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Sistemas de aire acond.: grupos de frío y torres de refrigeración

  • 1. Descripción

    Los sistemas de producción de frío o enfriadoras se basan, en ciclos termodinámicos, en los que de modo continuo tiene lugar un transporte de energía térmica entre una región a baja temperatura y una región a alta temperatura. En general es el aire ambiente quien, directa o indirectamente, constituye el foco caliente a alta temperatura.

    En la figura se muestra el ciclo termodinámico (simplificado), que sigue cualquier refrigerante, y que es común siempre que se utiliza el método de refrigeración por evaporación de líquido.

    Ciclo de refrigeración

  • 2. Conceptos básicos

    COP (Coeficiente de prestación de un sistema). Coeficiente entre la energía térmica cedida por el sistema y la energía, de tipo convencional, absorbida.

    Entalpía: en palabras sencillas, se define como la medida del contenido de calor total que dispone una masa de una determinada sustancia. Es útil para determinar la cantidad de calor necesaria en cualquier operación que se produzca una transferencia de calor.

    Calor latente. Se define como el calor absorbido o cedido que se utiliza exclusivamente para modificar el estado de agregación de una sustancia, sin influir en su temperatura. Calor sensible. Cantidad de calor que cede o absorbe un cuerpo sin cambiar de estado.

    Calor sensible. Cantidad de calor que cede o absorbe un cuerpo sin cambiar de estado.

    Diagrama termodinámico P-V

  • 3. Componentes

    3.1 Grupo de Frío

    Podemos clasificar los procesos de producción frigorífica en dos grupos:

    Ciclo abierto. En el cual el refrigerante se pierde en la atmósfera, después de evaporarse. Este tipo de acondicionadores consiste en un panel humidificado con agua, a través del cual circula aire (fluido que se quiere enfriar), impulsado por un ventilador. Como es el caso de las torres de refrigeración.

    Ciclo cerrado. El refrigerante no se pierde en la atmósfera, sino que circula permanentemente por el interior de un circuito cerrado. Principalmente se utilizan dos ciclos:

    Compresión mecánica. Comprime un vapor saturado a baja temperatura y presión, llevándolo a un estado de mayor presión y entalpía, a expensas de un trabajo externo.

    Está compuesto por cuatro elementos básicos: el evaporador, el compresor, el condensador y el expansor.

    A continuación se describen las funciones generales de cada componente y las etapas que le corresponden a cada uno en la figura.

    Compresor (etapa 1-2)

    Su misión es aspirar el gas o vapor recalentado procedente del evaporador y lo comprime, enviándolo hacia el condensador, en este momento el refrigerante se encuentra en estado gaseoso.

    Compresor

    Condensador (etapa 2-3)

    Es el encargado de disipar el calor del gas refrigerante, convirtiéndolo en líquido, permitiendo de esta forma la condensación.

    Condensador

    Dispositivo de expansión (etapa 3-4)

    El refrigerante en estado líquido procedente del condensador es conducido al expansor con el fin de bajar el punto de ebullición y por tanto la temperatura de evaporación.

    Válvula

    Evaporador (etapa 4-1)

    El evaporador es el encargado de que el gas en estado líquido se vaporice a presión y temperatura constantes, gracias al calor latente suministrado por el refrigerante que cruza el espacio del evaporador. Una vez evaporado el gas o refrigerante es recalentado, evitando los llamados "golpes de líquido" en el compresor.

    Evaporador

    Ciclo de refrigeración por absorción. Se sustituye el compresor, de un ciclo mecánico, por un absorbedor y un generador. Este sistema consume energía térmica. Utiliza un fluido secundario, llamado absorbente (bromuro de litio, etc.), para absorber el fluido primario que ha sido vaporizado en el evaporador.

    Ciclo de Absorción

    3.2 Torre de Refrigeración

    Este equipo consigue disminuir la temperatura de grandes volúmenes de agua con muy pocas pérdidas, es por tanto un equipo con un elevado rendimiento evitando las frecuentes reposiciones de agua necesarias en un sistema tradicional.

    Las torres de refrigeración se clasifican:

    Atendiendo al modo en que circula el aire en el interior de la torre:

    • Torres de tiro natural: cuando el aire es inducido a través de la torre debido a la diferencia de densidad existente entre el aire húmedo y caliente del interior de la torre, y el aire atmosférico exterior más frío y por consiguiente más denso.
    • Torre de tiro natural

    • Torres de tiro mecánico: cuando el aire es inducido ó forzado a circular por la torre por medio de ventiladores.
    • Torre de tiro mecánico

    Atendiendo al modo de contacto entre las dos fases, aire y agua:

    • Torres a contracorriente: cuando los flujos de aire y agua son paralelos, ascendente de aire y descendente de agua.
    • Torre a contracorriente

