Rendimiento energético de los sistemas de refrigeración de NH3 de baja carga, de tipo central y de doble etapa en la práctica.

STEFAN S. JENSEN, B.SC.ENG. FIEAUST, CPENG, NER, RPEQ, F. AIRAH SCANTEC

REFRIGERATION TECHNOLOGIES PTY. LTD.; BRISBANE, QUEENSLAND, AUSTRALIA

Traducido por Javier Atencia (TEWIS)

RESUMEN

En todo el mundo se están desarrollando sistemas de refrigeración con NH3 de baja carga para diversas aplicaciones, sobre todo para el almacenamiento refrigerado y soluciones compactas para enfriar líquidos y/o acondicionar espacios refrigerados. Estos desarrollos se inician con la reducción progresiva (Phase-Down) a nivel mundial de los refrigerantes hidrofluorocarbonados (HFC) con alto potencial de calentamiento global (PCA). Esta reducción progresiva (Phase-Down) es un resultado directo del acuerdo de reducción de resultante de la Conferencia de las Partes (COP 21) en París, el 12 de diciembre de 2015.

El amoníaco ofrece una mayor eficiencia del ciclo de compresión de vapor en comparación con la mayoría de los demás refrigerantes. Las mejoras en el rendimiento energético asociadas a la aplicación del amoníaco en combinación con otras técnicas de ingeniería de eficiencia energética como: el control de expansión de recalentamiento/calidad o título (SH/X) de última generación, la tecnología avanzada de evaporadores de baja carga, la amplia integración de variadores de frecuencia, la compresión de dos etapas, los compresores de bajo arrastre de aceite, las líneas de tuberías de baja pérdida de fricción y el concepto de planta centralizada, no han sido objeto de investigaciones y estudio.

Cuando los costes de explotación son directamente proporcionales al inventario de NH3 se favorece la multiplexación frente a las plantas centrales y resulta tentador para las partes interesadas. Esto, por supuesto, supone el riesgo de sacrificar el rendimiento energético a cambio de la reducción del inventario de NH3. Para los firmantes del acuerdo COP 21, esto no es de interés nacional ni comercial de los propietarios de las plantas, siempre que el aumento de los costes de explotación supere la reducción de los costes energéticos.

Este documento describe el rendimiento energético de varios centros de distribución refrigerados con volúmenes de almacenamiento de aproximadamente 10.000 a 50.000 m³ (353.000 a 1.766.000 pies³). Las evaluaciones de rendimiento se basan en el consumo de energía eléctrica medido por los proveedores de energía eléctrica durante períodos de tiempo representativos. Todos los sistemas cuentan con sistemas centrales de refrigeración de NH3 de doble etapa y baja carga. En el caso de una de las plantas, se muestra la contribución de los paneles fotovoltaicos a las necesidades energéticas de la instalación en su conjunto, mes a mes.

También se realiza una comparación de rendimiento energético entre dos centros de distribución refrigerados con un volumen de aproximadamente 10.000 m³ (353.000 pies³), pero atendidos por dos tipos diferentes de sistemas de refrigeración de amoníaco. En un caso, la planta es un sistema basado en un compresor de tornillo doble economizado de una etapa con alimentación de refrigerante por gravedad. En el otro caso, la planta es un sistema central de NH3 de doble etapa y baja carga con compresores alternativos semi industriales con control de velocidad. Otras características de las dos instalaciones incluyen diseños generales de almacén que son más o menos idénticos. Las comparaciones de rendimiento energético se basan de nuevo en el consumo de energía eléctrica registrado por el proveedor de energía eléctrica durante un año natural.

INTRODUCCIÓN

A raíz de la pendiente reducción global de los HFC debido a su contribución al calentamiento global, los usuarios y propietarios de sistemas de refrigeración se enfrentan a decisiones que a veces parecen difíciles. Estas decisiones se refieren a si los usuarios continuarán empleando sistemas de refrigeración basados en HFC o cambiarán a refrigerantes sintéticos de bajo PCA o considerarán refrigerantes naturales a prueba de futuro como NH3 , CO2 , hidrocarburos, agua o aire en sus sistemas nuevos y/o ampliaciones. En este proceso de toma de decisiones, a menudo se pasa por alto o se subestima un factor muy importante. Este factor es el rendimiento energético, especialmente el de los sistemas de NH3 de baja carga.

