Por el Dr. Andy Pearson, CEng, Star Refrigeration

Traducido por Javier Atencia, TEWIS

El amoníaco se ha utilizado como refrigerante desde 1859, cuando los hermanos Carre desarrollaron el proceso de absorción en Francia. Se usó por primera vez en los Estados Unidos durante la Guerra Civil en 1863, cuando se pasaron en contrabando a través de los bloqueos de la Unión vía México cuatro máquinas de hielo por absorción que fueron instaladas en los estados del sur; la primera fue una máquina de 200 (440 lb) kg por día construida en Augusta, Georgia.

Casi una década después, David Boyle, nacido en Johnstone, Escocia, instaló el primer compresor de refrigeración de amoníaco del mundo en Jefferson, Texas. Esto fue anterior a Carl von Linde, quien en ese momento reconoció el potencial de los sistemas de compresión de vapor, pero estaba experimentando con éter metílico. Carl cambió al amoníaco en 1876, aplicando el rigor científico al diseño del compresor y al sistema, alcanzando nuevos niveles de éxito con su nuevo diseño que, posteriormente, fue licenciado a Augsbourg (Alemania), Sulzer (Suiza), Carels (Bélgica), Morton & Burton (Gran Bretaña) y Fred Wolf (USA). Durante los siguientes diez años, muchos más fabricantes de compresores de amoníaco iniciaron su actividad en ambos lados del Atlántico, incluidos De La Vergne, Frick, Vilter y York en USA y Sterne en Gran Bretaña.

La refrigeración con amoníaco se convirtió rápidamente en la técnica preferida para el enfriamiento de salmueras y la fabricación de hielo para la elaboración de cerveza, el envasado de carne, los almacenes logísticos y las pistas de patinaje sobre hielo.

Desde estos primeros comienzos ha habido muchos desarrollos en refrigeración; algunos de ellos debilitando la posición dominante del amoníaco y otros reforzándola. Si bien en los inicios se tenía una tecnología en común, las industrias en Europa y Estados Unidos tomaron caminos distintos, por lo que no sorprende encontrar que, ciento cincuenta años después de Carres y su primer sistema de absorción, existen diferencias considerables en las tecnologías, actitudes y legislación. En Europa, entre 1950 y 1980, el amoníaco en refrigeración industrial fue reemplazado casi por completo por los CFC y los HCFC. Últimamente, estos sistemas tendían a ser grandes sistemas de R-22 bombeados, pequeños racks de R-502 que usaban expansión directa o el sistema de “baja presión de recipiente” sin bombas. El amoníaco solo se retuvo en plantas muy antiguas, o donde había una fuerte tradición de su uso respaldada por una experiencia local adecuada como, por ejemplo, en las cervecerías. La mayoría de las cámaras frigoríficas, fábricas de alimentos y todas las pistas de hielo construidas en el período de 1970 a 1990 en el Reino Unido utilizaron halocarbonos (principalmente R-22). Los Chillers de agua para el aire acondicionado de los edificios se basaban casi exclusivamente en halocarbonos; principalmente en enfriadores centrífugos de R-12 para grandes capacidades y enfriadores R-12 o R-22 con múltiples compresores alternativos semiherméticos en los tamaños más pequeños. En otras partes de Europa, el alcance del cambio varió. Europa central retuvo más plantas de amoníaco, pero Francia, por ejemplo, promulgó requisitos mucho más estrictos. Estos dictan que cualquier sistema que contenga más de 150 kg de amoníaco debe cumplir con las normas sobre la ubicación de la planta en relación con los edificios vecinos y debe estar sujeto al registro de la autoridad local y la supervisión técnica. Dado que los sistemas pequeños, con menos de 150 kg de carga, son los más adecuados para el R-22, la industria de la refrigeración con amoníaco en Francia se vio bastante restringida.