    • Torres de flujo cruzado: cuando las corrientes son transversales, descendente de agua y lateral de aire.
    • Torre de flujo cruzado

    Dependiendo de donde se sitúe el ventilador:

    • Tiro inducido: cuando el ventilador se ubica en la zona de descarga del aire.
    • Torre de tiro inducido y de flujo cruzado

    • Tiro forzado: el aire se descarga a baja velocidad por la parte superior de la torre.
    • Torre de tiro forzado

    • Se consigue la máxima eficiencia mediante el flujo en contracorriente del agua más fría en contacto con el aire más seco.
  • 4. Medidas de eficiencia

    Intentar que la sala de máquinas este lo más cercana posible a los lugares de demanda de frío; cualquier diseño que no esté dirigido en este sentido penalizará a la instalación frigorífica tanto en rendimientos (pérdidas de presión en líneas, ganancia de calor, etc.) como en inversión inicial (mayor trazado de tubería con su consiguiente aislamiento y cableado).

    Otra medida consiste en que cuando la temperatura exterior sea de 5C, hacer pasar el refrigerante por el condensador para enfriarlo sin necesidad de comprimirlo en el compresor, por lo que nos evitaremos su consumo.

    Enfriamiento gratuito por expansión directa

    El equipamiento debe ser diseñado adecuadamente. El sobredimensionamiento lleva consigo pérdidas excesivas e innecesarias.

    Verificar el nivel de refrigerante de la instalación.

    Eliminar fugas en las instalaciones.

    Colocar las unidades condensadoras fuera de las zonas a acondicionar.

    Desconexión del sistema de climatización en periodos de no ocupación o cuando detecte ventanas abiertas.

    En las torres de enfriamiento:

    • Evitar el incrustamiento de carbonatos en los sistemas.
    • Controlar por temperatura los ventiladores de las torres de enfriamiento.
    • Si se quiere conseguir un buen rendimiento el acercamiento (diferencia entre la temperatura de salida y la temperatura de bulbo húmedo el aire) ha de ser de 5C a 6C y el margen (diferencia entre la temperatura de entrada y la de salida) de 6ºC a 7ºC.

    Colocar el aislamiento necesario a todas las áreas, partes y superficies que lo requieran (tuberías de agua fría y refrigerante, en paredes y techos que puedan considerarse ligeros desde el punto de vista térmico, en canales o conductores de aire, etc.), y ocuparse de reparar el aislamiento dañado.

    El empleo de compresores abiertos es, energéticamente, mejor que el de compresores herméticos o semiherméticos, ya que en éstos el gas aspirado debe absorber el equivalente térmico de las pérdidas del motor.

    Cuanto más elevada sea la presión de aspiración (o la temperatura de evaporación), menor es el consumo energético por unidad de refrigeración.

    Límites aproximados de trabajo de los diferentes tipos de compresores
    Tipo Potencia máxima (HP)
    Alternativo Más de 12.000
    Aletas   100
    Tornillo   6.000
    Centrífugo Más de 35.000
    Axial Más de 100.000

    Cada 3ºC de disminución en la temperatura del aire aspirado, dan lugar a un 1% más de aire comprimido, para el mismo consumo de energía.

    También disminuye el consumo energético por unidad de refrigerante con la disminución de la temperatura de condensación.

    La ubicación de los equipos, en lugares sucios o polvorientos disminuyen el rendimiento, con un mantenimiento adecuado del equipo conseguimos ahorros de energía entre un 3% a un 10%.

    Facilitar en todo lo posible la ventilación de los equipos no colocando obstáculos alrededor.

    Interesa situar las sondas de control del sistema de producción de frío en aquellas zonas más representativas del medio, evitando las falsas alarmas o medidas erróneas.

  • 5. Ejemplo

    El ejemplo intenta valorar la rentabilidad económica del sobrecoste de una máquina de acondicionamiento con free-cooling. El enfriamiento gratuito (free-cooling) consiste en aprovechar la temperatura del aire exterior para refrigerar el edificio.

    La instalación donde se aplicará dicha técnica se encuentra en un hotel de 4 estrellas en la costa de Alicante y consiste en un acondicionador autónomo partido vertical Aire-Aire, sólo frío de 99kW de potencia frigorífica nominal, que se ocupa de acondicionar el Salón-Comedor, cuya superficie es de 600m2. Se estima que las horas de funcionamiento del enfriamiento gratuito serán de 400h/año (4,57% del tiempo total de funcionamiento del equipo), lo que supondrá un ahorro tanto energético, como monetario. En la tabla se adjuntan los ahorros conseguidos.

    Estudio de la rentabilidad de la inversión
    Ahorro energético 39.600 kWh/año
    Coste de la energía eléctrica 0,10 €/kWh
    Ahorro monetario 3.960 €/año
    Coste de la instalación completa de free-cooling 2.351 €
    Periodo de amortización 1,68 años
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