Discutir el rendimiento energético de los sistemas que comercializan los defensores de los sistemas de refrigeración que utilizan refrigerantes sintéticos no es de su interés comercial, por lo que rara vez lo hacen. Su enfoque de marketing suele ser el de unos costes de explotación atractivos, la “seguridad” del refrigerante, la disponibilidad de recursos de servicio/ mantenimiento y la simplicidad. Los defensores de los refrigerantes sintéticos a menudo intentan marginar la pendiente eliminación de los HFC refiriéndose a varios factores: el plazo relativamente largo previsto para la eliminación de los HFC; la futura disponibilidad de refrigerantes sintéticos alternativos de bajo PCA; las penalizaciones de los costes de explotación asociadas a un cambio a los refrigerantes naturales; y los requisitos de servicio/mantenimiento supuestamente caros, frecuentes y especializados asociados a refrigerantes como el amoníaco o NH3.

Sin embargo, los promotores de los sistemas basados en refrigerantes naturales tienden a subestimar el excelente rendimiento energético de los sistemas de refrigeración basados en refrigerantes naturales, especialmente los sistemas de baja carga de NH3. Esto es comprensible porque los sistemas de refrigeración de NH3 de baja carga todavía no son tan comunes como los sistemas sobrealimentados con líquido o de gravedad y los rendimientos energéticos anuales documentados para las plantas de NH3 de baja carga – especialmente las versiones modernas – son relativamente escasos.

La decisión entre los HFC y los refrigerantes sintéticos o naturales de bajo PCA se ve dificultada a menudo por la calidad, la independencia (o la falta de ella) y las fuentes del material para la toma de decisiones que se presenta a los usuarios. Las afirmaciones de mejoras en el rendimiento energético del 40- 70% asociadas a las plantas de refrigeración de NH3 de baja carga en comparación con los sistemas estándar de la industria basados en HFC suelen ser desestimadas como exageradas, tendenciosas y, por tanto, irrelevantes. La confusión por parte de los usuarios finales cuando se enfrentan a información técnica contradictoria es comprensible y las decisiones a favor de las soluciones de bajo coste de capital quizás no sean sorprendentes.

Como se demostrará en este documento, las afirmaciones sobre la mejora del 40-70% del rendimiento energético no son exageradas. De hecho, los sistemas de NH3 de baja carga pueden, si se diseñan correctamente, presentar un atractivo argumento comercial a favor de la sustitución directa de los actuales sistemas anticuados basados en HFC por nuevas y modernas plantas de NH3 de baja carga. Las modernas plantas de refrigeración de NH3 de baja carga también pueden proporcionar un importante ahorro de energía en comparación con los sistemas convencionales de NH3 de sobrealimentación líquida con compresores de tornillo.

LAS INSTALACIONES DE REFRIGERACIÓN

En las siguientes secciones se resumen las plantas de refrigeración que son el tema principal objeto de este documento.

Pert

Este centro logístico refrigerado de 43.000 m³ (1.519.000 pies³) está situado en Perth, Australia Occidental. La instalación consta de una sala de 16°C (61°F), una sala fría de 4°C (39°F), una cámara de congelados de -25°C (-13°F) y un anexo de 4°C (39°F). La planta de refrigeración es un sistema de NH3 de doble etapa y baja carga, con cuatro compresores alternativos idénticos de velocidad controlada, condensador evaporativo, evaporadores de superficie interna adecuados para la alimentación de refrigerante de expansión seca, e inyección de refrigerante controlada por recalentamiento.

Todas las tuberías de refrigeración interconectadas son de acero al carbono.

