular hacia los carteres de los compresores, manteniendo una presión de aceite adecuada en los depósitos de aceite.

Válvulas calibradas

Válvulas de asiento
Las válvulas de aislamiento se montan sobre los reguladores de nivel de aceite y son orientables en 360º. La maniobra se efectúa gracias a un cuadrado protegido por un tapón roscado hermético. Existen varios tipos de válvulas de aislamiento pero las dos más usuales son: una tapada al circuito de igualación de presión y otra adaptada a la línea de alimentación del aceite.

Válvula de asiento

Válvula de control de aspiración (KVL)

Este tipo de válvulas regula la presión de aspiración del compresor cuando ésta supera ciertos valores que podrían sobrecargar el compresor. Normalmente se calculan los compresores para que trabajen a régimen. En el momento que se pone en marcha por primera vez, introducimos una carga térmica muy grande o sale de un desescarche, la válvula de expansión se abre a tope para poder regar el evaporador. Éste al estar caliente produce la total evaporación del refrigerante aumentando la presión de evaporación. Si esta sobrepresión se prolonga se dispararía el protector térmico del compresor. Con la válvula KVL podemos evitar que al compresor le llegue tanta presión de aspiración en las arrancadas limitando la presión. Por ejemplo en una instalación con R-22 si la cámara tiene 20 ºC la presión de aspiración sería de 5 bar, esta presión es elevada para el compresor que tenemos instalado, entonces con la ayuda de un manómetro regulamos la válvula para tener una presión máxima de evaporación de 2 bar. La válvula mientras tenga una presión superior a 2 bar ira cerrando para limitarla, en el momento que la máquina trabaje a régimen y consigamos una presión inferior a 2 bar la válvula no actúa. Se debe instalar lo más cercano posible del compresor. Las válvulas se suministran con conexiones roscar o soldar. Se pueden suministrar válvulas con válvula obús.

Diferentes válvulas KVL

Válvulas de control de condensación (KVR, KVD)

La válvula KVR se coloca a la salida del condensador para aumentar la presión de condensación cerrando el paso de refrigerante, las KVR se pueden montar igualmente en la línea de gas en sistemas de refrigeración y aire acondicionado. Hasta que no alcanza la presión a la cual la hemos ajustado no abre y por lo tanto llenamos el condensador de líquido haciéndolo más pequeño. De esta manera aumentamos la presión pero también dejamos el calderín sin presión. Para evitar esto se coloca también junto a ésta una KVD que inyecta gas caliente al calderón así aseguraremos que se mantiene una presión adecuada en el recipiente. Normalmente mantiene 1 bar por debajo de la presión de la línea de líquido. Las KVD se usa también para aumentar la presión de alta comunicando la alta con la baja para aumentar la presión de descarga. En verano no actúa ninguna de las dos válvulas.

Válvulas KVD y KVR su aspecto exterior es igual

Válvula de control de evaporación (KVP)

Se coloca en la línea de aspiración justo después del evaporador para regular la presión de evaporación. Se utiliza normalmente en el caso que tengamos un compresor con varios evaporadores y en estos quedamos conseguir temperaturas diferentes. Abre cuando disminuye la presión en el recipiente y deriva gas caliente para mantener la presión del recipiente de acuerdo con el ajuste del regulador. Por ejemplo si el compresor aspira a 0,6bar la válvula la regulamos a 2,5bar para conseguir la temperatura deseada en el recinto a enfriar. También se utiliza en los casos en que el compresor es de mayor potencia que los evaporadores, de esta manera podemos conseguir en el evaporador la presión adecuada para conseguir la temperatura deseada en la cámara. Si tenemos varias cámaras conectadas en la misma línea de aspiración, han de llevar una antiretorno cada una ya que si una de ellas para por temperatura se quedaría a menor presión que las demás. Entonces las demás que sí funcionan enviarían el gas a la cámara que está parada. Este gas se acumula y se condensa provocando en el momento de la arrancada golpes de líquido en el compresor. El tornillo de regulación de estas válvulas opone una resistencia al paso del refrigerante desde 0,5 hasta 5 bar. Estas válvulas son útiles para ajustar el D t en las cámaras con producto fresco. Es igual que la KVR pero trabajan en un margen diferente de presiones.

