Extendiendo los Límites de una Refrigeración Más Eficiente

 

El sistema de refrigeración comercial, por su magnitud y diseño relativamente complejos, siempre se identifica como la causa principal del alto consumo de energía en supermercados y comercios minoristas.

Mientras existan oportunidades para reducir la pérdida de energía y optimizar el rendimiento del sistema, los diseñadores de equipos, ingenieros y fabricantes continuarán introduciendo nuevos conceptos y tecnologías para conseguir una operación más eficiente.

Muchas soluciones han sido ofrecidas para enfrentarse al reto de mejorar el rendimiento en las tiendas de hoy. Lo que vamos a investigar en este artículo no es un concepto nuevo, sino uno que está recuperando su popularidad. La refrigeración distribuida ha estado presente por más de cincuenta años en el mercado y ha resurgido recientemente como alternativa de diseño del sistema.

En teoría, instalar sistemas múltiples de refrigeración por toda la tienda puede reducir costos de construcción, instalación y energía, mientras ofrece un nivel de flexibilidad mayor que los pesados sistemas convencionales de centrales de compresores en paralelo. Pero los beneficios de la refrigeración distribuida han sido difíciles de alcanzar hasta ahora. Gracias al flujo constante de avances en tecnología de los componentes y en la integración de los sistemas, la idea de dividir la carga de refrigeración en secciones más pequeñas y manejables, se considera ahora como una solución nueva y viable para optimizar el rendimiento de una tienda.

Vamos a ver con más profundidad la refrigeración distribuida en cuatro niveles:

• Los beneficios de la arquitectura de refrigeración distribuida.

• La capacidad de integrar los componentes del sistema para obtener un mayor rendimiento.

• El impacto de un equipo más confiable en el rendimiento de un sistema.

• Cómo se verá un sistema de refrigeración distribuida en el futuro y cómo beneficiará a los operadores de tiendas.

Ventajas de un Sistema Distribuido

La tendencia de la industria del supermercadismo actual, hace que las tiendas vean de forma diferente el impacto que el diseño del equipo tiene sobre las ventas. Las tiendas quieren distinguirse ofreciendo áreas especializadas como cafés, comida gourmet para llevar, bares sushi y otros servicios generalmente dependientes de la refrigeración.

Esta diversidad requiere flexibilidad en la ubicación y distribución de aplicaciones de baja y media temperatura. Por sus mismos principios de diseño, la arquitectura de refrigeración distribuida concuerda más con la nueva orientación que el negocio de los supermercados está tomando.

Cuando hablamos de rendimiento, hay dos beneficios inmediatamente asociados con los sistemas distribuidos: la optimización de la presión de succión y la reducción de la caída de presión en la línea de succión. En primer término, la arquitectura distribuida ofrece una mayor facilidad para seleccionar la presión de succión. Los casos de operación con varias temperaturas de evaporación en sistemas paralelos pesados, resultan muchas veces en una falta de rendimiento del sistema. El enfoque tradicional fue dividir el colector de succión en tantos circuitos como diferentes temperaturas de evaporación se encuentren e instalar válvulas reguladoras de la presión de evaporación en cada circuito.

Desde el punto de vista del compresor hay una mayor pérdida de carga en la línea de succión cuando el refrigerante se expande a través de dicha válvula reguladora. Estas caídas de presión fueron vistas como razonables para un sistema de compresores en paralelo que ofrece altos niveles de rendimiento. En una situación ideal, un sistema distribuido puede ser optimizado para evitar la instalación de las válvulas reguladoras de presión de evaporación y anular la re-expansión del refrigerante en las líneas de succión.

También, la refrigeración distribuida es más eficiente que el diseño tradicional de sistemas paralelos pesados, ya que las líneas más cortas entre el equipo y los exhibidores refrigerados, resultan en una menor caída de presión en las líneas de succión. Menos metros de tubería de menor diámetro pueden generar ahorros múltiples para el operador de una tienda, que pueden llegar a representar hasta un 40% del costo de materiales y un 50% menos de carga de refrigerante.