Tamworth

Esta instalación de distribución refrigerada de 10.000 m³ (353.000 pies³) está situada en Tamworth, Nueva Gales del Sur. La instalación consta de una cámara frigorífica de 4°C (39°F), una cámara de congelados de -25°C (-13°F) y un anexo de 4°C (39°F). La planta de refrigeración es un sistema de NH3 de doble etapa y baja carga con cuatro compresores alternativos semi-industriales de velocidad controlada, condensador evaporativo, evaporadores de superficie interna adecuados para la alimentación de refrigerante de expansión seca, e inyección de refrigerante controlada por recalentamiento.

Lismore

Esta instalación de distribución refrigerada de 10.000 m³ (353.000 pies³) está situada en Lismore, Nueva Gales del Sur. La instalación consta de una cámara frigorífica de 4°C (39°F), una cámara de congelados de -25°C (-13°F) y un anexo de 4°C (39°F). La planta de refrigeración es un sistema de NH3 de una sola etapa con dos compresores industriales de tornillo de velocidad fija con economizador y condensadores evaporativos comunes. Los evaporadores de media temperatura están dispuestos para la alimentación de refrigerante de expansión seca; el congelador está equipado con evaporadores dispuestos para la alimentación por gravedad y el desescarche por gas caliente.

Melbourne

Esta instalación de distribución refrigerada de 43.000 m³ (1.519.000 pies³) está situada en Melbourne, Victoria. La instalación consta de una cámara frigorífica de 4°C (39°F), una cámara de congelados de -25°C (-13°F) y un anexo de 4°C (39°F). La planta de refrigeración es un sistema central de NH3 de doble etapa y baja carga, con cuatro compresores alternativos idénticos de velocidad controlada, condensador evaporativo sobredimensionado, evaporadores mejorados internamente en su superficie con circuitos más largos y adecuados para la alimentación de refrigerante de expansión seca, e inyección de refrigerante controlada por una combinación de recalentamiento y señal del título o calidad de vapor. Todas las tuberías de refrigeración interconectadas son de acero inoxidable 304. El sistema se equipó desde el principio una unidad de secado por rotor desecante en la puerta de acceso a la cámara de congelados. Esta decisión se basó en el buen resultado obtenido en Perth cuando se instaló un secador desecante en esa instalación.

Townsville

Esta instalación de distribución refrigerada de 31.000 m³ (1.095.000 pies³) está situada en Townsville, Queensland. La instalación consta de una cámara de congelados de -25°C (-13°F), una sala de refrigeración de 4°C (39°F), una sala de harina de 16°C (61°F) y un anexo de 4°C (39°F). La planta de refrigeración es un sistema de NH3 de doble etapa y baja carga, con cuatro compresores alternativos idénticos de velocidad controlada, condensador evaporativo sobredimensionado, evaporadores internos de superficie mejorada con circuitos más largos y adecuados para la alimentación de refrigerante de expansión seca, e inyección de refrigerante controlada por una combinación de recalentamiento y señal del título o calidad. Todas las tuberías de refrigeración interconectadas son de acero inoxidable 304. El sistema está dotado de una unidad de secado por rotor desecante en la puerta de acceso a la cámara de congelados.

Detalles del consumo energético registrado

La tabla 1 muestra los detalles del consumo energético anual medido en las cinco instalaciones. El valor del consumo específico de energía (SEC) se obtiene dividiendo el consumo anual de energía de la instalación frigorífica medido en kWh al año (kWh/año) por el volumen total de refrigeración medido en m³ (pies³). La unidad para el SEC es, por tanto, kWh/m³*año (kWh/pie³*año).

En todos los casos, excepto en Townsville, estas cifras se refieren a la totalidad de las instalaciones y suelen incluir otros servicios como la tecnología de la información (IT), la luz y la electricidad en general, los servicios para las carretillas frigoríficas, la carga de las carretillas elevadoras y la climatización de las oficinas. Sólo existen registros detallados del consumo de energía de los sistemas de NH3 aislados para la planta de Townsville. En esta instalación, el sistema de control y adquisición de datos (SCADA) está equipado con hardware y software para facilitar la medición por separado del consumo energético de la planta de NH3. En parte, se trata de evaluar la viabilidad económica de proporcionar servicios de aire acondicionado a las oficinas a través del sistema central de NH3 de baja carga, en lugar de instalar sistemas individuales de aire acondicionado divididos y refrigerados por HFC.