Válvula KVP

Válvula de regulacion de capacidad

Se utiliza como regulador de capacidad para adaptar la capacidad del compresor a la carga real del evaporador. Se monta en un by-pass (derivación) entre los lados de alta y baja presión del sistema de refrigeración y está especialmente diseñado para inyectar gas caliente entre el evaporador y la válvula de expansión termostática. La inyección debe disponerse de modo que se produzca a través de un mezclador líquido-gas.

válvula de regulación de capacidad

Válvulas presostaticas

Se emplean para controlar la presión de condensación en los condensadores de agua.   Se conecta a la presión de alta y abre o cierra la válvula dependiendo de ésta. La presión se controla con el tornillo de manera que cuando la instalación esté parada ha de cortar el agua.

Válvulas de seguridad

Las válvulas están especialmente diseñadas para proteger los componentes contra presiones elevadas, cumpliendo así con los estrictos requisitos de calidad y seguridad en instalaciones de refrigeración, especificadas por los organismos de homologación internacionales. Estas, son válvulas de alivio dependientes de la presión de salida con paso en ángulo. Se recomienda la válvula como válvula de alivio (seguridad) externa e interna en plantas de refrigeración. El muelle del cuerpo se cierra herméticamente para evitar fugas. Se pueden suministrar con ajustes de presión de fábrica entre 10 y 40 bar g (145 y 580 psig)
También se encuentran disponibles válvulas con ajuste de presión estándar con "Certificado -TÜV Pressure Setting Certificate" por cada válvula.

Diferentes válvulas de seguridad

Eficiencia energética en equipos y sistemas de aire acondicionado

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Eficiencia energética en equipos y sistemas de aire acondicionado

Eficiencia energética

La eficiencia energética engloba todas las acciones de mejoramiento que buscan minimizar el consumo de energía requerida, manteniendo o mejorando las prestaciones de servicio y calidad.
Para su registro y control se utilizan indicadores de consumo de energía que mide qué tan bien se está aprovechando la energía disponible en la realización de un resultado. Un indicador de eficiencia energética se define como la razón entre un servicio, función o valor entregado y la energía convertida para proveerlo.
La eficiencia energética y sus componentes usan una métrica física, una definición de ingeniería y no económica.

En un concepto más amplio de eficiencia energética (EE) involucra eficiencia energética propiamente tal, eficiencia económica y la protección ambiental, esta última cada vez más importante (Fig. 1). No siempre estos tres aspectos van de la mano y las acciones de mejora de la EE tienen que dirigirse para compatibilizar los tres objetivos.

Algo muy importante a considerar es que el enfoque del análisis de la EE debe estar puesto en los servicios que presta la energía y no en las fuentes de energía. Cuando encendemos la luz es porque necesitamos visibilidad y no un empalme eléctrico o un motor generador. Este cambio de enfoque no es trivial. Incluso los términos que utilizamos confunden en este aspecto, por ejemplo el término “aire acondicionado” hace referencia a calentar o enfriar aire, sin embargo el objetivo buscado no es tratar el aire sino que brindar confort térmico a las personas.

Otro punto a resaltar es que el foco del análisis debería estar en el sistema como un todo y en el servicio que presta, y no en la eficiencia de cada equipo, pues así se obtienen mejores resultados.

Para esto es importante identificar adecuadamente el producto, servicio o actividad que es el objetivo último de la instalación analizada y que requiere energía para su consecución. Pues los ahorros de energía deben relacionarse con el logro buscado.

Ciclo de vida

Una herramienta metodológica importante a la hora de estudiar los costos que genera un equipo que consume energía es el Análisis Energético del Costo del Ciclo de Vida. Se trata de  una versión restringida del Análisis del Ciclo de Vida (ACV) que evalúa las cargas ambientales asociadas a un producto, proceso o actividad. El primero sólo considera el análisis de la energía, dejando fuera del análisis las materias primas utilizadas y los residuos originados.

