Reducción de la carga de amoniaco en sistemas de refrigeración de pistas de patinaje sobre hielo.
CLAUDE DUMAS, CITY OF MONTREAL COSTAS LABOS, CITY OF MONTREAL CONSTANTINE PETROPOULOS, PBA2 VICTOR SANTANGELO, PBA
Traducido por Javier Cano, (INTARCON)
La información contenida en el presente documento se proporciona sólo a título indicativo, sin garantía implícita o explícita. Es responsabilidad del usuario validar los parámetros aplicables a su uso específico y realizar los ajustes necesarios.Los proyectistas de la refrigeración de las pistas de patinaje sobre hielo de la ciudad de Montreal han conseguido reducir la carga de amoníaco de los sistemas gracias a un diseño que utiliza una tubería de alimentación de líquido a media altura del intercambiador de calor de placas y emplea lo que, según la memoria de proyecto, es un innovador recipiente de equilibrado.
Montreal posee y explota 47 pistas de patinaje refrigeradas y pretende sustituir sus sistemas que utilizan refrigerantes hidroclorofluorocarburos que están siendo eliminados por el Protocolo de Montreal.
La ciudad está recurriendo a sistemas de refrigeración de amoníaco para las pistas, que están sujetas a estrictas normas y directrices de seguridad. Los autores del informe afirman que las instalaciones de la ciudad superan las “normas más estrictas” gracias al uso de lavadores de amoníaco (aire) en la sala de máquinas, tanques de neutralización y carga reducida de amoníaco.
El documento describe una innovación para el proyecto que consiste en un recipiente de equilibrado diseñado para simplificar el sistema, minimizar la carga de refrigerante, minimizar los dispositivos de control y “evitar la necesidad de un dispositivo de control del nivel de refrigerante y de un recipiente de alta presión”.
Hasta ahora, la ciudad de Montreal ha completado las obras de 14 estadios, 11 están en fase de diseño y cuatro en construcción, y se prevé que todo el proyecto esté terminado en 2020.
INTRODUCCIÓN
El sector de la refrigeración está volviendo gradualmente a la utilización de amoníaco como sustituto de los refrigerantes basados en hidroclorofluorocarburos, como el R-22. Estos refrigerantes HCFC ya no son una opción en la industria de la refrigeración debido a su impacto medioambiental y están siendo eliminados por las normativas gubernamentales que se adhieren a los tratados internacionales (Protocolo de Montreal).
El amoníaco está clasificado como refrigerante de tipo B2L3, lo que significa que es tóxico y ligeramente inflamable6. Para reducir el riesgo de exposición debido a un fallo de los componentes, un accidente o un error humano, la instalación debe cumplir estrictas normas de seguridad, las directrices publicadas por CSA, IIAR, ASHRAE, normas provinciales y municipales.
La ciudad de Montreal cuenta con instalaciones que superan las normas más estrictas. La propuesta de la ciudad de Montreal para reducir tanto el riesgo como el nivel de exposición incluye, lavadores de amoníaco (aire) en la sala de máquinas en caso de fuga de refrigerante, tanques de neutralización y carga reducida de refrigerante de amoníaco.
SISTEMAS DE CARGA CRÍTICA 4
“…El sistema de carga crítica es un tipo de sistema de refrigeración cuya carga de refrigerante está limitada de tal manera que, si toda la carga se encuentra en los evaporadores, no es posible que el refrigerante líquido sea arrastrado hacia la línea de aspiración del compresor”.
En este artículo explicaremos los métodos que hemos aplicado para reducir la carga total de refrigerante y conseguir un diseño de sistema frigorífico que contiene sólo 280 gr por kW frigorífico (1kg/TR).
El conjunto del separador de tubo en U (1) incluye la tubería de alimentación de líquido (7), el montante de vapor húmedo (8) y el intercambiador de calor de placas (evaporador) (2), diseñado para trabajar con un recipiente de equilibrado (9), una columna de nivel (3) y un interruptor de seguridad de nivel alto (4). El separador utiliza el cambio de dirección, los deflectores y la acción centrífuga para lograr la separación de vapor y líquido. En comparación con un separador convencional, este diseño en U ocupa menos espacio físico, se suministra premontado y listo para instalar sin necesidad de una estructura de soporte in situ.
