Ahorrar energía es uno de los conceptos más buscados en los últimos tiempos dentro de nuestra industria, y el principio de control de capacidad es una de ellas.
por Alonso Amor*
La búsqueda continua de soluciones más eficientes ha llevado a la industria de la refrigeración a la implementación de sistemas enfocados en tener un ahorro energético de alto impacto, ofreciendo sustentabilidad tanto a los productos almacenados como a los equipos.
Existen diversas estrategias destinadas al ahorro de energía en la industria, siendo que muchas de ellas tienen como principio el control de capacidad.
Todo sistema de refrigeración está calculado sobre un mismo principio: existe una carga térmica fija (a una condición de diseño) bajo la cual son dimensionados los equipos y en base a la selección se deben controlar. Existen diversos factores que generan que la carga sea variable, como por ejemplo: la temperatura ambiente, la temperatura del producto a lo largo del día (o proceso) e inclusive la carga térmica consecuencia de la propia operación del local (abertura y cierre de puertas). Todos estos factores traen como necesidad un control de capacidad del sistema.
Existen diferentes tipos de control de capacidad, los más comunes son aquellos que basan su operación en encendido y apagado del sistema, sin embargo, esta medida no trae ningún beneficio en ahorro energético a la instalación. El presente texto busca dar a conocer los beneficios de aquellas soluciones en donde además de tener una capacidad variable se tienen beneficios en ahorro energético y sustentabilidad del sistema. Las soluciones que serán abordadas son las siguientes:
- Compresores de capacidad variable
- Válvulas de expansión electrónicas
- Succión flotante
- Control de velocidad de ventiladores evaporador/condensador
El principio de ahorro energético en instalaciones de refrigeración puede verse por distintos ángulos, sin embargo, el objetivo es siempre común: utilizar la mínima capacidad necesaria de la manera más eficiente para garantizar las condiciones deseadas en el producto almacenado.
Compresores de Capacidad Variable
Para poder controlar la capacidad de un sistema de refrigeración, sin duda alguna, uno de los principales puntos es el control de la etapa de compresión. Existen varias maneras de hacerlo, siendo la más común de ellas, dividir la carga total en diferentes compresores para tener distintas etapas de capacidad según sea la carga actual requerida. Esta es la técnica más utilizada por los sistemas de refrigeración de los supermercados, en donde estos conjuntos de compresores paralelos son mejor conocidos como racks.
Los racks de compresores han sido la solución más utilizada en sistemas de refrigeración con control de capacidad, sin embargo, por su control robusto (el control de capacidad está en función del número de compresores) no representan una solución optimizada que además de buscar un control de la demanda contribuya a la necesidad de un mejor control de la temperatura y ajuste del sistema.
Una mejora a este tipo de sistemas es la incorporación de control de capacidad por medio de descargadores incorporados a los compresores individualmente. Con esto se logra tener un mayor número de etapas de control y así obtener una condición más estable de presión de succión y temperatura. Los descargadores generalmente son aplicados a compresores reciprocantes por medio de succión bloqueada, es decir, se evita que el gas ingrese a la cámara de compresión, dejando a los pistones en movimiento sin flujo de refrigerante. Esta técnica se aplica por cabezas, por ejemplo para un compresor de tres cabezas (seis pistones) se tendrá el 100%, 67%, 33% y 0% de capacidad respectivamente.
Los métodos arriba mencionados son eficaces y ayudan a tener un control de la instalación, sin embargo, los requerimientos actuales de las instalaciones han llevado a los sistemas de refrigeración a utilizar métodos todavía más precisos con variaciones de capacidad más exactas y beneficios notables en consumo de energía eléctrica.
Ante esta necesidad han sido aplicadas dos tipos tecnologías: control de capacidad por inversor de frecuencia (variador) y control de capacidad por tecnología digital.
Control por inversor de frecuencia
Consiste en la variación de la frecuencia eléctrica de alimentación del compresor, con esto se consigue una modulación en la velocidad de rotación del motor, controlando así la capacidad del compresor. Desde un punto de vista energético, este método presenta grandes beneficios por el hecho de que mientras la capacidad es modulada de una manera lineal, el consumo energético cae en una relación cúbica (ver gráfica 1).
De esta manera siempre que no sea necesario el 100% del compresor, no sólo se podrá tener una excelente modulación sino también un efecto positivo en términos de ahorro energético. Además, no existe como tal una limitante eléctrica para la modulación de frecuencia dentro de los rangos operativos de la red, por lo que las etapas de capacidad pueden ser tan finas como la exactitud del inversor utilizado.
Gráfica 1: Curva Capacidad/Consumo Compresor Con Inversor de Frecuencia
Por ejemplo, si el compresor está trabajando a un 80% de su rotación (40 Hz) su capacidad frigorífica será también del 80% siendo que su consumo eléctrico sólo será del 51%.
El control de capacidad por inversor de frecuencia es un método bastante efectivo, sin embargo, deben considerarse los límites establecidos por el fabricante del compresor, pues existen restricciones principalmente vinculadas al trabajo en bajas rotaciones ya que puede acarrear deficiencias de lubricación. También se debe tener presente la frecuencia natural del compresor, pues al cruzar por este valor el sistema puede entrar en resonancia generando fuertes vibraciones e inclusive ruptura de tubería o componentes. Comúnmente los compresores con inversor de frecuencia trabajan en un rango entre 25 y 60 Hz dependiendo de la aplicación.
Control por tecnología digital
Consiste en la compresión intermitente en un intervalo fijo, en donde el porcentaje de capacidad estará dado por el porcentaje de ese intervalo en el que el compresor (o parte de este se encuentre comprimiendo). Por ejemplo, en un intervalo de 20 segundos un compresor estará al 50% si comprime 10 segundos y los 10 segundos restantes trabaja de manera descargada (ver gráfica 2).
Gráfica 2: Modulación de Compresor Digital en Intervalo de 20 Segundos
En este método de control de capacidad el motor siempre trabaja a una rotación constante, el consumo energético varía de acuerdo a la presencia o ausencia de gas refrigerante dentro de la cámara de compresión, se calcula que cuando el compresor se encuentra descargado consume el 10% de energía comparado contra su trabajo en régimen de compresión.
En compresores Scroll, la modulación se da sobre el 100% de capacidad del compresor, esto se logra mediante la separación de las espirales. Ya en compresores reciprocantes esta tecnología es aplicada sólo a una cabeza (por succión bloqueada) dejando la posibilidad de tener control de capacidad adicional en los pistones restantes.
Nota: en el siguiente artículo continuaremos con el desarrollo de estas recomendaciones para el control de capaciad de los sistemas de refrigeración, ahondando en temas como las válvulas de expansión electrónicas, succión flotante y control de velocidad de ventiladores.
* Ing. Alonso Amor. Gerente Técnico Flow Controls América Latina. Emerson Climate Technologies. Guadalajara, Jalisco, México. [email protected]
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