Eficiencia en plantas de agua helada

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Para conseguir la máxima eficiencia en los sistemas de este tipo es indispensable analizar cómo trabajan los diferentes componentes de un chiller, debido al elevado consumo de energía eléctrica (60 por ciento en promedio) de estos equipos

Murilo Dalla, Adrián García y Felipe Guerra / Imágenes y esquemas: cortesía de Danfoss

El chiller es una máquina que absorbe calor de un líquido gracias a la compresión de vapor o un ciclo de refrigeración por absorción. Este líquido puede ser recirculado a través de un intercambiador de calor para enfriar aire o algún otro equipo, según sea necesario. Las principales aplicaciones de los chillers son para uso comercial y en procesos de manufactura para proveer enfriamiento de maquinaria y con esto maximizar su eficiencia.

Como se observa en la figura 1, un chiller trabaja de la siguiente forma:

  1. El agua fría absorbe calor (del ambiente) en la manejadora de aire
  2. El agua transfiere el calor al refrigerante
  3. El refrigerante pasa al compresor para elevar la presión y la temperatura
  4. El refrigerante entra al condensador y disipa el calor absorbido. En este punto, el agua absorbe el calor del refrigerante y con esto logramos la condensación

Para poder hacer una medición en la eficiencia de un chiller existen tres coeficientes de medición:

EER: Coeficiente de eficiencia energética (Energy Efficiency Ratio). Refiere a la capacidad frigorífica dividida entre la energía eléctrica consumida

ESEER: Índice europeo de eficiencia energética estacional (European Seasonal Energy Efficiency Ratio). Esta fórmula nos permite tomar en cuenta la variación del EER con la carga y la variación de la temperatura del aire o de agua de entrada al condensador

SEER: Coeficiente de eficiencia energética estacional (Seasonal Energy Efficiency Ratio). Alude al cálculo de la eficiencia en un lugar en específico, tomando en cuenta las temperaturas ambiente máximas durante el año y la duración de las mismas

Estos coeficientes están considerados en equipos que trabajan bajo condiciones en que la carga se va a mantener constante durante el tiempo de operación, en situaciones de operación real de un equipo. Normalmente, ocurren 20 por ciento de las veces y las condiciones con las cuales se hizo el dimensionamiento van a variar con respecto al día, la hora y época del año.

Figura 1

Cuando los equipos trabajan con cargas parciales, es importante contemplar las cargas mínimas con las cuales van a operar. En este tipo de operación se pueden considerar las siguientes opciones:

1 Utilizar más de un compresor, en sistema ON/OFF. La carga se divide de acuerdo con la capacidad de cada compresor: a mayor carga, más número de compresores encendidos

2 Emplear controles de capacidad mecánicos: Sistemas de By-pass, compresores con descargador, válvula deslizante, etcétera

3 Variadores de frecuencia: Un variador de frecuencia por circuito de evaporación

Estas consideraciones son de suma trascendencia, debido a que un chiller suministra agua helada a una temperatura típica de 6 °C, y esa misma agua debe retornar al sistema a una temperatura mayor con el conocido ΔT (diferencia entre la temperatura de suministro y la de retorno), con el cual se diseñó el proyecto.

A su vez, si en el proyecto se considera que el chiller trabajará en cargas parciales, es fundamental identificar cuál sería la carga mínima y considerar un método adecuado para el control de capacidad. Se ha demostrado que los variadores de frecuencia pueden otorgar hasta 35 por ciento de ahorro de energía comparado contra métodos mecánicos de control de capacidad. Y esta es la tendencia a seguir en sistemas de aire acondicionado y refrigeración, ya que de esta manera se puede ajustar la capacidad del chiller de acuerdo con la necesidad que requiere el sistema, y se consume sólo la cantidad de energía necesaria para lograr el objetivo.

El agua helada que sale del chiller necesita fluir a través de las tuberías y hacerla llegar a los serpentines que se tengan instalados en un edificio. Para moverla, se utilizan las bombas. Estas pueden ser operadas por flujo variable o por flujo constante.