La tabla 1 muestra que el consumo de energía de los servicios auxiliares, como la climatización de las oficinas, la informática, la luz y la electricidad en general, etc., es lo suficientemente importante como para justificar su registro por separado. Las instalaciones de Townsville están situadas en una zona subtropical, tienen un 26% menos de volumen refrigerado que las de Melbourne y, sin embargo, presentan un 14% menos de SEC. Ambas instalaciones están equipadas con unidades de secado por rotor desecante en la puerta de acceso a la cámara de congelados. Basándose en la diferencia de volumen refrigerado entre Melbourne y Townsville, el SEC de Townsville debería haber sido de 27,7 kWh/m³*año (0,78 kWh/pie³*año) utilizando el SEC de Melbourne como base para la extrapolación y posiblemente incluso un poco más alto debido a la temperatura de bulbo húmedo aproximadamente 3°K (5,4°F) más alta en Townsville. Por tanto, la diferencia entre 22,2 y 27,7 kWh/ m³*año (~20%) puede considerarse representativa del consumo energético de los servicios auxiliares. En instalaciones más recientes que no se incluyen en este documento, parte del calor de regeneración para una unidad de secado por rotor desecante se recupera de la planta de NH3 a través de un desrecalentador, que también proporciona calor para la calefacción del subsuelo debajo de la cámara de congelados a través de un intercambiador de calor de agua/etilenglicol. Esta instalación reciente también emplea un refrigerante secundario para el segmento de temperatura media (zona de procesamiento de alimentos) y acumuladores horizontales. Estas dos últimas características reducen la carga específica de refrigerante a aproximadamente 0,65 kg/kW (5 libras/TR).

En el caso de Perth, los 700 MWh representan la energía eléctrica suministrada desde la red y los 219 MWh son la energía suministrada desde los paneles fotovoltaicos (PV). La suma de 919 MWh representa el consumo de energía de toda la instalación para el periodo de nueve meses indicado. La cantidad total de energía eléctrica suministrada desde la red a la instalación de Perth es de 915,6 MWh para el periodo comprendido entre el 1 de julio de 2014 y el 30 de junio de 2015. La contribución de los paneles fotovoltaicos solo se conoce para este periodo. Por tanto, la Tabla 1 solo muestra el periodo de nueve meses en el que se solapan los suministros de la red y de los paneles fotovoltaicos. El consumo anual de energía eléctrica de 1.226 MWh para la instalación de Perth se calcula simplemente por extrapolación, como se muestra en la Tabla 1. Si se supone que el 20% del consumo anual de energía eléctrica se asigna a servicios distintos de la planta de NH3, el consumo específico de energía (SEC) anual del sistema de NH3 pasa a ser de 22,7 kWh/m³*año (0,643 kWh/pie³*año).

Al finalizar el periodo de registro del consumo energético de Lismore, hubo un hecho que llamó la atención del propietario de la planta sobre el punto de ajuste del control de la presión de condensación que era más alto de lo necesario. Tras la reducción del punto de ajuste de la presión de condensación para permitir una presión de condensación flotante, la factura de electricidad media mensual descendió aproximadamente desde 22.000 dólares a aproximadamente 12.000 dólares, según el propietario de la planta. (Estos valores están en dólares australianos; la conversión es de aproximadamente 1 dólar australiano = 0,7 dólares estadounidenses). El periodo de registro del consumo de energía eléctrica tras el ajuste del punto de consigna de la presión de condensación fue demasiado corto para establecer el impacto exacto en el SEC. En el caso de la instalación de Tamworth, la factura media mensual de electricidad oscila entre los 6.000 y los 8.000 dólares australianos. Se calcula que el ajuste de la condensación flotante en Lismore ha reducido el SEC entre un 20% y un 40%, hasta situarlo en torno a los 65-85 kWh/m³*año (1,84-2,41 kWh/ pie³*año).