En Estados Unidos, el mercado de aire acondicionado estaba más avanzado y usaba distintos enfriadores centrífugos de R-11, así como de R-12. El sector industrial fue tratado como un nicho dentro de un mercado mucho más grande y optó por seguir usando amoníaco de una forma muy tradicional. Tratándose de grandes sistemas instalados in-situ que comprenden dos o más regímenes de temperatura, con amoníaco contenido en grandes separadores y bombeado a las cámaras de congelados, cámaras frigoríficas y otros procesos. Se estima que existen alrededor de 2.000 instalaciones en los Estados Unidos de América con una carga de amoníaco superior a 10.000 lb (4.546 kg), que es el umbral para el registro de la instalación en la Administración de Seguridad y Salud Ocupacional (OSHA). La más grande de estas plantas contiene más de 400.000 lb (más de 180.000 kg) de refrigerante.

LAS CONSECUENCIAS DE LA ELIMINACIÓN DE CFC

La divergencia de los mercados europeo y estadounidense de refrigeración y aire acondicionado tuvo un profundo efecto en sus respectivas respuestas a los informes iniciales sobre el agotamiento de la capa de ozono. En los EE.UU. desde 1977 se promulgó una legislación que limitaba el uso de los CFC en aerosoles, concretamente los considerados como “sistemas de pérdida total”, sin embargo, no se tomaron medidas contra el aire acondicionado y, en particular, el aire acondicionado de los automóviles. En ese momento, el aire acondicionado del automóvil era también un sistema de pérdida total, ya que no se intentaba recuperar el refrigerante durante el servicio del vehículo. Por el contrario, en Europa, y en particular en el norte de Europa, los aerosoles no fueron el objetivo hasta mucho más tarde, pero el mercado de la refrigeración y el aire acondicionado estuvo estrictamente controlado en una etapa mucho más temprana. Cuando el Protocolo de Montreal fue ratificado por primera vez en 1986, la Comunidad Europea lideró la campaña para imponer controles más exigentes. El protocolo originalmente buscaba reducir la producción de CFC al 50 % en base a los niveles de 1986, pero la UE propuso límites más rigurosos con la eliminación completa en el tiempo (phase-out long) mucho antes de que esta fuese la postura acordada mundialmente.

Por lo tanto, estaba claro que la industria de la refrigeración comercial e industrial en Europa, que había llegado a depender del R-12 y el R-502, necesitaría encontrar alternativas. Los HFCs como el R-134a llenaron el vacío en el mercado comercial y durante mucho tiempo se promocionó el R-22 como “parte de la solución, no del problema”. Sin embargo, eventualmente quedó claro que, debido a una mayor preocupación por el calentamiento global, los días del R-22 también estaban contados, y que además esta situación, más temprano que tarde, llegaría a Europa.

Los HFCs eran, fundamentalmente, inadecuados para ser utilizados en los sistemas industriales de grandes capacidades. Eran relativamente caros, por lo que por primera vez en la historia de la refrigeración la carga de refrigerante en una planta industrial representó una proporción significativa de la inversión total. Los HFCs requerían el uso de nuevos lubricantes, ninguno de los cuales era realmente adecuado para su uso en este tipo de sistemas. De alguna manera, también parecía ser más propensos a las fugas que sus predecesores. En poco tiempo, el amoníaco fue “redescubierto” en Europa, y adoptado con entusiasmo por el mercado industrial. Por otro lado, los usuarios finales no estaban familiarizados con el amoníaco y los técnicos de servicio estaban más acostumbrados a las plantas de halocarbono “totalmente automáticas”, con purgadores de aire y sistemas de retorno de aceite automáticos. Esto hizo que no fuese posible volver a los sistemas tradicionales de amoníaco que todavía se estaban instalando en los EE. UU. y, por lo tanto, los contratistas europeos desarrollaron nuevas técnicas.

Estos desarrollos incluyeron el uso del amoníaco en enfriadores compactos con evaporadores de baja carga y la adaptación del sistema de baja presión de recipiente utilizados en los sistemas con CFCs para hacerlo apto en sistemas con amoníaco.