El intercambiador de placas (2) de refrigerante a salmuera se seleccionó para obtener un rendimiento óptimo utilizando alimentación por gravedad al movimiento del termosifón y una carga de líquido refrigerante a media altura. Este diseño parcialmente inundado optimiza la ebullición del refrigerante y el recalentamiento del vapor. Según los ingenieros de diseño del fabricante del intercambiador, “el evaporador de placas inundado puede ser más eficiente si el nivel de líquido en la tubería de alimentación se sitúa a media altura del intercambiador de calor de placas, maximizando el uso de la superficie de las placas para producir el cambio de fase del refrigerante”. El caudal de salmuera se redujo a 21 kg/s (aproximadamente la mitad del valor típico del sector) con una diferencia de temperatura de 2K, lo que permite reducir los costes de funcionamiento.
La columna de 4 pulgadas (3) y el conjunto de visores (13) permiten la verificación visual del nivel de refrigerante líquido y el ajuste de la carga. A la columna se le ha añadido un interruptor de nivel de flotador (4) que proporciona una protección de corte contra la acumulación de líquido en la aspiración y la sobrecarga de refrigerante.
El depósito de aceite (5) se seleccionó para un volumen (V5) igual al volumen de la tubería de líquido (6) x 1,1 (V6 *1,1 donde el volumen del acumulador = V6).
La tabla 1 ilustra los volúmenes de las tuberías y la correspondiente capacidad de acumulación de amoníaco para los diámetros típicos de recipientes.
Tanto la tubería de líquido prefabricada (7) como el montante de vapor húmedo (8) tienen un diámetro de 4″.
El recipiente de equilibrado (9) se ha diseñado como un acumulador y su función es evitar que el refrigerante líquido supere el nivel máximo de funcionamiento (12) cuando el depósito de aceite está completamente lleno de aceite. El volumen del recipiente (V9) = (V6+V5)*(1,1).
El visor (10) corresponde al nivel mínimo de líquido (o ½ H donde H = altura del intercambiador de calor de placas) para un sistema correctamente cargado con un depósito de aceite lleno de refrigerante (5), mientras que un depósito de aceite lleno de aceite del compresor tendría un nivel de amoníaco líquido correspondiente al visor (11). Si el líquido sobrepasa el indicador de nivel (12), los compresores deben detenerse inmediatamente y no se permite su funcionamiento hasta que se corrija la carga de refrigerante (o la anomalía).
No se muestra aquí el recipiente de servicio (14). Este recipiente no se encuentra en el flujo de refrigerante y sólo contiene vapor de refrigerante. Se utiliza para recoger refrigerante líquido cuando las operaciones de mantenimiento lo requieran.
El puerto de aspiración (15) está situado en la parte superior del separador en “U”, mientras que el puerto (16) corresponde a la alimentación de líquido. El puerto de reserva (17) puede alojar un detector de nivel electrónico (no utilizado). El visor (18) corresponde a la parte superior del recipiente de equilibrado.
El refrigerante líquido y la salmuera entran en el intercambiador de calor por los puertos (6) situados en la parte inferior y fluyen hacia arriba en sentido equicorriente (paralelo). El flujo en equicorriente permite un mayor cambio de fase del refrigerante en la base del intercambiador de calor. La figura 3 también muestra la recogida de aceite en caso de que el aceite insoluble sea más pesado que el refrigerante.
INNOVACIÓN
El aspecto innovador en este proyecto es el uso de un recipiente de equilibrado (9) diseñado para simplificar el sistema frigorífico, minimizar la carga de refrigerante, minimizar los dispositivos de control y evitar la necesidad de un detector de nivel de refrigerante y de un recipiente de alta presión.
EL RIESGO VS. LA CARGA DE REFRIGERANTE
El primer proyecto en el que Montreal aplicó la política de utilizar amoníaco como refrigerante alternativo en un estadio cubierto fue el estadio Raymond Bourque. El sistema de refrigeración de las dos pistas utilizaba dos evaporadores inundados de carcasa y tubos (uno para cada pista), un recipiente de refrigerante de alta presión, un condensador evaporativo y una carga de amoníaco de 750 kg. Véase la tabla 2, Arena R-Bourque.
Dada la cantidad de amoníaco introducida en el sistema de refrigeración del estadio y la naturaleza tóxica del refrigerante, se encargó un estudio de evaluación de riesgos.