Es una herramienta de decisión que compara los costos de adquisición y operación de sistemas que utilizan energía, tales como generación de vapor, calefacción, enfriamiento, iluminación, envolvente de una edificación, agua caliente sanitaria, etc.
Entrega un método para evaluar diferentes opciones de sistema que utilizan energía y seleccionar aquella más efectiva y menor costo (costo-efectiva).

En la Fig. 2 podemos ver el costo que genera lo largo de su vida útil 3 motores eléctricos de diferente potencia. Como se podrá ver el costo de adquisición representa como máximo un 10% y el costo de energía llega incluso al 90%. Por lo tanto las decisiones de inversión deberían siempre considerar el costo del ciclo de vida de la tecnología y los equipos a adquirir.

Cuando en una obra el constructor o el instalador es diferente del usuario final, se tienen objetivos contrapuestos que dificultan la adquisición e instalación de sistemas eficientes. Los primeros buscan el mínimo costo de adquisición de los equipos, el usuario en cambio busca costos de operación bajos. Es este último el que debe exigir altos estándares de eficiencia energética de lo solicitado, sin embargo usualmente es el que menos conocimientos específicos tiene.

Técnicas de eficiencia energética aplicables a sistemas calefacción y aire acondicionado

Disminución de las necesidades de energía

· Diseño adecuado del sistema y selección de equipos.
· Correcto uso de la aislación térmica.
· Consideración adecuada de la insolación en el diseño del acristalamiento (ventanas) e iluminación.
· Iluminación, equipos y artefactos eficientes.
· Set point y control de temperaturas.

Utilización de energías gratuitas

· Aprovechamiento aire exterior (free-cooling).
· Enfriamiento evaporativo.

Incremento de la eficiencia energética

· Zonificación de los equipamientos para satisfacer sus necesidades particulares.
· Adecuada selección de las temperaturas de evaporación y condensación.
· Empleo de sistemas de distribución de fluidos con motores de velocidad variable.
· Aplicación de equipos de bomba de calor.
· Sistemas de cogeneración.
· Utilización del calor de condensación de equipos de refrigeración o calor de los humos en calderas.
· Recuperación del calor del aire de descarga de ventilación.
· Métodos de acumulación térmica.

Correcta regulación del sistema

· Correcta regulación inicial.
· Regulación periódica para mantener altos niveles de eficiencia en el rango de trabajo.

Selección adecuada del equipo

La selección de equipos de capacidad muy alta o muy baja en relación a lo requerido, hace que los componentes trabajen alejados en su punto de máxima eficiencia, disminuyendo la eficiencia global del sistema. Por ejemplo:

· Ductos o cañería de escaso diámetro producen una mayor pérdida de carga en el sistema necesitándose ventiladores y bombas más grandes. Asimismo ocurre con el tipo y cantidad de las singularidades (codos, derivaciones, válvulas, etc.) del trazado. Un bién diseño del sistema permite ventiladores y bombas de menor tamaño y un menor consumo de energía.

· Un motor eléctrico sub utilizado trabaja con bajo rendimiento y bajo factor de potencia, pudiendo consumir incluso más energía que un motor más pequeño utilizado a altos niveles de carga.

· Serpentines muy pequeños -en relación a una capacidad dada- demandan caudales de líquido mayores para cumplir con la capacidad. Serpentines muy grandes, subutilizados, presentan coeficientes de transferencia de calor bajos.

· Ventiladores seleccionados en un punto de trabajo muy alejado de su punto de máximo rendimiento, demandan más potencia por unidad de caudal desplazado.

Evidentemente el aspecto energético no es lo único a considerar al seleccionar un equipo y no siempre es posible compatibilizar los requerimientos con el máximo rendimiento de un equipo.

Free cooling

Por free cooling (o enfriamiento gratuito) se entiende el aprovechamiento de las condiciones ambientales exteriores para enfriar o calentar, evitando o disminuyendo el consumo de energ ía. En el caso del acondicionamiento de aire, esto es posible realizar cuando la entalpía del aire exterior es menor que la entalpía objetivo para el ambiente a enfriar, y viceversa en el caso de que se quiera calefaccionar. Evidentemente esto se puede hacer dentro de los límites de confort para las personas. La figura 3 muestra un ciclo de free cooling,

Recuperadores de calor aire - aire

Cuando se requiere renovar el aire en un recinto se agrega una carga térmica al sistema (o se pierde si se trata de calefacción). Esa pérdida de energía puede ser importante en especial cuando no es posible recircular parte del aire (clínicas, hospitales, laboratorios) permite reducir la carga térmica. Asimismo en locales que requieren altas tasas de renovación de aire (restaurantes, teatros, etc.).