Además, menos soldaduras reducen la posibilidad de fugas de refrigerante. Así como la arquitectura distribuida ofrece ventajas de rendimiento, hay algunos componentes claves dentro del sistema que, cuando están bien seleccionados e instalados, pueden proporcionar ahorros de energía adicionales para el supermercado.

Tecnologías que Incrementan el Rendimiento

Dentro de un sistema de refrigeración distribuida, hay dos componentes que tienen un impacto mayor sobre el rendimiento de la instalación: los compresores y los motores.

Los nuevos desarrollos tecnológicos en estos últimos años han llevado a la introducción de compresores y motores de alto rendimiento. Vamos a hablar del papel que desempeña cada uno en mejorar el rendimiento del sistema.

La mayoría de los sistemas de refrigeración comerciales de compresores en paralelo están constituidos por compresores semi-herméticos gracias a su gran tamaño e historia comprobada de operación a alto rendimiento. Debido a los avances en obtener mayor rendimiento en los compresores Scroll de refrigeración, estos están demostrando ser la elección perfecta para los requisitos de rendimiento y confiabilidad de los sistemas de refrigeración más pequeños.

Debido en parte a estos avances, incluyendo la evolución y el rendimiento comprobado de las plataformas Scroll y Scroll Digital, los sistemas de refrigeración distribuida han llegado a ser una propuesta más que interesante tanto en el diseño como en la modificación de supermercados.

Los grandes compresores Scroll fueron introducidos en aplicaciones de refrigeración de supermercados a mediados de los años'90 como una opción para reemplazar a los semi-herméticos. Estos modelos de mayor tamaño no cumplieron con los niveles de rendimiento de los semi-herméticos y tuvieron ciertos inconvenientes para cumplir con los requisitos de manejo del aceite de los sistemas pesados de compresores en paralelo.

La tecnología introducida por Emerson Climate Technologies en su plataforma de compresores Scroll de menor tamaño, puede ofrecer de un 10% a un 15% de mejora del rendimiento sobre la tecnología actual de paralelo compacto (basado en un análisis anual de rendimiento) y se pueden ver cada vez más sistemas de refrigeración distribuida alrededor del mundo. Los progresos en los sistemas de manejo del aceite tienen un historial de confiabilidad comprobada que ha superado ampliamente los requisitos de los sistemas de refrigeración comerciales.

(El análisis energético consiste en tomar los datos climáticos de una ciudad, una región o un país y dividir el registro histórico de temperaturas de un período de tiempo específico, normalmente se toma un año, en “paquetes” discretos de temperaturas que llamaremos “bines”. Por ejemplo, en Dayton – Ohio, en el curso de un año dado, habría en total 1000 horas en las que la temperatura varía entre los 70°F y los 75°F.

Cada bin representa la parte de las 8760 horas totales del año en que se espera que el sistema funcione dentro del rango de temperatura establecida para cada bin. Se calcula o se comprueba el rendimiento del sistema funcionando durante las horas asignadas para ese bin. Los resultados se integran para obtener un valor anual de la capacidad frigorífica y del consumo de energía. La relación entre estos valores es el factor estacional de rendimiento).

El incremento del rendimiento es un gran incentivo para la utilización del Scroll en aplicaciones con bajas temperaturas de condensación porque estos compresores no utilizan el subenfriamiento mecánico tradicional como los semi-herméticos grandes. El diseño avanzado de supermercados abraza el principio de recuperación de calor integrada, es decir capturar y utilizar el calor residual del proceso de refrigeración.

Siguiendo este principio, Copeland ha “turbocargado” a su compresor Scroll para aumentar la capacidad frigorífica por medio de la inyección de vapor aumentada (EVI por su denominación en inglés: Enhanced Vapor Injection ). Los compresores Scroll con inyección de vapor (EVI), funcionan de manera similar a los compresores de dos etapas con enfriamiento de la etapa intermedia. Se consigue una capacidad adicional por efecto del subenfriamiento del líquido con un menor consumo de energía.