El informe confirmó la relación directa entre el nivel de riesgo y la cantidad de amoníaco presente en un sistema y recomendó que “…se diera prioridad a minimizar la carga de refrigerante, reduciendo así el riesgo de una fuga accidental”.
Con esta premisa, la estrategia para reducir drásticamente la carga de amoniaco llegó rápidamente: se introdujo el diseño de carga crítica.
En primer lugar, enumeramos e identificamos todos los componentes de refrigeración y etiquetamos específicamente los que tenían un gran volumen o un potencial de almacenamiento de amoníaco (por ejemplo, el separador de aspiración, los evaporadores de carcasa y tubos, el condensador evaporativo, el recipiente de alta presión, el depósito de aceite, las líneas de líquido, la tubería de líquido, la columna de visores, etc.).
En nuestro diseño se adoptaron las siguientes medidas:
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- Se sustituyó el condensador evaporativo por un intercambiador de calor de placas de amoníaco / glicol acoplado a un aeroenfriador de glicol.
- Se sustituyó el condensador de carcasa y tubos por un intercambiador de calor de placas soldado compacto.
- Se seleccionó un evaporador de placas para obtener una eficiencia óptima en modo termosifón y en condición de inundación parcial.
- Sustitución del separador de aspiración convencional y la estructura de soporte correspondiente por un separador de tubos en U, reduciendo así el espacio ocupado y el tiempo de instalación.
Nota:
-Dado el diseño de carga crítica, ni el separador de tubo en “U” ni un separador convencional deben contener refrigerante líquido.
– El diseñador no está obligado a utilizar el separador en “U” para lograr la eficiencia de un sistema de refrigeración con carga crítica como el nuestro.
- Se eliminaron dos válvulas cierre utilizadas para el servicio (y el ajuste) entre el evaporador y el separador. Esto permitió reducir la tubería de líquido y montante de vapor húmedo (de 6″ a 4″), reduciendo así la carga de refrigerante.
- Se eliminó el control de nivel de refrigerante.
- Se modificaron las tuberías y se eliminó el recipiente de alta presión, que inicialmente tenía una función de equilibrado de la carga, para convertirlo en un simple recipiente de servicio, por lo que en condiciones normales de funcionamiento sólo contiene vapor.
- Se introdujo un recipiente de equilibrado para realizar la función de compensación de nivel como resultado del desplazamiento del amoníaco líquido por el aceite en el depósito de aceite
- Se especificaron dos sistemas de refrigeración independientes, de 250kW (71 TR) cada uno, para dos pistas de hielo. Esto permite una carga de refrigerante fraccionada (menos de 79 kg o 175 libras por sistema), un sistema de ventilación de emergencia más pequeño, minimizando el riesgo y una menor pérdida de refrigerante en caso de fuga total del circuito.
- Se redujo el depósito de aceite de 8″ a 4″ de diámetro, reduciendo así su volumen de acumulación en un 75%.
- Se redujeron los diámetros y la longitud de las tuberías de líquido.
Por ejemplo, a -15ºC una tubería de alimentación de líquido 4″ puede contener 1,65 kg de amoníaco mientras que una de 8″ puede contener 6,5 kg de amoniaco. Véase la Tabla 1 para conocer los diámetros típicos de las tuberías y su correspondiente contenido de líquido y vapor.
Montreal posee y explota 47 pistas de patinaje refrigeradas, de las cuales 41 están situadas en el interior y 6 en el exterior. En la actualidad, se han completado 14 pistas, 11 están en fase de diseño y 4 están en construcción. Se añadirán 11 más a la lista y se espera que, respetando el protocolo de eliminación del HCFC-22, se completen para el año 2020.