Los sistemas de recuperación de calor aire-aire permiten la renovación de aire fresco con mínima pérdida y menor consumo en equipos de enfriamiento o calefacción. Se puede distinguir entre recuperadores de calor aire-aire indirecto mediante el uso de serpentines, como se muestra en la figura 4.

En el caso de los recuperadores de calor aire-aire directos (fig. 5), se trata de un equipo de placas que separan dos flujos de aire que circulan a contracorriente o de manera cruzada.

En el caso de los sistemas regenerativos (ruedas regenerativas) puede haber también intercambio de calor latente. Hay pequeñas filtraciones de aire ente un flujo y otro, por lo que no son apropiados donde se requiere condiciones de higiene del aire altas (hospitales, laboratorios).

Los beneficios que se pueden tener con estos equipos son:

· Hasta un 70% de eficiencia.
· Ahorros en energía eléctrica para generar frío (chiller)
y combustible para generar calor (caldera).
· Ahorro energía eléctrica para circulación agua (bombas).
· Al considerarse en el diseño del sistema permiten la disminución del tamaño del equipo necesario para enfriar el ambiente y por ende un menor costo inversión.

Control de caudal de aire y fluidos

Para la movilización del aire y fluidos se requiere la utilización de ventiladores y bombas, pero no siempre se requiere la máxima capacidad, por lo que por lo general los sistemas operan encendiendo y apagando (control on/off) para mantener las condiciones deseadas. Sin embargo esto en relación a un control continúo demanda en el tiempo un mayor consumo eléctrico.

Variando la velocidad de giro de un ventilador o una bomba se puede tener el flujo justo requerido, minimizando el consumo de energía.

En el caso de la ventilación es de particular utilidad la regulación de caudal para:

· Regular de las condiciones de confort mediante el control del caudal de aire.
· Climatización de precisión.
· Mantención del caudal de aire a pesar del ensuciamiento de filtros (hospitales, clínicas, laboratorios).

En la figura 6, se puede ver un diagrama con las pérdidas que se generan en un ventilador de accionamiento indirecto con convertidor de frecuencia. Sólo el 54% de la energía es aportada al aire como velocidad y presión estática, el resto se pierde.

En la figura 7, podemos ver cómo el realizar un control de caudal mediante una compuerta de regulación (damper), restringimos la sección de paso del aire provocando mayor fricción (reflejado en aumento de la presión estática). Lo que se hace es disipar parte de la energía entregada al aire para disminuir la energía útil (en este caso la energía cinética y por ende el caudal de aire). Eso es equivalente a estar cocinando a llama alta y que cuando quisiéramos disminuir el aporte de calor, en vez poner en llama baja el quemador, desviáramos parte de la llama para que se perdiera en el ambiente. Es decir no hemos disminuido el consumo de energía y lo que hacemos es botar parte de la energía, empobreciendo la eficiencia.

En contrapartida variando (en este caso disminuyendo) la velocidad de giro del ventilador lo que hacemos es disminuir efectivamente el aporte de energía, manteniendo alto niveles de eficiencia. La presión estática disminuye y el caudal de aire disminuye, siguiendo la curva del sistema. No se bota energía, se aporta sólo la necesaria.

En la figura 8 podemos ver reflejada la variación de la potencia consumida en el caso de utilizar un control mediante damper en comparación a la utilización por control velocidad giro.

En el caso de los ventiladores existen diversas formas de controlar la velocidad de giro del ventilador. En la figura 9 se aprecia una comparación del consumo de energía para distintas velocidad de giro del ventilador: por regulación de tensión, mediante un convertidor de frecuencia y con motores electrónicamente conmutados (EC). Esta última tecnología combinada con el diseño optimizado del conjunto motor ventilador permiten los mejores niveles de eficiencia para cada estado de carga del ventilador.