LA INFLUENCIA DEL TIPO DE INTERCAMBIADOR DE CALOR EN LA CARGA DEL SISTEMA ENFRIADOR

Los enfriadores tradicionales de agua glicolada utilizan un evaporador de carcasa y tubos. Para la operación de expansión seca, el refrigerante está dentro de los tubos, pero la mayoría de los enfriadores de amoníaco funcionan “inundados”, con el agua o el glicol en los tubos y el amoníaco líquido en el lado de la carcasa. Hay diferentes ventajas en esta solución dando como resultado una gran carga de amoníaco en relación con la capacidad de enfriamiento. Cuando se utilizan condensadores evaporativos o enfriados por aire, estos también contienen una cantidad significativa de refrigerante líquido, por lo que un enfriador de estilo tradicional, con evaporador de carcasa y tubo inundado y condensador por aire, puede contener hasta 1 kg/kW (7,7 Ib/ TR). Si se controla el nivel de líquido en el evaporador inundado mediante un “sistema de flotador” y además se instala un recipiente de alta presión, la carga específica podría aumentar hasta 1,5 kg/kW (11,6 Ib/TR). Varios tipos alternativos de intercambiadores de calor pueden reducir estas cifras. El más común es un intercambiador de calor de placas, compuesto por placas de láminas corrugadas delgadas, generalmente de acero inoxidable, que se comprimen entre placas extremas de acero grueso en un bastidor soporte. Estos intercambiadores se desarrollaron originalmente para el intercambio de calor líquido/líquido en industrias de procesos, pero requirieron de una adaptación mínima para su uso como evaporadores o condensadores. Las unidades más pequeñas pueden soldarse con níquel o incluso con cobre electro-estañado para usar con amoníaco, pero por encima de los 100 kW (30TR) de capacidad, es necesaria la configuración de la placa y bastidor. En un sistema alimentado por gravedad estándar, las placas y el tubo ascendente de aspiración húmeda están casi llenos de amoníaco líquido, con burbujas de gas saliendo a través de él. En el peor de los casos, la carga específica de un intercambiador de calor de placas alimentado por gravedad no será mucho menor que la de uno de carcasa y tubos, aunque el volumen interno del conjunto de placas sea relativamente pequeño. Sin embargo, si las placas funcionan con una línea de aspiración seca o casi seca, es probable que la carga específica se reduzca a alrededor de 0,5 kg/kW (3,9 lb/TR) con un condensador directo (enfriado por aire o evaporativo).

Si se utiliza un condensador de placas junto con una torre de enfriamiento o un enfriador de aire, la carga específica de amoníaco se puede reducir fácilmente a 0,1 kg/kW (0,8 lb/ TR). Enfriadores de este tipo se utilizan en grandes instalaciones; hasta 10 MW (2.850 TR) para la refrigeración de minas en Sudáfrica; y se han aplicado a grandes proyectos de refrigeración en edificios públicos como la Terminal 5 de Heathrow y el aeropuerto Gardermoen de Oslo.

Hay varias formas en las que se puede lograr el funcionamiento “casi seco” del evaporador de placas, incluido el uso de una válvula de expansión termostática o electrónica para controlar el recalentamiento en la aspiración o el uso de un recipiente separador de aspiración con control de “nivel alto”. Hay varios tipos de soluciones en el mercado que utilizan control de recalentamiento, pero siempre existe el riesgo de un arrastre de líquido al compresor si no se instala un separador de aspiración, especialmente en condiciones de carga que varían rápidamente. El sistema con un recipiente de baja presión tiene una “carga precisa” y el exceso de carga no puede llegar al compresor. Este sistema ofrece la eficiencia y fiabilidad de un sistema inundado por gravedad, teniendo en cuenta que el recipiente se puede colocar en cualquier lugar en relación con el evaporador, lo que ofrece una mayor flexibilidad en el diseño de enfriadores compactos.