Los resultados del rendimiento energético de Perth y Tamworth son excelentes para instalaciones de este tamaño. Otras instalaciones de volumen y función similares consumen en torno al doble, que procede de un estudio realizado por la Comisión de Energía de California en 2008 sobre 67 almacenes frigoríficos públicos y 96 privados. El gráfico muestra el consumo específico de energía en función del volumen del almacén.

Es muy probable que la importante diferencia de consumo energético entre Tamworth y Lismore se deba principalmente a la selección del tipo de compresor, la configuración de la planta y el uso de compresores de velocidad fija. En la tabla 2 se detallan los valores de consumo energético anual modelado de varias configuraciones de compresores y dos patrones de carga diferentes (Lorentzen 1981). La ventaja de los compresores alternativos en comparación con los de tornillo en términos de rendimiento energético es evidente.

Las diversas configuraciones del compresor y los patrones de carga son los siguientes. Combinaciones de compresores:

1: compresor de tornillo de una etapa,
2: Compresor de tornillo de una etapa con economizador,
3: Compresor alternativo de tornillo de una etapa y de dos etapas,
4: Compresor de tornillo de una etapa con economizador y compresor alternativo de dos etapas,
5: Compresor de tornillo de dos etapas,
6: compresor alternativo de dos etapas y de tornillo de dos etapas
7: Compresores alternativos de dos etapas.

Modelos de carga:

Combinación de congeladores de placas y cámaras de congelados, variación de carga 10- 100%
Combinación de congeladores de placas y cámaras de congelados, variación de carga 40-100%.

La capacidad máxima de refrigeración a la temperatura de evaporación de -40°C es de 500 kW en todos los casos. Los resultados de la modelización de la Tabla 2 no reflejan la presencia de cargas de refrigeración a media temperatura ni el uso de accionamientos de compresores con variadores de frecuencia. Por tanto, no se explican totalmente las diferencias de consumo energético entre Tamworth y Lismore. Sin embargo, los resultados de la Tabla 2 ilustran la importancia de la eficiencia con carga parcial del compresor respecto a la entrega de un rendimiento energético superior del sistema. La comparación de las eficiencias típicas de carga parcial de los compresores en la Tabla 3 ilustra aún más la importancia de tener en cuenta este elemento durante el diseño del sistema (software de compresores Grasso Comsel versión v3.20.02). Todos los valores son coeficientes de rendimiento (COP) calculados como capacidad de refrigeración dividida por la potencia del eje del compresor. Las condiciones de funcionamiento son -10°C de temperatura de evaporación saturada, 35°C de temperatura de condensación saturada, 0°C de recalentamiento, 0°C de subenfriamiento, refrigerante NH3.

El compresor alternativo es un Grasso V600 con una capacidad de refrigeración al 100% (1.500 rpm) de 315,7 kW, con un consumo de potencia en el eje de 83,1 kW. El compresor de tornillo es un Grasso HR2655S sin economizador con una capacidad de refrigeración al 100% (2.940 rpm) de 294,5 kW, y un consumo de potencia en el eje de 82,9 kW.

NH3 DE BAJA CARGA FRENTE A HFC ESTÁNDAR DE LA INDUSTRIA

El propietario de la instalación de Perth tiene una segunda instalación de distribución en el mismo barrio, a unos dos kilómetros del almacén, a la cual da servicio una planta de NH3 de baja carga.

La segunda instalación se denomina almacén de Cocos Dr. El almacén de Cocos Dr. recibe el servicio de unidades individuales de condensación de una etapa, refrigeradas por aire, estándar en la industria, con descongelación eléctrica en las zonas de congelados. Las tablas 4 y 5 muestran las cargas de refrigeración de diseño para los centros de distribución de Perth y Cocos Dr. Es evidente que la suma de las cargas de refrigeración de diseño para los dos centros de distribución es similar.

