Es el fin de los sistemas sobrealimentados con amoniaco?
STEFAN JENSEN
Traducido por Juan C. Rodríguez (Clauger xGRENGO)
En cuatro años, se celebrará el centenario de la patente de sobrealimentación de evaporadores otorgada a YORK Corporation.El sistema de sobrealimentación se generalizó en todo el mundo desde mediados del siglo pasado. Esto coincidió con un aumento en el consumo de alimentos congelados que condujo a la construcción de plantas de congelación muy grandes durante la guerra, lo que propició la introducción práctica del concepto de sobrealimentación de evaporadores.
Durante las décadas de 1950 y 1960, la eficiencia energética y la sostenibilidad no eran precisamente temas candentes. En los países desarrollados, el énfasis estaba en migrar las economías basadas en la agricultura hacia la industrialización y la subida del nivel de vida de la clase media.
Las grandes empresas de la industria de la refrigeración llevaron a cabo una amplia investigación en el campo de la refrigeración con amoníaco. Los actuales manuales todavía se refieren a trabajos de investigación escritos en las décadas de 1950 a 1980 y siguen siendo de uso generalizado dentro de la industria de refrigeración con amoníaco.
Los actuales manuales todavía se refieren a trabajos de investigación escritos en las décadas de 1950 a 1980 y siguen siendo de uso generalizado dentro de la industria de refrigeración con amoníaco.
La acumulación de grandes cantidades de amoníaco ha sido sometida a una presión creciente en casi todo el mundo durante las dos últimas décadas. Esto se debe a varias razones, en su mayoría relacionadas con normativas locales.
Parte de la respuesta de la industria tanto en los Estados Unidos como en Europa ha sido la introducción de tasas de sobrealimentación de amoníaco más bajas. ¿Evita esto pérdidas de presión elevadas en las líneas de aspiración de los sistemas de sobrealimentación?
Matemáticamente, lo hace. Las correlaciones comúnmente utilizadas para el cálculo de pérdidas de presión bifásicas así lo indican. Si una planta está diseñada para una tasa de sobrealimentación promedio de 1,5 a 1 a plena carga, ¿Qué sucede cuando esa planta opera con una carga del 20%? A menos que las tasas de sobrealimentación de los evaporadores se mantengan constantes independientemente de la carga, la tasa de sobrealimentación promedio para una carga del 20 % será de 7,5 a 1.
Esto significa que, para obtener beneficios reales de rendimiento energético con bajas tasas de sobrealimentación para una planta de refrigeración, se hace necesario aplicar estrategias de control casi idénticas a las que se aplicarían en un sistema de expansión seca.
La inyección de refrigerante en los evaporadores de las plantas de NH3 de expansión seca se controla frecuentemente mediante válvulas de expansión motorizadas que emplean el recalentamiento o título de vapor del refrigerante a la salida del evaporador como señal de control. ¿Con qué frecuencia es esta una práctica de diseño habitual en las instalaciones de baja tasa de sobrealimentación? No muy a menudo, ya que los costes de inversión son un punto disuasorio.
¿Qué sucede si el flujo másico de refrigerante a través de un evaporador sobrealimentado se regula en función de la carga? Esta no es una pregunta fácil. Para responder a eso es necesario primero entender para qué condiciones operativas se diseñó el evaporador en cuestión desde el principio.
En el diseño práctico de una planta con sobrealimentación de líquido, la determinación de la envolvente operativa óptima del evaporador rara vez se considera en profundidad. Esto se debe a que “hacerlo un poco mal” no parece causar grandes problemas durante la puesta en marcha y, de hecho, durante el funcionamiento. “Todo hace frío”.
Diseñar el evaporador para unas condiciones incorrectas con un evaporador de expansión seca puede causar deficiencias significativas en el rendimiento del evaporador, además de otros problemas que afectan a los componentes de la planta tanto aguas arriba como aguas abajo del evaporador.
Dentro del contexto descrito anteriormente, los evaporadores de baja sobrealimentación no son tan diferentes a los evaporadores de expansión seca. La pregunta es si esto se considera adecuadamente durante el diseño de una planta de baja tasa de sobrealimentación. ¿Se proporciona a los proveedores de evaporadores la gama de condiciones a las que estará sujeto el evaporador a lo largo de su vida útil o se les proporciona únicamente un único punto de operación para la selección/diseño?
En la última década, ha habido una creciente evidencia de que el concepto de sobrealimentación de líquido impide que el amoníaco rinda lo mejor en términos de eficiencia energética. Parte de esta evidencia se ilustra en la Figura 1, que muestra ejemplos de valores específicos de consumo de energía en kWh/(m3.año) para almacenes frigoríficos mixtos en función del volumen refrigerado en m³.