El intercambiador de calor de carcasa y placas es una variante del intercambiador de calor de placas, adecuado para aplicaciones con alta presión en el lado secundario. Este comprende un conjunto de placas corrugadas circulares, soldadas con láser en las costuras y compactadas en una carcasa de acero. Ofrece una disposición muy compacta, pero a diferencia del intercambiador de placas y bastidor, no es tan fácil de desmontar para su limpieza. Si se requiere un evaporador de baja carga, donde la limpieza del lado secundario es esencial, se debería considerar un enfriador por espray (Spray Chiller). Este es un conjunto de carcasa y tubos, con una bomba que alimenta líquido a un tubo rociador situado encima del haz de tubos. La carcasa casi no contiene líquido, pero las superficies de los tubos están completamente humedecidas, lo que brinda un funcionamiento eficiente en una amplia gama de capacidades. Por lo que no hay prácticamente riesgo de arrastre de líquido bajo ninguna circunstancia.

Se han desarrollado intercambiadores de calor de “microcanales” extruidos o fabricados para aplicaciones de refrigeración, particularmente como evaporadores para sistemas de dióxido de carbono y condensadores para enfriadores R-134a. Hasta la fecha, estos nuevos intercambiadores de calor no se han aplicado a enfriadores de amoníaco, pero la perspectiva es muy atractiva, ya que debería ser posible lograr la relación de carga específica de un enfriador de placa/ placa, sin la penalización de un circuito de condensación por agua en el lado del enfriador. Una posible dificultad en el uso de condensadores de microcanales con amoníaco sería el comportamiento del aceite inmiscible en el condensador, donde los conductos de refrigerante suelen tener menos de 1 mm de diámetro. Otra preocupación es la resistencia a la corrosión de estos intercambiadores de calor totalmente de aluminio, ya que la expectativa de vida útil de los equipos de amoníaco es generalmente más larga que la de los enfriadores comerciales. En aplicaciones de enfriadores de aire, como refrigeración y congelados, un desarrollo reciente ha sido una modificación del diseño para mejorar la humectación de la superficie interna del tubo. Este efecto es importante para los evaporadores de expansión directa y los de los sistemas con recipientes de baja presión, y se vuelve cada vez más importante a medida que se reduce la temperatura de funcionamiento.

En aplicaciones de enfriamiento no hay dificultad para establecer un flujo anular u ondulado en los tubos del enfriador, pero en cámaras frigoríficas y congeladores rápidos o en espiral, donde el caudal másico es bajo en comparación con el caudal volumétrico, el régimen de flujo casi siempre está estratificado y, por lo general, solo se humedece el 10-20% de la superficie del tubo. Junto con el uso de tubos de aluminio, esta disposición puede ofrecer una mejora significativa en la eficiencia del sistema, del orden del 10 %, al tiempo que reduce la cantidad de amoníaco líquido retenido en el evaporador durante la operación. No se utiliza el control del recalentamiento a través de válvulas de expansión termostáticas para los enfriadores de aire de amoníaco debido al riesgo de fugas en la válvula y porque la operación prolongada con amoníaco puede causar erosión del asiento de la válvula (trefilado), lo que provoca un funcionamiento errático y poco fiable. También se pueden causar problemas en un sistema grande si varios enfriadores DX realizan el desescarche al mismo tiempo, particularmente con grandes volúmenes de líquido que regresan por la aspiración supuestamente “seca” al final del desescarche. El uso de enfriadores de aluminio mejorados junto con el sistema recipiente de baja presión elimina estos problemas.