Los 14 sistemas de refrigeración con amoníaco diseñados, construidos y puestos en marcha se enumeran y muestran en la Tabla 2, en su mayoría dimensionados para una capacidad de 250kW (71 TR) con diversas cargas de refrigerante, con los más recientes cargados con menos de 79 kg (175 libras) de amoníaco (una proporción de 0,31 kg/kW o 2,46 libras/TR). Además, cabe destacar tres (3): Ahuntsic, donde se realizó una carga de 76 kg (168 lbs) para 250kW (71 TR) resultando un ratio de 0,30 kg/ kW (2,37 lbs/TR); M-Brodeur, donde se utilizaron 66kg (145 lbs) para 309 kW (88 TR) resultando en un ratio de 0,21 kg/kW (1,65 lbs/TR); y Saint-Charles, donde la carga se fijó en 73 kg (160 lbs) de amoníaco para 250kW (71 TR) con un ratio de 0,29 kg/kW (2,25 lbs/TR). Véase la tabla 2 para conocer la carga de refrigerante y los ratios de carga obtenidos en nuestras pistas de patinaje.
Nuestro objetivo durante los últimos años, y los catorce (14) sistemas de refrigeración de pistas de hielo completados, ha sido siempre reducir los riesgos a través de un diseño prudente y una implementación dirigida a minimizar la carga de refrigerante de amoníaco, superando las normativas industriales y sin comprometer la seguridad y el rendimiento.
En numerosas ocasiones tuvimos que guiar a los distintos agentes del sector, ya fueran proveedores o contratistas, para que cambiaran el paradigma de que más es mejor no se aplica a los sistemas de refrigeración con carga crítica.
Muchas veces tuvimos que ordenar a los contratistas eliminar el exceso de refrigerante en el sistema.
CONCLUSIÓN
El uso de un conjunto de separador de tubo en U suministrado de fábrica, con un montante compacto de líquido y vapor húmedo y un fácil acople a la parte superior del bastidor del cambiador de calor de placas, facilita el trabajo del instalador, minimiza el espacio ocupado y reduce el tiempo de instalación. Véase la Fig. 2.
El uso de un recipiente de equilibrio (9) es nuestra innovación; una protección añadida para alojar la cantidad de refrigerante desplazada por la migración de aceite y proteger los compresores de posibles retornos de líquido. Este diseño minimiza la carga de refrigerante y evita los dispositivos de control de nivel de alimentación de líquido.
El diseñador no está obligado a utilizar el separador en “U”, sino que puede utilizar un separador de aspiración para conseguir la eficacia de un sistema de refrigeración de carga crítica como el nuestro, simplemente siguiendo las instrucciones indicadas. Un separador convencional implicaría mayor ocupación de espacio y requeriría una estructura de soporte añadida; sin embargo, no se necesitaría un recipiente de equilibrado.
Para reducir el riesgo (de exposición al amoníaco), hemos priorizado la necesidad y el compromiso de minimizar la carga de amoníaco en el sistema de refrigeración; por eso, al ajustar la columna de líquido en la tubería de alimentación, el nivel de líquido en el evaporador y al introducir el recipiente de equilibrado, se reduce significativamente la carga de refrigerante de muchos de nuestros sistemas.
El mensaje que hay que recordar es: El evaporador de placas inundadas puede ser más eficiente si el nivel de líquido en la tubería de alimentación está a media altura del intercambiador de calor de placas, maximizando el uso de la superficie de las placas para producir el cambio de fase del refrigerante. Este es un aporte del ingeniero de diseño del fabricante de los intercambiadores. Véase la Fig. 3.
REFERENCIAS:
- El refrigerante amoníaco está identificado por la norma ASHRAE 34 con el número R-717, su peso molecular es 17 mientras que su fórmula es NH3.
- PBA es la empresa consultora de ingeniería Petropoulos, Bomis & Assoc. Inc. experta en refrigeración con amoníaco.
- Norma ASHRAE 34-2013, Página.9, TABLA 4-1,. Datos del refrigerante y clasificaciones de seguridad. Página16, FIGURA 6.1.4,. Clasificación del grupo de seguridad del refrigerante….. A2L y B2L son refrigerantes de menor inflamabilidad con una velocidad máxima de combustión de ≤ 10 cm/s (3,9 pulg./s).
- De acuerdo con CSA B52-13, P. 18,
- Para obtener más información sobre nuestros sistemas de refrigeración, visite la siguiente página web: http://pages.videotron. com/NH3/text/publications_ cdumas.html. El título del archivo es: “Mise aux normes du système frigorifique de l’aréna Ahuntsic, Réfrigérant R-717”.
- Lecompte Michel “Nouvelles normes de réfrigération”, ASHRAE-Montréal conférence, 11 Janvier 2016, page 20/32, “EPA, Alternatives for Refrigeration