Así, los beneficios de mayor rendimiento se consiguen sin necesidad de un compresor de baja. Los compresores Scroll con inyección de vapor aumentada obtienen el mismo efecto de subenfriamiento que eleva la capacidad del sistema con un mayor rendimiento al mismo tiempo que se reduce la temperatura de descarga del compresor.

La tecnología Scroll digital ofrece un nivel adicional de ahorro energético dentro de sistemas de refrigeración distribuida. Este compresor es el único diseño Scroll con una capacidad inherente de regular su capacidad frigorífica del 10% al 100%, manteniendo una velocidad de rotación constante. El Scroll Digital provee un diseño mucho más sencillo porque modula la capacidad controlando la conformidad axial de los scrolls en vez de usar la tecnología más costosa de propulsar el motor a una velocidad variable.

Modular la capacidad, le permite al compresor ajustarse a los requerimientos de carga brindando un control más preciso de temperatura con menos arranques y paradas. Puesto que el flujo de masa – o capacidad frigorífica - puede ser modulado como respuesta a la demanda, este compresor es ideal para los supermercados, donde las cargas térmicas de los exhibidores refrigerados están cambiando constantemente.

La amplia línea de diseños Scroll de hoy ofrece flexibilidad máxima para el diseñador de un sistema distribuido. Cualquier combinación de compresores Scroll de plataforma pequeña, digital o de inyección de vapor aumentada puede ser integrada en el sistema, dependiendo de la carga frigorífica y de los requerimientos de temperatura.

Motores de Alto Rendimiento, Variadores de Velocidad

Los motores de los ventiladores del condensador representan otra oportunidad para lograr beneficios de rendimiento en un sistema de refrigeración. Los motores de alto rendimiento y los variadores de velocidad pueden aumentar el rendimiento hasta un 5%, ya que los motores de ventilador consumen una gran cantidad de energía dentro del sistema de refrigeración.

Hay que considerar dos opciones para el motor de velocidad variable: los motores de imán permanente sin escobilla (BPM) y los motores asincrónicos. Los motores BPM ofrecen un rendimiento más alto, pero tienen un mayor costo inicial. Los imanes instalados en el rotor están diseñados para reducir las pérdidas y producir rendimientos más altos.

Otra ventaja tecnológica del motor BPM es un perfil de rendimiento que permanece casi constante a través de una amplia gama de velocidades de operación comparada con otras tecnologías. Esencialmente, el rendimiento del motor disminuye en un grado sensiblemente menor a la reducción de velocidad.

Los motores de inducción son menos costosos que los motores BPM pero en general, son de un 3% a un 5% menos eficientes. Los motores asincrónicos pueden ser de varios tipos, incluyendo el de polo de sombra, capacitor permanente y trifásico. El diseño de polo de sombra puede llegar a ser del 50% a un 60% menos eficiente que el motor BPM.

Más allá de la tecnología de los motores, la tecnología de variación de la velocidad puede ofrecer aún mayor ganancia en el rendimiento. Se puede eliminar entre una tercera parte y hasta dos terceras partes de la energía consumida por los motores del condensador por medio de la aplicación de variadores de velocidad.

Los variadores de velocidad regulan la velocidad de los ventiladores del condensador regulando el flujo de aire y así la capacidad del condensador. La reducción de la potencia en los ventiladores puede ser drástica como está indicado en el diagrama, basada en los resultados de una prueba realizada en un supermercado moderno de 63000 pies cuadrados sobre las estrategias de control de velocidad de los ventiladores del condensador mediante el control de la temperatura diferencial de condensación.

Para un requerimiento del 60% de la capacidad del condensador, el control de velocidad variable requiere alrededor del 20% de la potencia total de ventiladores del condensador, mientras que el ciclado presostático de los ventiladores requiere casi un 60% de la misma. Esto puede ser una fuente principal de ahorro de energía en el supermercado típico de hoy.