Los registros financieros del operador del almacén de Cocos Dr. indican unos costes mensuales de suministro de energía eléctrica de unos 42.000 dólares australianos de media. La cuenta de electricidad del almacén de Perth para el periodo comprendido entre el 1 y el 30 de abril de 2015 fue de 13.751,57 dólares australianos, incluido el 10% del impuesto sobre bienes y servicios (GST). Esto fue para un suministro total de 81.264 kWh. este nivel de consumo mensual de energía eléctrica no es inusual.

Dado que se trata del mismo proveedor de energía eléctrica para los almacenes de Perth y Cocos Dr., puede concluirse que la mejora del rendimiento energético del almacén de Perth, atendido por un sistema de NH3 de baja carga, podría representar una reducción de aproximadamente (1-13.752/42.000) *100, es decir, un 67% en comparación con Cocos Dr. Esta importante diferencia en el consumo de energía entre el HFC y el NH3 puede parecer extraordinaria, pero no lo es cuando se hacen comparaciones entre otras instalaciones operadas por el mismo propietario. Una instalación de 1.385 m² situada en Kunda Park, en el sureste de Queensland (Australia), que funciona con sistemas de refrigeración por aire a base de HFC con descongelación eléctrica, consume unos 1.265 MWh anuales. Una instalación de 1.130 m² atendida por un sistema de NH3 de doble etapa y sobrealimentación líquida situada en Somersby, al norte de Sídney, en Nueva Gales del Sur, consume 546 MWh al año (Jensen 2013).

FACTORES QUE AFECTAN AL RENDIMIENTO ENERGÉTICO DEL SISTEMA DE NH3 DE BAJA CARGA

Una planta de refrigeración de NH3 de baja carga no presenta necesariamente un rendimiento energético superior al de otros sistemas basados en NH3. Como muestra la comparación entre Tamworth y Lismore, el uso de NH3 como refrigerante tampoco garantiza un rendimiento energético superior a la media. Diferentes factores contribuyen individualmente a la mejora de la eficiencia energética. La tabla 6 resume el orden de importancia que el autor otorga a nueve factores. Los porcentajes de mejora mostrados no pueden interpretarse como acumulativos. Cada factor debe considerarse como un solo cambio individual en igualdad de condiciones.

Factor 1. Tipo de compresor Una instalación de distribución refrigerada de 46.000 m³ (1.624.475 pies³) de almacenamiento de congelados más un anexo de 7.000 m³ (Jensen 2000) registró un consumo energético específico de 35 kWh/ m³*año (0,991 kWh/pie³*año). Esta instalación contaba con un sistema de sobrealimentación de líquido de doble etapa que incluía tres compresores de tornillo idénticos de velocidad fija, un compresor de refuerzo, un compresor de segunda etapa y un compresor de reserva de doble servicio. Los evaporadores del techo estaban equipados con ventiladores de accionamiento de frecuencia variable.

Una instalación de almacenamiento refrigerado de 23.000 m³ (812.237 pies³) en la misma ubicación geográfica con una mezcla ligeramente diferente entre servicios de baja y media temperatura registró un consumo energético específico de 27 kWh/m³*año (0,765 kWh/pie³*año) (Jensen 2013).

Esta última instalación contaba con un sistema de sobrealimentación de líquido de doble etapa con cuatro compresores alternativos de velocidad fija. El porcentaje que se muestra en la Tabla 6, punto 1, se refiere a la comparación entre estos dos sistemas prácticos, pero en la Tabla 2 se puede derivar una estimación similar en la mejora del rendimiento energético.

Item 2. Control de velocidad del ventilador del evaporador Una instalación de distribución refrigerada que constaba de 46 000 m³ (1 624 475 ft³) de almacenamiento congelado más un anexo de 7 000 m³ (247 203 ft³) (Jensen 2000) con ventiladores de velocidad variable registró un consumo de energía específico un 35 % menor que una instalación vecina similar con el mismo propietario y con ventiladores de velocidad fija instalados en los evaporadores. Alrededor del 8% al 9% de la diferencia de rendimiento energético del 35% se atribuyó al diseño del almacén. Esto forma la base para el porcentaje en el ítem 2, Tabla 6.