ENFRIADORES DE CARGA MÍNIMA FRENTE A CARGA ÓPTIMA

A principios de la década de 1990, cuando la industria de la refrigeración en Europa buscaba aplicar el amoníaco en las enfriadoras de agua para dar servicio a los edificios, hubo una oleada de desarrollos de los denominados enfriadores de “carga mínima”. El objetivo era animar a los operadores que antes no estaban familiarizados con el amoníaco a utilizarlo en grandes sistemas de refrigeración donde las alternativas de fluorocarbonados eran inaceptables. La mayoría de estos diseños utilizaron intercambiadores de calor de placas como evaporador y condensador, pero todos los demás componentes del sistema también se analizaron y modificaron cuando fue posible para reducir la carga de la unidad. Una configuración típica usaba una alimentación por gravedad para el evaporador, pero con el nivel controlado en la caída en lugar del separador. El líquido a alta presión del condensador se expandió a través de un eyector hacia la entrada del intercambiador de placas. La sobrealimentación de las placas se conectó al puerto lateral del eyector, creando una ligera aspiración que fue suficiente para superar la pérdida de presión a través del intercambiador e inducir el flujo desde el separador de vuelta a la entrada del intercambiador de placas. No había un recipiente de alta presión en la unidad; un recipiente en el lado de baja fue suficiente para realizar la carga total de la unidad. Con esta disposición fue posible realizar una carga específica tan baja como 0.025kg/kW (0.216/TR), resultando una carga de solo 25kg (5516) en una unidad de 1.000kW (285 TR). Sin embargo, este tipo de unidad atrajo algunas críticas por varias razones. Si hubiera alguna fuga de amoníaco, por leve que fuera, el rendimiento de la unidad se vería afectado negativamente. Esto podría causar que la eficiencia se viese afectada o requeriría de la atención inmediata de un técnico para rastrear y reparar la fuga. Como no había un recipiente de alta presión, si la válvula de expansión estaba controlada por un flotador en el lado de baja presión del sistema, cualquier exceso de carga en la planta tendería a regresar al condensador de tipo placas. Esto sería hacer que la unidad funcionase de manera ineficiente con una alta presión de descarga. La idea de una unidad en la que la eficiencia dependiera tan estrictamente de lograr y mantener exactamente la carga correcta no encontró el favor de los operadores de las plantas. En su lugar se desarrolló el concepto de “carga óptima”. Se reconoció que no era sensato hacer que la carga de amoníaco fuera tan baja como fuera posible si esto tenía efectos adversos sobre en la fiabilidad o la eficiencia. La “carga óptima” debería ser lo más baja posible sin correr el riesgo de una gran ineficiencia si se perdía una pequeña cantidad de refrigerante. El sistema de recipiente de baja presión descrito anteriormente logró este objetivo. En funcionamiento normal, hay una ligera sobrealimentación del placas, normalmente del 3 al 5 % en una enfriadora de agua. Este se recoge en el recipiente de baja presión, donde se evapora subenfriando la alimentación líquida desde el condensador. Si la unidad está con baja carga, el flujo a través de las placas se evapora hasta secarse y no hay líquido sobrealimentado disponible para el subenfriamiento. Esto da una señal clara y fácil de registrar de que la unidad tiene poca carga, pero no tiene un efecto significativo en la eficiencia hasta que se haya perdido una mayor cantidad de refrigerante. Si el sistema está sobrecargado, el exceso se ubicará en el recipiente de baja presión y no tendrá ningún efecto sobre la eficiencia o la fiabilidad a menos que la sobrecarga sea tan excesiva que el recipiente se llene y el líquido regrese al compresor. En la práctica, esto requiere tanto refrigerante adicional que es muy poco probable que suceda. Los sistemas de carga óptima se han vuelto muy comunes, y una carga específica de referencia de 0,1 kg/kW (0,816/ TR) parece aceptarse generalmente como un objetivo sensato. Se instaló un gran sistema con evaporadores de placas y condensadores para Roche Pharmaceuticals en Welwyn Garden City en Inglaterra. Con tres enfriadores de agua, cada uno de 2.500 kW (720 TR), se requirieron 238 kg (524 lb) de amoníaco en la puesta en marcha. Se estipuló en la especificación que la carga sería inferior a 250 kg (550 lb) por enfriador. El uso de depósitos de baja presión e intercambiadores de calor de placas ahora se ha extendido a una gama estándar de conjuntos de enfriadores de agua con dos compresores de tornillo compactos y capacidades en el rango de 200kW a 800kW. Estos enfriadores condensados por aire están diseñados para su ubicación en exteriores, con el panel de control, los compresores, el sistema de aceite, el recipiente y el evaporador incorporados dentro del cuerpo del condensador que consta de dos serpentines verticales y una cubierta con los ventiladores.