Cuando la operación de éstas es en flujo constante, las válvulas de control son de tres vías; lo único que hacen es dejar pasar el agua por el serpentín y regresarla a través de la tubería de retorno; esto, sin embargo, es ineficiente debido a que el agua no se calienta y da lugar al síndrome de bajo ΔT en el chiller.

Por ello, es indispensable cambiar las válvulas a dos vías, para que el sistema sea  de flujo variable. Esto porque en el momento de cerrar una válvula, la presión del sistema aumenta y es necesario igualar la presión de operación en ese instante; para lograrlo, se requiere instalar un variador de velocidad en la bomba y trabajar conforme a las leyes de afinidad de las bombas.

Leyes de afinidad y variables
Las leyes de afinidad expresan la relación matemática entre diversas variables involucradas en el rendimiento de las bombas. Se aplican a todos los tipos de bombas centrífugas y de flujo axial. Esta relación es la que existe entre la velocidad del impulsor y las tres variables:

  • Caudal
  • Presión
  • Potencia eléctrica

Figura 2

Las fórmulas son las siguientes:

Con esta relación podemos igualar el punto de operación del sistema en ese instante y así ajustar la curva de la bomba al nuevo punto de operación (ver la figura 2).

De igual manera, al ajustarnos al nuevo punto de operación, también disminuimos la energía eléctrica consumida por el motor.

Para lograr esta condición, el sistema necesita operar en un modelo de “presión constante”, en el que dicha variable se mantiene estable, ajustando el flujo de operación para lograr el control.

Válvulas de control y de balance
Las válvulas de balance contribuyen a garantizar que la distribución de agua sea la correcta a través de todo el sistema; esto debido a la pérdida de carga natural a través de la tubería misma y la tendencia del agua de fluir por el punto de menor oposición.

Figura 3

A fin de garantizar que el caudal de diseño de cada serpentín sea el correcto, se coloca la válvula de balance y, una vez que se conoce el caudal, se dimensiona la caída de presión del equipo. Lo anterior con el objetivo de determinar el tamaño de la válvula respecto a su valor de Cv.

El Cv se entiende como la capacidad de la cantidad de agua que pasa por una válvula con respecto a la caída de presión constante por unidad de tiempo.

Para llevar a cabo el balanceo del sistema, es necesario aplicar el método de balance proporcional, una técnica que requiere balancear:

  • Cada unidad terminal
  • Cada nivel
  • Cada vertical

Figura 4

De igual manera, para hacer la selección de la válvula de control, se sigue el mismo principio.

Dado que se está operando en condiciones de flujo variable, para que la válvula de control opere de manera adecuada, se deben calcular dos variables adicionales: la amplitud de control y la autoridad.

La amplitud de control es la capacidad que tiene la válvula de controlar el caudal máximo y mínimo con respecto a una caída de presión.

Ro = (q1 / q2) [(∆P1/∆P2)^1/2]

La autoridad se define como la relación entre la caída de presión de la válvula cuando está totalmente abierta y cuando está completamente cerrada.

La autoridad calculada debe ser, mínimo, de 0.25, aunque se recomienda utilizar 0.5.

Figura 5

Asimismo, la autoridad de la válvula puede entenderse como la deformación que sufre el Cv de ésta con respecto a diferentes condiciones de presión en el sistema. Juega un papel importante en la correcta operación de la misma, debido a que si no es considerada es posible tener sobreflujos cuando la presión total disponible aumenta.

Figura 6

Esto afecta de dos maneras; por un lado, se tiene un sistema cerrado con un caudal determinado, en el que, si un serpentín está recibiendo más agua, el otro la está perdiendo. Por otro, la eficiencia de transferencia de energía de un intercambiador está dada por:

  • La carga térmica a abatir
  • La cantidad de agua que está circulando por la misma

Al operar de manera correcta, es posible garantizar el ΔT de diseño; en caso de tener sobre flujo, el agua no podría calentarse de manera correcta, por lo que caería, de nuevo, en el síndrome de bajo ΔT.

Figura 7

Como se observa en la siguiente figura, la potencia emitida por un intercambiador no tiene una relación lineal con el caudal que circula por él y su energía. La curva de la válvula tiene una relación del caudal que pasa a través de ella y la posición de apertura de la misma. Por ello, si queremos una relación lineal final entre la potencia emitida y la apertura de la válvula, se debe tener un control lineal que pueda compensar la emisión del intercambiador, que es una relación aproximadamente proporcional y permite un control sencillo. Lo ideal es que el control sea inverso.