Ítem 3. Diseño del evaporador Existen muchos ejemplos prácticos de enfriadores de aire de alimentación de expansión seca para NH3 que no cumplen con las expectativas de rendimiento (Jensen 2006 y Jensen 2011). Hay varias razones para esto. Los más importantes se resumen a continuación:

Circuito del evaporador incorrecto que causa turbulencia inadecuada y flujo estratificado;
Distribución no uniforme del refrigerante dentro del enfriador de aire;
Presencia de agua en el refrigerante que provoca un aumento del punto de burbuja del refrigerante hacia el final del proceso de evaporación, lo que a su vez proporciona una señal de control de recalentamiento falsa;
El material del tubo central del enfriador de aire tiene una conductividad térmica inadecuada que provoca una falta de turbulencia y un flujo estratificado;
Desajuste entre el entorno operativo proporcionado por el fabricante del enfriador de aire y el entorno operativo requerido por el sistema;
Incrustaciones de aceite en las superficies internas de los tubos de los enfriadores de aire;
Eliminación inadecuada de condensado durante el descongelamiento por gas caliente debido a provisiones de drenaje de condensado inapropiadas;
Selección inadecuada de válvula de expansión para la aplicación; y
Metodología de control no optimizada en la inyección de refrigerante y en el control del procedimiento de descongelamiento por gas caliente.

Existen nuevas tecnologías de enfriadores de aire que abordan el problema de la exposición inadecuada de las superficies internas de los tubos al refrigerante en ebullición. Estos se basan en la mejora de la superficie interna del tubo que provoca un efecto capilar o la inserción de turbuladores. También se han puesto a disposición nuevas tecnologías de distribución de líquidos para ampliar el entorno operativo (Nelson 2013; Jensen 2015a y Jensen 2015b). El problema principal que debe entender el diseñador de la planta de refrigeración es que la confianza en los proveedores de enfriadores de aire que proporcionan intercambiadores de calor que aporten unos rendimientos térmicos especificados no garantizará necesariamente un resultado satisfactorio. El diseñador del sistema debe analizar todos los diseños de intercambiadores de calor de manera crítica con el fin de abordar todos los problemas resumidos anteriormente.

Ítem 4. Control de capacidad del compresor La Tabla 6 hace referencia a la adaptación de variadores de frecuencia a un almacén refrigerado existente en Sydney, Australia. Esta medida redujo el consumo anual de energía en >15 % (Oficina de Medio Ambiente y Patrimonio de Nueva Gales del Sur, 2012). La planta es un sistema de sobrealimentación de líquido de dos etapas con compresores de tornillo que dan servicio a una combinación de salas de baja temperatura, temperatura media y congelación rápida, con un área total de alrededor de 30 000 m² (323 000 pies²).

Ítem 5. Reducción de la relación de compresión del compresor y variación de la carga de calor La operación extensiva de carga parcial de los compresores es un problema común en muchos sistemas de refrigeración industrial. El porcentaje de impacto referenciado en el ítem 5, Tabla 6, está en función de la severidad del problema; La Tabla 2 describe la magnitud de la pérdida de eficiencia potencial.

Ítem 6. Tamaño, control y eficiencia del condensador Los condensadores evaporativos pueden diseñarse y seleccionarse de tal manera que la energía consumida por el condensador (la suma de la energía del ventilador y la bomba) sea inferior al 1 % del rechazo de calor de diseño, pero en la práctica no son raros índices del 2 al 3 %. Además, sobredimensionar el condensador de manera que reduzca la temperatura de condensación saturada en 1°K (1,8°F) mejora el coeficiente de rendimiento de un compresor típico de segunda etapa en un 2,6%. El porcentaje de mejora en el ítem 6, Tabla 6, está fácilmente al alcance con esta simple medida.