Aquí es importante observar el grupo relativamente cerrado formado por los puntos verdes en contraposición a la dispersión significativa entre todos los puntos restantes. Todas las plantas de refrigeración representadas por los puntos verdes tienen una cosa en común: no hay refrigerante líquido en la red de la línea de aspiración.
Todas las demás plantas de la figura son del tipo de sobrealimentación. De hecho, las plantas representadas por los puntos amarillos se construyeron todas entre 1999 y 2013 para un importante operador logístico en Australia, todas incluyeron las últimas medidas de eficiencia energética de esa época y todas han sido objeto de un ajuste preciso por el propietario de la planta.
Otra evidencia se visualiza en la Figura 2. Aquí se ilustran dos plantas frigoríficas centralizadas de NH3 de dos etapas, conceptualmente idénticas, pertenecientes al mismo propietario, situadas en la misma área geográfica, gestionadas por el mismo personal, y realizando idénticas funciones. Ambas plantas emplean compresores alternativos y variadores de frecuencia. La planta más pequeña se construyó en 2010.
La planta más grande se construyó en 2018 para reemplazar una planta más antigua que había quedado obsoleta.
Las únicas diferencias es que una planta es de expansión seca (DX) y la otra emplea sobrealimentación, los evaporadores de la planta DX están diseñados específicamente para ese propósito y el condensador de la planta está ligeramente más sobredimensionado que el condensador de la planta de sobrealimentación de líquido. Los registros de rendimiento energético en ambos casos cubren un mínimo de un año; y para la planta más antigua, varios años.
Según lo indicado en la figura, la “mejor práctica” es un análisis de regresión polinomial de los valores SEC registrados para un grupo de plantas de refrigeración centralizada de NH3 de baja carga que dan servicio a almacenes refrigerados mixtos en toda Australia. El gráfico de “mejores prácticas” permite la comparación de valores SEC para diferentes volúmenes refrigerados.
La penalización del rendimiento energético registrada asociada por la presencia de refrigerante líquido en la línea de aspiración es en este ejemplo práctico es de alrededor de (1-0.97/1.4)*100 ≈ 31%. Dicho de otro modo, la planta con sistema sobrealimentado consume 1,4/0,97=1,44 veces más energía por unidad de volumen refrigerado.
Esta diferencia no se explica en su totalidad por las diferencias de diseño menores entre las dos plantas de refrigeración. Más bien, es probable que la mayor parte de la diferencia de rendimiento energético se deba a las diferencias en los métodos de alimentación de refrigerante.
En la GCCA Expo 2017 en Chicago, la presentación “Low Charge ADX Ammonia” de Watters y Nelson destacó mejoras similares en el rendimiento energético para una planta de refrigeración DX NH3 centralizada frente a la sobrealimentada. El rango de mejora presentado fue del 18% al 38%, pero hubo diferencias conceptuales en las comparativas de plantas realizadas para permitir la consideración de este rango.
La figura 3 compara el rendimiento energético de un nuevo almacén mixto de 60,000 m³ con el rendimiento energético de varios almacenes norteamericanos (puntos rojos). El almacén representado por las estrellas cuenta con una planta NH3 DX de dos etapas que también da servicio para congelar 300 ton/semana de carne en cajas de cartón.
Una vez más, se observa un patrón similar. La eliminación del refrigerante líquido en la línea de aspiración parece brindar beneficios significativos en el rendimiento energético. La estrella azul representa los registros de consumo de electricidad reales de los primeros cuatro meses de 2021. Estos son los meses más cálidos en Australia.
La estrella verde representa únicamente el almacenamiento (sin servicios de congelación). Esta es una corrección calculada basada en la cantidad de producto congelado.
¿Significa esto el final de una era para el concepto de recirculación de refrigerante? Para responder a esta pregunta, es importante cuantificar la penalización del rendimiento energético asociada con la mezcla de refrigerante líquido en la línea de aspiración de una planta de refrigeración de amoníaco centralizada de gran tamaño.
Con base en la observación práctica ilustrada en la Figura 2, aquí se observa que la penalización del rendimiento energético causada por la sobrealimentación de líquido puede llegar al 30 %.
Las instalaciones en las que se basa la comparativa en la Figura 2 son edificios de un solo piso con enfriadores de tiro inducido suspendidos en el techo y estaciones de válvulas, y tuberías de NH3 en el espacio del techo. En cada salida del evaporador hay, por lo tanto, un tubo ascendente húmedo. Aunque esto puede no ser ideal para la sobrealimentación de refrigerante, representa un diseño muy, muy habitual.