CARGA ÓPTIMA EN CÁMARAS FRIGORÍFICAS Y CONGELADORES

El recipiente de baja presión, desarrollado originalmente para proporcionar unidades compactas que usan R-502 para cámaras frigoríficas, ahora también se usa para plantas de amoníaco. Inicialmente se pensó que el calor latente muy alto del amoníaco lo hacía inadecuado para este tipo de sistema. No obstante, el diseño cuidadoso de algunos componentes clave y la atención a los detalles en la instalación han demostrado que estos sistemas se pueden diseñar para que sean rentables en términos de capital inicial y retorno de inversión. Este tipo de sistemas de amoniaco se ha construido en el Reino Unido desde 1988, y durante un período de veinte años se han introducido algunos refinamientos de diseño significativos. El alto calor latente significa que el número de recirculaciones en un sistema con recipiente de baja presión de amoníaco es menor que en un sistema R-502 equivalente. Como resultado, es más difícil asegurar una distribución uniforme tanto entre los evaporadores como entre los tubos individuales de cada evaporador. A pesar de ello, si se utilizan distribuidores especiales, se pone especial cuidado en el diseño de los circuitos y se utilizan enfriadores de aluminio mejorados, se pueden obtener muy buenos resultados.

La baja carga de refrigerante en el sistema con recipiente de baja presión es el resultado de una combinación de varios factores. El recipiente solo contiene gas en funcionamiento normal, siempre que la planta esté correctamente cargada. La línea de líquido desde el condensador hasta la sala de máquinas está llena de líquido, pero generalmente es corta y, como todas las líneas de líquido de amoníaco, tiene un diámetro pequeño. Las válvulas de expansión están montadas en el conjunto del recipiente, que generalmente se encuentra en la sala de planta del compresor, por lo que la línea de líquido del conjunto a los evaporadores contiene una mezcla de “flash gas” y líquido en forma de espuma. Los enfriadores suelen contener una cantidad menor de líquido que en un sistema de circulación por bombeo, y la línea de aspiración húmeda, si la planta se carga correctamente, transportará alrededor del 10 % de líquido en masa (alrededor del 1 % en volumen). No hay un recipiente de alta presión en la salida del condensador y la carga del sistema se puede mantener en el recipiente de baja presión para su mantenimiento. Se proporciona un circuito de glicol auxiliar en el condensador evaporativo con el fin de tener un método simple, pero efectivo, de enfriamiento del aceite, y la purga de aire automática se logra con un pequeño contenedor de líquido en la salida del condensador que funciona como cámara de control del flotador de alta presión. El aceite regresa automáticamente desde el recipiente de baja presión al compresor.

El resultado de estas medidas se ilustra mejor con referencia a una instalación típica. El caso de estudio es un centro de distribución compuesto construido en 2001. El centro proporciona instalaciones de distribución de productos refrigerados y congelados a supermercados en el sureste de Inglaterra y consta de cuatro cámaras de temperatura controlada. El mayor de estos mide 123 m (410 pies) en su punto más ancho y 120 m (400 pies) de largo, y se mantiene a +2 °C (36 °F). Hay dos cámaras de refrigeración más pequeñas, una a -1°C (30°F) y otra a +10°C (50°F). Ambos tienen 65 m (215 pies) de ancho y 45 m (158 pies) y 75 m (258 pies) de largo respectivamente. Todos los techos de enfriamiento están a 7 m (23 pies) y el servicio de enfriamiento total es de 2600 kW (750TR).

La cámara frigorífica mide 110 m (365 pies) de largo y 80 m (264 pies) de ancho y tiene un techo de 11 m (36 pies). Se mantiene a -25°C (-13°F) y tiene una potencia calculada de 1150kW (330TR). La cámara frigorífica cuenta con tres sistemas de recipiente de baja presión, cada uno con un compresor Howden WRVi 255 y un condensador evaporativo dimensionados para cumplir con un tercio de la capacidad de la planta. La carga de amoníaco en cada uno de estos sistemas es de 300 kg (660 lb), lo que supone una carga de menos de una tonelada para el almacenamiento frigorífico total, que tiene un volumen de poco menos de 100.000 m3 (3,5 millones de pies cúbicos). Las cámaras de refrigeración son alimentadas con un sistema de glicol enfriado, nuevamente con tres conjuntos independientes. Cada conjunto tiene un recipiente de baja presión y un intercambiador de calor de placas, conectado a dos compresores Howden WRV204 y un condensador evaporativo. La carga de cada enfriador de glicol es de 250 kg (550 lb). Por lo tanto, la carga máxima en cualquier sección individual de este gran centro de distribución es de 300 kg (660 lb) y el inventario total de amoníaco de la planta es de 1650 kg (3600 lb).