Figura 8

Las válvulas de 2 vías y de balance son dependientes de la presión, debido a que en el momento de hacer su dimensionamiento, se considera que las condiciones de operación del sistema son siempre las mismas. Cuando se considera trabajar con flujo variable y retomar las leyes de afinidad, la presión va a disminuir al cuadrado de la velocidad y, solamente, bajo el 10 por ciento se tendrá un cambio en la presión de 19 por ciento. Este cambio impacta de manera considerable en el tipo y dimensionamiento de las válvulas. La mejor solución es utilizar la tecnología de válvulas de balance y control independientes de la presión.

El controlador de presión diferencial funciona por medio de un diafragma que nos permite mantener un flujo y una presión constantes a través de la válvula

Éstas tienen tres elementos en el mismo cuerpo: un controlador de presión diferencial, una válvula de balance y una de control. El controlador de presión diferencial funciona por medio de un diafragma que nos permite mantener un flujo y una presión constantes a través de la válvula, gracias a esto es posible garantizar una autoridad de 1 y una amplitud de control de 1:1000.

Esta versatilidad permite hacer un dimensionamiento muy simple, ya que sólo se requiere conocer el caudal del serpentín, y es necesario instalarla en cada unidad terminal. Así, ya no se requerirá colocar las válvulas en los ramales ni en las verticales, lo que reducirá la inversión inicial al utilizar válvulas más pequeñas y evitar las grandes.

Debido a que se ha ajustado el flujo de diseño, no será necesario el balanceo del sistema, pues este procedimiento ofrece ahorrar costos de puesta en marcha y contribuye a una mayor eficiencia en el ΔT de los intercambiadores y, por ende, mejora el ΔT del chiller.

Para asegurar que la planta de agua helada opere de manera eficiente, es indispensable monitorear el COP (Coeficiente de Operación de Desempeño), es decir, el punto donde todos los componentes del sistema interactúan. El chiller es responsable de enfriar el agua; las bombas de hacer fluir el agua a través del sistema y las válvulas controlan el abatimiento de la carga (calentamiento del agua) y la correcta distribución, además de garantizar el caudal en cada intercambiador.

Figura 9

 Luego, se monitorean el flujo del sistema, las temperaturas de suministro y de retorno, la energía eléctrica consumida de los equipos (bombas, chiller, ventilador de torre en caso de que aplique).

Por último, se mide el COP que es la relación de las Toneladas de Refrigeración generadas entre la energía eléctrica consumida (el recomendado por ASHRAE es de 4).

Cabe destacar que todos los puntos mencionados en este artículo serán de gran utilidad para que los técnicos se aseguren de que la planta de agua helada funcione de manera eficiente, ya que al lograr el control óptimo de la operación de los componentes se garantiza un consumo energético más responsable.

 

Murilo Dalla
Ingeniero Electrónico y Gerente de Desarrollo de Negocios en Danfoss Drives México. Cuenta con experiencia en reparación de Equipos VLT®, atención al cliente y hotline, ventas, desarrollo de proyectos, entrenamientos, distribución y desarrollo de negocios.

 Adrián García
Ingeniero Mecánico Administrador. Actualmente es Senior Technical Support Engineer en Danfoss Industries. Se especializa en termodinámica aplicada a la refrigeración, ahorro de energía, compresores de refrigeración y aire acondicionado, intercambiadores de calor BPHE y MCHE, aplicaciones de CO2, análisis de garantías y soporte técnico en diseño de sistemas de refrigeración. Aplicación y desarrollo de productos. También es entrenador y certificador de técnicos en refrigeración.

 Felipe Guerra
Ingeniero Mecánico con Especialidad en Ingeniería Industrial, actualmente es ingeniero de Desarrollo de Negocio en el segmento de Calefacción de Danfoss. Impartición de seminarios de AMERIC en HVAC para el uso y aplicación de VDF en aire acondicionado, así como la implementación eficiente de variadores en bombeo y válvulas de balance y control.




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