Segunda parte del artículo sobre el principio de control de capacidad y sus beneficios en la búsqueda del ahorro de energía.
por Alonso Amor*
En la primera parte conocimos diferentes puntos de control de capacidad: compresores de capacidad variable, Control por inversor de frecuencia y control por tecnología digital. Continuamos ahora con otras opciones viables de estas herramientas que permiten notables ahorros de energía.
Válvulas de expansión electrónicas: Las válvulas de expansión electrónicas han surgido como una alternativa a tecnologías anteriormente utilizadas con la finalidad de tener un control más preciso del sobrecalentamiento así como una mayor capacidad de modulación. Accionadas por motores a pasos o por tecnología de pulsos, las válvulas de expansión electrónicas trabajan conforme a la señal proveniente de un controlador, que por medio de un transductor de presión y un sensor de temperatura, realiza el cálculo instantáneo del sobrecalentamiento permitiendo una modulación del flujo de refrigerante según la necesidad actual del sistema.
Las válvulas de expansión por motor a pasos ofrecen un control de sobrecalentamiento más preciso que aquellas que trabajan por pulsos, pues las distintas posiciones del motor permiten un control linear de alimentación (ver gráfica 3). Las válvulas por control a pulsos basan su operación en la abertura total del puerto de la válvula por distintos intervalos de tiempo (ver gráfico 4) lo cual genera una cierta imprecisión en el control del sobrecalentamiento.
Si existe algún error en el cálculo de evaporadores o tuberías para la aplicación específica, las válvulas de expansión por control a pulsos, podrán inclusive generar ruptura de la tubería por golpe de ariete generando graves pérdidas al sistema. Una ventaja de las válvulas por pulsos es el hecho de que operan como una válvula solenoide normalmente cerrada para controlar el flujo, que ante alguna falla en el sistema eléctrico permanecerá cerrada y evitará la migración de líquido refrigerante al compresor. Ya en el caso de las válvulas por motor a pasos una válvula solenoide adicional deberá ser incorporada a la línea de líquido.
Gráfica 3: Control por Motor a Pasos
Gráfica 4: Control por Pulsos
Diversos estudios han demostrado las ventajas energéticas del uso de válvulas de expansión electrónicas, los resultados varían dependiendo del componente utilizado, aplicación y localidad, siendo que en todos los casos se obtienen beneficios energéticos importantes y tiempos cortos de retorno de inversión.
Existen cuatro principales motivos por los cuales las válvulas de expansión electrónicas presentan ventajas competitivas con respecto a la expansión termostática:
1. Capacidad de ajuste de sobrecalentamiento
2. Rango de aplicación
3. Trabajo en presencia de flash gas
4. Seguridad del compresor
El principal factor que lleva a las válvulas a poder ofrecer estas ventajas es la capacidad de trabajar en una amplitud mucho más extensa que una válvula de expansión termostática. Una válvula de expansión electrónica puede trabajar completamente cerrada (impidiendo el flujo del refrigerante) o totalmente abierta otorgando el máximo de su capacidad de diseño, por el otro lado, una válvula de expansión termostática sólo tiene un pequeño rango de ajuste que le permite variar el flujo de refrigerante y no cuenta con la capacidad de cerrar completamente.
Es precisamente el control de este punto de operación lo que hará que la aplicación sea más eficiente con esta nueva tecnología, siendo que el ajuste variable de la posición de la válvula también podrá ocasionar estrategias de control distintas en otros componentes del sistema.
Succión flotante
La succión flotante es un principio de control que basa su operación en la reducción de la razón de compresión, esto se logra mediante el incremento gradual de la presión de succión hasta el punto que permita garantizar la temperatura deseada en el espacio refrigerado.
A diferencia de otros métodos, la succión flotante, es una solución cuya instalación es de bajo costo pues sólo depende de un algoritmo que normalmente ya es parte de la programación del controlador utilizado para la modulación de los compresores.
La succión flotante muchas veces también utilizada como “setpoint nocturno” que consiste en subir la temperatura de los espacios refrigerados durante el horario de baja necesidad de frío o cierre del establecimiento.
Para la aplicación de este método se debe de tener un control fino de la etapa de compresión pues un cambio en el setpoint de la presión de succión generará menos demanda en los compresores y esto no debe ocasionar un desequilibrio del sistema.
La succión flotante no puede ser utilizada en todos los casos, es principalmente descartada cuando además del control de temperatura se busca obtener un control de la humedad relativa del cuarto. Esto debido a que el cambio de la presión de succión genera un ajuste del diferencial de temperatura de evaporación modificando las condiciones psicométricas.
Control de Velocidad de Ventiladores
La modulación de velocidad en los ventiladores de evaporadores y condensadores puede realizarse con distintos fines dependiendo de la aplicación. Normalmente, este tipo de control es utilizado para mantener una presión constante de condensación o para regular el caudal de aire en productos que así lo requieran en el caso del evaporador.