No hay duda de que si estas aspiraciones húmedas ascendentes se hubieran evitado, la penalización del rendimiento energético registrada podría haber sido menor o incluso inexistente. Sin embargo, como la mayoría de los diseñadores sabrá, no es así como son las cosas en la práctica, donde los requisitos de otros participantes en el proyecto a menudo anulan los del responsable del diseño de la planta de refrigeración.
En 2019, Nitschke intentó cuantificar la penalización del rendimiento energético de la sobrealimentación en comparación con la expansión seca a través de modelos matemáticos. El modelo utilizado empleó la última correlación de Yashar para las estimaciones de caída de presión de tubería de aspiración húmeda ascendente.
Esta correlación también está incluida en el nuevo Manual de tuberías del IIAR.
Como mostró Nitschke en su artículo de Ohrid de 2019, el modelo no proporcionó resultados precisos por debajo de los porcentajes de carga del sistema del 40 % para la planta en cuestión. La correlación de Yashar y probablemente todas las demás correlaciones no son válidas para aspiraciones húmedas ascendentess. Esta es probablemente una de las razones de la dispersión en los valores SEC de sobrealimentación de líquidos en la Figura 1.
El sobredimensionamiento de plantas es habitual en toda la industria de la refrigeración. Esto no siempre es culpa de los diseñadores. A menudo, esto es una respuesta a la información de diseño proporcionada por los propietarios de la planta que intentan planificar el crecimiento futuro. El resultado, sin embargo, a menudo es que las plantas pasan la mayor parte de su vida operativa a carga parcial y, por lo tanto, las tuberías de aspiración húmedas rara vez funcionan según diseño.
Los síntomas de todos estos puntos en lo que respecta ala gestión del líquido de retorno en las plantas de sobrealimentación de líquidos son bien conocidos por la mayoría de los profesionales: : consumo excesivo de energía, cavitación de la bomba y cargas de amoníaco excesivas, por nombrar algunos.
Consideremos una persona sentada en una silla con una manguera de jardín de media pulgada en la boca y el otro extremo de la manguera justo por encima del suelo. Es muy fácil respirar a través de la manguera. Con el extremo de la manguera en un cubo de agua, la respiración se vuelve imposible.
La relación de densidad del aire y el agua es casi idéntica a la relación de densidad de líquido/vapor del amoníaco a -35ºC, sin embargo, estas son las condiciones de trabajo que millones de sistemas de doble etapa de amoníaco deben adaptarse diariamente en todo el mundo.
Las redes de aspiración en plantas de sobrealimentación de líquido grandes pueden ser extremadamente complejas. Estas pueden conectar docenas, a veces cientos de evaporadores a través de tuberías, codos, tes, válvulas de seccionamiento, válvulas de regulación, orificios, elevadores y trampas de líquido. Combine esta red de aspiración con evaporadores diseñados con diferentes diseños: con la alimentación inferior/superior, colectores verticales/horizontales, contraflujo/flujo paralelo, , y el escenario se convierte rápidamente en uno caracterizado por más incógnitas desconocidas que conocidas.
Al considerar el uso de la sobrealimentación de líquido como concepto, se evita que el refrigerante amoníaco brinde el mejor rendimiento energético del que es capaz. La respuesta a la pregunta planteada por el título de este artículo es, por tanto, afirmativa. La larga era de la sobrealimentación de líquidos está llegando a su fin. Debe garantizarse que la refrigeración con amoníaco sea lo mejor posible y pueda competir en términos de eficiencia energética con otras soluciones basadas en refrigerantes naturales.
Hay disponibles tecnologías para eliminar el refrigerante líquido de las líneas de aspiración. A menos que la industria de refrigeración con amoníaco adopte estas tecnologías, se perderá una cantidad significativa del negocio de reconversión de refrigerantes resultado directo de la reducción global de HFC y, con el tiempo, la reducción global de HFO.
REFERENCIAS:
Watters, R.; Nelson, B.I. “Low Charge ADX Ammonia”, Proceedings Global Cold Chain Expo, June 13-15, 2017, Chicago, IL.
Nitschke, T.; Jensen, S.S. “Thermodynamic Modelling of Liquid Overfeed and Dry Expansion Feed Central NH3 Refrigeration Plants to Determine Differences in Energy Performance”, Proceedings 8th IIF/IIR Conference Am- monia and CO2 Refrigeration Technologies, Ohrid, North Macedonia 2019