Se estima que el sistema de amoníaco bombeado equivalente que estaría compuesto por compresores de baja presión y de alta presión en un sistema booster, un conjunto de bomba de la zona de baja presión, un interenfriador, condensadores evaporativos y un recipiente de alta presión contendría alrededor de 14 000 kg (31 000 lb) debido a las largas líneas de líquido, la gran cantidad de evaporadores y tamaño del separador de aspiración y el interenfriador. En el mercado de los Estados Unidos, el sistema de la planta central estaría sujeto a todos los requisitos para el análisis de peligros y la gestión de riesgos según las reglamentaciones de OSHA, que tienen un umbral inferior de 4545 kg (10 000 lb). El sistema de carga baja, sin embargo, estaría dentro de los límites por un factor de tres, incluso cuando se considera la carga total de todos los sistemas en el sitio.

OPCIONES PARA SISTEMAS INDUSTRIALES MÁS GRANDES

No todas las instalaciones son adecuadas para el sistema de recipiente de baja presión de amoníaco directo descrito anteriormente. Donde hay una gran cantidad de cámaras, donde se espera que la distribución de líquido sea difícil o simplemente donde hay demasiados evaporadores para adaptarse al recipiente de baja presión se prefiere un enfoque de planta central. Todavía es posible lograr una carga baja usando amoníaco junto con otro fluido.

Tradicionalmente, para la planta de enfriamiento, esto sería etilenglicol o propilenglicol y, más recientemente, en Europa, para las plantas de baja temperatura se han introducido otras soluciones salinas como el formiato de potasio y el acetato de potasio. Sin embargo, se ha reconocido que se pueden obtener beneficios adicionales usando dióxido de carbono junto con amoníaco. En los sistemas de refrigeración, el dióxido de carbono se utiliza como “refrigerante secundario volátil”, se bombea a alta presión a la carga de calor, se evapora y se devuelve al condensador a una temperatura nominalmente estable. Para aplicaciones de temperatura más baja, particularmente en plantas de congelación, el dióxido de carbono del evaporador se comprime a una presión alta adecuada antes de regresar al condensador.

Esta técnica se ha utilizado durante los últimos años en cámaras frigoríficas, almacenes de distribución, plantas de congelación de placas, plantas de congelación rápida, túneles de congelación y congeladores en espiral.

En el Reino Unido se han completado cuatro centros de distribución similares en tamaño y estilo a la planta descrita anteriormente. En comparación con el caso de estudio anterior, la carga de refrigerante de amoníaco se reduce aproximadamente un 40 %.

Cada sistema constaba de un sistema central de dióxido de carbono bombeado, que alimentaba refrigerante a -5 °C (23 °F) a las áreas de refrigeración y a -31 °C (-24 °F) a la cámara frigorífica de baja temperatura. El dióxido de carbono se condensa en cascada con dos sistemas de amoníaco independientes para brindar resiliencia en caso de una falla importante en el sistema de amoníaco. Cada sistema de amoníaco tiene una carga aproximada de 500 kg (1100 lb), lo que da un contenido total de amoníaco de 1 tonelada (2200 lb).

Se han instalado sistemas similares para la congelación en túneles y en placas. La carga específica de amoníaco en todos los casos es aproximadamente de 0,3 kg/kW (2,4 Ib/TR), pero esto podría reducirse significativamente utilizando condensadores de amoníaco de carcasa y placas y torres de enfriamiento para la disipación de calor, que probablemente ofrezcan la misma carga específica que los enfriadores de agua de placas de 0,1 kg/kW (0,77Ib/TR). Sobre esta base, la capacidad máxima de refrigeración de un sistema que cae por debajo del umbral OSHA de los Estados Unidos de 10 000 lb (4546 kg) sería de 128 000 TR (36 MW). El umbral francés de 150 kg permitiría la instalación de un sistema de 500 kW (150 TR) sin restricciones gubernamentales sobre la ubicación, y de 5 MW (1500 TR) sin la aplicación de controles más estrictos para los sistemas de amoníaco.