Los variadores de velocidad simplifican el control de los ventiladores y por ende el control de capacidad del condensador y hacen más fácil implementar la estrategia de control de ventiladores por temperatura diferencial de condensación. Cambiar la estrategia de control de los ventiladores del condensador de un sistema de refrigeración, desde un control de la presión de condensación a un control de la temperatura diferencial (donde la temperatura diferencial es la diferencia entre la temperatura ambiente y la temperatura de saturación del refrigerante en el proceso de condensación) puede reducir drásticamente el uso energético de los ventiladores y aumentar el grado de rendimiento energético (EER) del sistema de refrigeración.

Esta estrategia ahorra energía permitiendo a los ventiladores del condensador apagarse o disminuir su caudal cuando las cargas térmicas del condensador son bajas (cuando las tiendas están cerradas, o cuando se está llevando a cabo un descongelamiento por gas caliente o cuando se activa la recuperación de calor) aunque las temperaturas ambientales sean altas.

Obteniendo un Real Ahorro de Energía.

El ahorro que se puede obtener por medio del control del diferencial de temperatura (DT) del condensador en un supermercado determinado depende:

• Del diferencial de temperatura (DT) real del condensador (la diferencia de temperatura de diseño menos la perdida de efectividad por la acumulación de polvo y degradación de la superficie).

• De la temperatura ambiental media (el ahorro será mayor cuanto más cálido sea el clima si lo comparamos con un sistema de control presostático convencional).

• De la relación entre la potencia de los motores del condensador en proporción a la capacidad de emisión de calor del mismo.

• De la mínima presión admisible para el lado de alta

El uso de una estrategia de control de la temperatura diferencial para los ventiladores del condensador, automáticamente minimiza la potencia total consumida sumando la de los compresores y la de los ventiladores del condensador. No hay otra estrategia que pueda lograrlo para todas las condiciones de carga frigorífica y para todas las condiciones ambientales exteriores.

Sin embargo, para asegurar que se mantenga la confiabilidad del sistema, la estrategia de control por temperatura diferencial se cambia automáticamente por un control presostático tradicional si las presiones de condensación del sistema se acercaran a los límites de diseño durante períodos de temperatura ambiental extremadamente fríos o calientes.

Mientras que el control por DT de los ventiladores del condensador es la mejor y única manera de reducir el consumo total de energía de una unidad condensadora de refrigeración a niveles mínimos, esta estrategia de control no se puede llevar a cabo perfectamente utilizando los algoritmos de control disponibles actualmente en los controladores electrónicos existentes. Esto es debido al hecho que el punto de seteo óptimo para el DT, está afectado por algunas variables incontrolables del sistema, como la capacidad y/o condición del condensador y la carga frigorífica instantánea del sistema.

Cuando estas variables cambian, también lo hace el valor óptimo del DT. Para los sistemas de refrigeración de supermercados con potencias de ventilador relativamente altas y un bajo rendimiento de los condensadores – el estándar corriente de la industria – este cambio del punto de trabajo óptimo en el DT puede llegar a ser de 5°F a 6°F.

Los ingenieros de sistemas de control y de refrigeración, que están desarrollando los nuevos sistemas distribuidos de hoy, han respondido recientemente a este reto desarrollando un nuevo algoritmo de control por diferencial de temperatura flotante, que funciona de manera similar a los algoritmos de presión de succión flotante existentes. Este control único de la capacidad del condensador, eliminará complicaciones en la calibración de la instalación, en incertidumbre del técnico de servicio y en las pérdidas de energía asociados con la aplicación de la estrategia de control por diferencial de temperatura del pasado.

La segunda parte tratará sobre la tecnología que contribuye a la eficiencia energética de los sistemas distribuidos.

Tom Crone dirige la división Design Services Network and Integrated Products Business de Emerson Climate Technologies.

Para más información diríjase a: www.emersonclimate.com