Ítem 7. Control de inyección de líquido en los evaporadores El control basado en el título o calidad de la inyección de líquido en los evaporadores es superior al control convencional basado en el recalentamiento (Jensen 2015b). La práctica ha demostrado que es posible introducir diferencias de temperatura (ETD) entre el aire y el refrigerante de alrededor de 2,5 °K (4,5 °F) sin una inestabilidad de control excesiva. En este contexto, es importante minimizar la posibilidad de retención de líquido en el evaporador. El rango porcentual nominado en el punto 7, Tabla 6, se obtiene estimando el impacto en la eficiencia energética del aumento de la presión de aspiración de la planta que da lugar a una reducción de ETD.

Ítem 8. Eliminación de líquido en líneas de aspiración Hasta el momento no existe una base experimental para el impacto declarado del 2 al 15%. Este rango de valores es el resultado de muchas observaciones prácticas de los rendimientos energéticos de los sistemas convencionales de sobrealimentación de líquido frente a plantas de NH3 de expansión seca, de baja carga, plantas de NH3 de expansión seca de diseño como el descrito en este documento.

Ítem 9. Tubería de baja fricción El rango de valor declarado de 1 a 2 % se basa en las mediciones reales de la caída de presión de la línea en la planta de Melbourne. Las mediciones se basaron en el sistema SCADA y los transmisores de presión instalados en los evaporadores (para control de inyección basado en recalentamiento) y el transmisor de presión instalado en la sala de máquinas central para proporcionar la señal de control de capacidad del compresor. Las caídas de presión medidas fueron mínimas y no particularmente precisas debido a la precisión de la instrumentación. Esto se refleja en el rango de valores de la Tabla 6.

CONCLUSIÓN

Los sistemas de refrigeración de amoníaco con una cantidad reducida de refrigerante (sistemas de NH3 de carga baja) se han presentado como alternativas potencialmente muy atractivas tanto para los sistemas basados en HFC estándar de la industria como para los sistemas de NH3 inundados por gravedad o sobrealimentación líquida convencionales. Los sistemas de NH3 de baja carga adecuadamente diseñados demuestran valores de consumo de energía específicos medidos en kWh/m³*año (kWh/ ft³*año) que son hasta un 67 % más bajos que los sistemas estándar de la industria basados en HFC, enfriados por aire, de una sola etapa con descongelación eléctrica y hasta 50% menos que los sistemas basados en compresores de tornillo de una sola etapa inundados por gravedad que emplean refrigerante NH3. Los rendimientos energéticos de los sistemas de NH3 de baja carga son lo suficientemente atractivos como para garantizar el reemplazo directo de los sistemas basados en HFC estándar de la industria existentes con nuevos sistemas de NH3, siempre que los propietarios de las plantas puedan aceptar tasas de retorno del 20 % y los precios unitarios de electricidad vigentes sean ≥A$200/MWh. Los beneficios adicionales de los sistemas de NH3 de baja carga es la cantidad de refrigerante excepcionalmente baja en los enfriadores de aire ubicados dentro del espacio refrigerado. La pérdida completa de la carga operativa de uno de los tres enfriadores de aire dentro de un almacén refrigerado, en circunstancias normales, no dará lugar a una concentración de amoníaco dentro del almacén de más de 200 ppm (mezcla completa) y, por lo general, menos. Se requieren concentraciones de NH3 de 20 a 25 veces mayores y tiempos de exposición de 0,5 a 2 horas para presentar riesgos significativos para la salud humana.

RECONOCIMIENTOS

Se agradece la amable asistencia de Roy Wainer de Bidvest Australia Pty. Ltd. durante la preparación de este documento.

REFERENCIAS

California Energy Commission. (2008). “Benchmarking Study of the Refrigerated Warehousing Industry Sector in California”. Department of Biological and Agricultural Engineering, University of California, Davis, CA 95616.

Grasso. “Comsel compressor selection version v3.20.02.” Hertogenbosch, The Netherlands.

Jensen, S.S. (2000). “Large scale cold stores, an in- novative design approach.” Proceedings AIRAH Victoria Seminar “Industrial Refrigeration Vision for the Future,” Melbourne, Australia.