Aplicando criterios de eficiencia energética en diseño de las instalaciones, en la selección de equipos, en la modificación de las instalaciones existentes, en el mantenimento, en la configuración y en el control posterior a la puesta en marcha, es posible lograr importantes ahorros en gastos operacionales por concepto de energía. Estos ahorros permiten financiar en corto tiempo los costos adicionales que puedan significar los equipos y las modificaciones necesarias.

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Eficiencia Energética en Sistemas de Refrigeración

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Eficiencia Energética en Sistemas de Refrigeración

No es un misterio para nadie que mire sus cuentas eléctricas, que los precios han subido muy rápidamente en el último año. Esto ha fomentado la búsqueda de alternativas que permitan reducir este costo, sin sacrificar el servicio final deseado. Este es el concepto de uso eficiente de la energía o más bien conocido como Eficiencia Energética (EE).

Los sistemas de refrigeración industrial utilizan principalmente energía eléctrica, la cual es utilizada para mover compresores, motores y otros sistemas asociados. El uso de frío industrial es muy utilizado por la industria de alimentos y también por otros procesos industriales. Con el fin de promover el uso eficiente de la energía en este tipo de sistemas, es necesario conocer bien las opciones existentes en los sistemas de generación y distribución, así como de las oportunidades existentes en su uso final.

Como primer paso de diagnóstico energético, es extremadamente importante conocer muy bien las instalaciones. Los sistemas pueden ser variados y  de diversa complejidad. Es importante identificar los equipos asociados y generar un esquema de las instalaciones, además de representarlos físicamente en un layout de la planta. A continuación se presenta un esquema típico de un sistema de refrigeración. Este puede tener múltiples compresores, evaporadores, condensadores y sistemas de expansión.

Idealmente sería de gran beneficio contar con un balance de energía de las instalaciones, con el fin entender como se consume la energía de refrigeración. Esto no está siempre disponible, pero podría ser de gran utilidad al momento de buscar oportunidades de EE.

Otro tema de gran relevancia es establecer los parámetros de operación, a lo largo de un día, mes o año. Pueden existir estacionalidades de uso que deben ser identificadas con claridad. Realizar mediciones instantáneas de operación, así como a lo largo de un período, ayudará a verificar y a identificar el régimen de funcionamiento del sistema.

Se recomienda establecer índices de consumo energético, como por ejemplo consumo de energía eléctrica por toneladas de producto refrigerada (kWh/ton). Esto ayudará a monitorear el uso de energía de las instalaciones.

Abordar el tema en gran profundidad no es posible en este artículo, es por eso que se han seleccionado sólo un par de medidas, que los autores han identificado durante la realización de auditorías energéticas durante el presente año.

Oportunidades de EE en la generación de frío

Aumento de la temperatura de evaporación

Mientras mayor sea la temperatura de evaporación de un sistema de refrigeración, menor será su consumo de energía. Un aumento de 1°C, podría significar ahorros que van entre un 1% y un 4%.

La reducción del volumen de específico del refrigerante, asociado al aumento de la temperatura de evaporación, afecta la capacidad frigorífica del compresor y las pérdidas en la línea de succión. Es posible estimar que por cada 1ºC de aumento en la temperatura de evaporación, podría obtenerse un aumento de un 4% a un 6% en la capacidad frigorífica del compresor.

Algunas maneras de reducir la temperatura de evaporación son:

•Mantener los evaporadores libre de hielo.

•Evitar obstrucciones al flujo de aire en las cámaras de frío.

•Mantener los intercambiadores de calor libre de obstrucciones, aceite, etc.

•Evitar la acumulación de aceite de los compresores en los evaporadores, para esto es necesario dimensionar correctamente las líneas de succión y utilizar separadores de aceite eficientes.

•Limpiar o cambiar periódicamente los filtros de refrigerante, con el fin de evitar minimizar las pérdidas de presión a través de ellos.

•Elevar la temperatura de evaporación hasta el mayor valor posible, en función de las necesidades del proyecto.