POSIBILIDADES FUTURAS

Es poco probable que las regulaciones actuales que rigen el uso de amoníaco en plantas de refrigeración industrial se relajen en un futuro cercano. Las posibles excepciones se encuentran en Francia e Italia, donde las regulaciones podrían alinearse más con el resto de Europa para beneficiarse de la eficiencia superior posible con los sistemas industriales de amoníaco; pero incluso este pequeño paso es improbable. Es mucho más plausible que los requisitos para los sistemas de seguridad, la protección personal y la documentación asociada se vuelvan más estrictos. Un ejemplo de este tipo de legislación es la reciente introducción en EE.UU. de las leyes de “Seguridad Nacional” que exige a los usuarios finales que protejan sus instalaciones contra actividades delictivas o terroristas. Al mismo tiempo, los estándares de construcción serán más internacionales. Esto ya sucedió en Europa, donde la norma EN 378, “Sistemas de refrigeración y bombas de calor: requisitos ambientales y de seguridad”, reemplazó a los antiguos estándares nacionales, como la norma BS4434. Es posible que la norma internacional ISO 5149 reemplace en un futuro cercano a la EN378 y la ASHRAE 15. También existe la posibilidad de la introducción de requisitos de códigos de construcción más rigurosos asociados con el uso de amoníaco. En este caso, el argumento a favor de los sistemas de amoníaco de baja carga se vuelve muy simple. Si es posible evitar gran parte de la dificultad y el gasto de diseñar y operar sistemas con cargas de gran tonelaje, entonces el mercado de EE. UU. probablemente seguirá a los europeos por la ruta de carga baja, ya sea con sistemas de recipiente a baja presión sin bombas, o con sistema de cascada de dióxido de carbono/amoníaco. Es importante señalar que el mismo éxito de estos nuevos sistemas podría ser el detonante que inicie movimientos legislativos contra las grandes cargas de amoníaco. En una nota más positiva, el mercado en Gran Bretaña ha adoptado el concepto de carga baja porque es intrínsecamente más simple, más fácil y, por lo tanto, más seguro y porque, cuando se usa adecuadamente, no tiene por qué ser más costoso de instalar o de operar. No existe un requisito legal para medidas específicas de gestión de riesgos, análisis de consecuencias fuera del sitio o gestión de seguridad de procesos en Gran Bretaña, siempre que la carga sea inferior a 30 toneladas (66 000 libras), por lo que la preferencia por los sistemas de carga baja en Gran Bretaña y, hasta cierto punto, en el resto de Europa, parece estar impulsado por consideraciones económicas y de facilidad de uso, no por restricciones legales.

CONCLUSIÓN

Es posible lograr reducciones significativas en la carga de amoníaco en enfriadores y sistemas industriales mediante la adopción de una variedad de estrategias. Estos no conllevan ninguna penalización significativa en el costo de capital, aunque imponen algunas restricciones en las formas en que se puede configurar el sistema. La experiencia en la ingeniería de estos sistemas en el Reino Unido durante los últimos años demuestra claramente que las reducciones de carga pueden lograrse siempre que exista la voluntad de aceptar las restricciones y modificar las actitudes tradicionales hacia el diseño del sistema. La eficiencia energética de estos sistemas no es peor, sobre el papel, que los sistemas tradicionales de circulación por bombeo y, en la práctica, el uso de desescarche por inversión de ciclo elimina gran parte de la penalización energética adicional inherente a los grandes sistemas de circulación por bombeo, lo que permite que estos sistemas alcancen excelentes cifras de consumo de energía.

AGRADECIMIENTOS

Agradecemos a los directores de Star Refrigeration por permitirnos publicar este documento, y a los colegas y clientes que colaboraron en la recopilación de información sobre las instalaciones. iiar