En uno de los estudios realizados por los consultores, para una planta exportadora de uva de mesa, fue posible identificar la siguiente situación:

•El sistema de refrigeración de la planta se encontraba en expansión. Durante una de las visitas fue posible observar que existían 2 cámaras de mantención para 0°C y 3 túneles de prefrío.

•Existían 9 unidades evaporadoras en cámaras de frío, 2 compresores en la sala de máquinas y un condensador evaporativo junto a la sala de máquinas. El sistema completo de refrigeración utiliza amoniaco (NH3) como refrigerante. El detalle de la potencia instalada de los equipos se presenta en la tabla Nº 1.

•Fue identificado que el trabajo de los compresores estaba en el rango adecuado en cuanto a presiones de trabajo y consecuentemente de rendimiento. Se verificó que la planta trabajan a presiones equivalentes a temperaturas de evaporación de -12,5ºC y temperaturas de condensación de +32ºC.
De acuerdo con la experiencia de los consultores, se estimó posible que los compresores serían capaces de proveer los escalonamientos de control necesarios para mantener temperaturas de evaporación superiores y no menores a -10°C. El siguiente análisis muestra que esta diferencia, sólo 2,5ºC, pueden significar ahorros en los costos operacionales significativos

Tabla rendimiento compresores Mycom N6WB

La tabla presenta las capacidades de los compresores existentes, modelo N6WB. Con la actual temperatura de evaporación de -12,5ºC, es posible extrapolar el rendimiento de cada uno de los compresores, correspondiente a 80,6 toneladas de refrigeración o 241.983 kcal/h. Es posible apreciar que el rendimiento de cada compresor a una temperatura de evaporación de -10ºC es de 90,1 toneladas de refrigeración o 270.840 kcal/h (flecha azul). Esta diferencia de rendimientos implica casi un 12% de aumento de capacidad.

Utilizando una lógica simple, esta propuesta nos indica que si los equipos están en una condición de operación de un 12% de mayor capacidad, sus horas de operación para la misma cantidad de producto a enfriar sería de un 12% menor a la actual.

En la práctica, el aumento de la temperatura de evaporación conlleva un incremento en la exigencia al motor eléctrico del compresor. Esto implica que existe un aumento en el consumo eléctrico de este motor, pero en un porcentaje menor y no mayor al 50% del incremento del rendimiento frigorífico. Fue estimado que el aumento de eficiencia energética del compresor podría alcanzar un valor de un 7%.

Tanto los evaporadores, como el condensador evaporativo, del sistema parecían ser dimensionados adecuadamente. La potencia eléctrica del motor del compresor poseía un margen adecuado, donde los 90 KW (120 HP) son adecuados para manejar temperaturas de evaporación de hasta +5ºC según catálogo del fabricante.

Fue estimado que la inversión necesaria para los elementos de control, que ayudarían a realizar un proceso de regulación fina, no debiera superar $1.000.000. El apoyo del proveedor de los equipos y del instalador del sistema, fueron de suma importancia para identificar esta oportunidad. Este tipo de regulación debe ser siempre evaluada por el proveedor o prestador de servicios de mantención, ya que dependerá de las condiciones de diseño de la planta. La siguiente tabla resume la oportunidad de elevar la presión de evaporación de -12.5 ºC a -10ºC.

Este es un proyecto de EE, claramente atractivo y fue recomendada su implementación inmediata. Este tipo de oportunidad implica una acción que conlleva una baja inversión y la cual debe permanecer como una tarea del equipo de mantención.

Control de la presión de condensación

En otro estudio realizado por los consultores, para una aplicación comercial pequeña, fue posible identificar la siguiente situación:

•El sistema de refrigeración correspondía a uno típico utilizado para mantener productos alimenticios a medias/bajas temperatura

•Existía una unidad condensadora exterior y seis unidades evaporadoras interiores, que utilizan refrigerante 404A.

•Las unidades evaporadoras poseían consumos eléctricos muy parejos durante el día. Por otro lado, la unidad condensadora poseía consumos extremadamente variables, que dependían de factores tales como demanda de frío de las distintas unidades evaporadoras, condiciones de temperatura interna y temperatura ambiental externa.
Se midió el consumo eléctrico de la unidad condensadora durante 4 días, los resultados de presentan en el siguiente gráfico. Durante las horas atención al público, entre las 08:00 y 22:00 horas, el consumo medio fue de unos 12,5kW. El consumo medio bajó a un valor de 7,4kW durante la noche, cuando el supermercado estaba cerrado al público. Esto representa una reducción de consumo del orden de un 40% (ver grafico).

Esta baja de consumo tiene relación con dos aspectos:

• el uso de cortinas en la vitrinas (lácteos, carnes, etc.) durante la noche reduce las pérdidas.

• las menores temperaturas exteriores durante la noche, ayuda a que la unidad trabaje en condiciones mas favorables.

Es evidente que el uso de cortinas genera una gran reducción de consumo de energía, el cambio es muy brusco y ocurre exactamente a las horas que se cierra el supermercado, alrededor de las 22.00 horas.

Se realizaron además mediciones de los consumos eléctricos, por fase, de los compresores y ventiladores de la unidad condensadora, en la mañana (10.30) y en la tarde (15.30), de un día de verano. De estas mediciones se puede mencionar:

a. Los compresores de refrigeración trabajan siempre muy por debajo de su amperaje nominal máximo. Esto es una característica propia de todo tipo de compresores herméticos y semi-herméticos de refrigeración.

b. El incremento de la temperatura ambiental externa y consecuentemente de la temperatura interna del local en alguna medida, genera aumentos de consumo eléctrico de un 4,4%.

Se realizaron además mediciones de presión de refrigerante, las cuales indican que:

a. La temperatura de evaporación de la mañana (-14ºC) es mas baja de lo necesario, lo cual implica un mayor uso de energía.

b. En el caso de las mediciones de la tarde se demuestra que la unidad condensadora esta bastante sobre dimensionada.

Utilizando tablas de rendimiento de compresores, se pudo establecer una comparación de consumos eléctricos con los rendimientos frigoríficos, lo cual se presenta en la siguiente tabla de arriba.

Es posible apreciar que existe un potencial de reducir el consumo eléctrico en por lo menos un 3.8% sin sacrificar el rendimiento frigorífico. Para esto se requiere un control más preciso de la presión de condensación.

Extrapolando estos ahorros a un año completo, fue estimado que los ahorros podrían ser superiores en los meses de invierno donde la unidad funciona a cargas parciales, y que sería posible lograr ahorros del orden de un 10%.

Las opciones de control de la presión se pueden lograr a través de controlar el funcionamiento de los ventiladores de la unidad condensadora. Esto se puede lograr mediante la incorporación de presostatos simples, tipo ON-OFF, de reposición automática para cada ventilador, que permitan mantener una presión de condensación más constante posible entre 16 y 20 bar.

En algunos casos es posible, que sólo se requiera de una regulación adecuada de los instrumentos de control para lograr presiones de trabajo adecuadas y estables. Esto permitirá mantener este equipo en una condición de máxima eficiencia.

Esta es otra medida de EE claramente atractivo y también se recomendó su implementación inmediata. Esta oportunidad corresponde nuevamente a una acción de baja inversión y que debe permanecer en el tiempo como un ítem de eficiencia en la operación.

Conclusiones

Se estima que es posible ahorrar entre un 2% y un 3% por cada grado que sea posible disminuir en la temperatura de condensación. A su vez se estima también que sería posible obtener ahorros entre un 1% y un 4% por cada grado que sea posible elevar la temperatura de evaporación.

Pero esto no es todo, existen variadas oportunidades en el área de refrigeración industrial y comercial. Algunas de ellas serán de tipo genéricas, pero la gran mayoría serán específicas al tipo de instalación. Es altamente recomendado realizar diagnósticos energéticos, que faciliten la identificación de estas oportunidades de EE y sus potenciales medidas asociadas. Es importante analizar las medidas desde el punto de vista técnico y económico.

Hoy en día existen instrumentos que permiten a las empresas realizar y co-financiar este tipo de estudios. Pero es siempre recomendable comenzar internamente y buscar la asesoría de expertos para temas específicos.

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