Existen varios métodos para variar la velocidad de los motores sin embargo las dos tecnologías más utilizadas son el uso de inversores de frecuencia o la instalación de motores electrónicamente conmutados (EC). En ambos casos se requiere de una señal analógica proveniente de un controlador.
- Control de velocidad en motores de evaporadores. La variación de la velocidad de los motores del evaporador se da principalmente en aplicaciones que por la naturaleza del producto o proceso no se debe de tener el 100% del flujo de aire en algunos periodos previamente establecidos. Un ejemplo típico de esto es el enfriamiento de canales de res en dónde al principio del proceso se requiere de un gran volumen de aire para enfriar rápidamente el producto, sin embargo al final del proceso, un exceso de ventilación generará merma del producto en agua. El control de velocidad en evaporadores también es utilizado en aplicaciones con control de temperatura y humedad.
Siempre que se varía la velocidad del ventilador del evaporador tendrá una repercusión en la presión de succión. Una disminución de la velocidad generará una menor presión de succión debido al menor intercambio de calor en esta nueva rotación. El control de velocidad de ventiladores del evaporador está directamente ligado al control del sobrecalentamiento. Ante bajas velocidades debe existir una menor alimentación de líquido al evaporador, pues no habrá el suficiente intercambio de calor para evaporar el flujo de refrigerante que se tenía trabajando a mayores revoluciones. Siempre que se tenga este tipo de control se recomienda la utilización de válvulas de expansión electrónicas, pues dependiendo de la aplicación y variación de velocidad, una válvula de expansión termostática no tendrá la capacidad de mantener al sistema con un correcto ajuste de sobrecalentamiento en todo el rango de capacidad requerido.
- Control de velocidad en motores de condensadores. La selección de equipos para un sistema de refrigeración se realiza con dos referencias: Una carga térmica constante y una condición de operación fija, siendo responsabilidad del encargado del proyecto tener la habilidad para identificar que esta condición y cargas sean las más adecuadas para la aplicación. No obstante se tome una referencia, se sabe que existirán variables que harán que el equipo y aplicación funcionen en diversas condiciones. Sin duda alguna uno de los factores que más cambio tendrá será la temperatura ambiente de operación y con ello la presión de descarga y esta debe controlarse para poder tener un funcionamiento correcto del equipo. Una de las formas de lograrlo en condensadores enfriados por aire es el control de velocidad en motores del condensador.
La modulación de velocidad de los ventiladores del condensador ha surgido como una mejora al método denominado como “fan cycling” que consiste en el encendido y apagado de los distintos motores del condensador.
Con la variación de la velocidad, al contrario del fan cycling, se obtiene un control lineal de la presión descarga ya que este método no se basa en etapas fijas de capacidad sino en una señal que puede ir del 0 al 100%. Además, con el control de velocidad, como se analizó en el caso de los compresores, la energía eléctrica se reduce al cubo de la capacidad (ver gráfica 5).
Gráfica 5: Control de Capacidad para Condensador de 6 Motores
La presión de descarga varía principalmente por dos motivos: temperatura ambiente exterior y el control de capacidad de la etapa de compresión. Ante una mayor temperatura ambiente menor será el intercambio de calor que se pueda realizar en el serpentín del condensador y por tanto se requiere de un mayor caudal de aire para mantener la presión de descarga en el punto deseado. También debe regularse la velocidad para evitar que la presión se vaya por valores debajo de lo deseado pues esto puede generar que no se tenga la presión diferencial suficiente para que trabaje correctamente la válvula de expansión. Se entiende también que el área del condensador es fija y que los compresores trabajaran conforme a la demanda instantánea por lo que es necesario variar el flujo de aire para ajustarse a la capacidad actual de los compresores.
Conclusiones
Los sistemas de control de capacidad son una herramienta necesaria para garantizar la correcta operación del sistema de frío. También representan el medio correcto para obtener una temperatura estable con el menor costo de operación posible.
Dado que el sistema trabaja en conjunto, es importante resaltar que la aplicación de algún método de control de capacidad nos llevará a la instalación de otro como consecuencia, por ejemplo controlar la capacidad de la etapa de compresión obligatoriamente necesitará de control la etapa de condensación, y utilizar tecnologías similares llevará al sistema frigorífico a una solución integral y con respuestas de acuerdo a la demanda instantánea.
Es responsabilidad del proyectista seleccionar el método de control que mejor se adecúe a la aplicación específica y se debe dedicar el suficiente tiempo en campo para realizar los ajustes pertinentes.
Referencias
- F.J. Elrich, Blocked Suction Unloading Improves Part Load Efficiency of Semi-Hermetic Reciprocating Compressors, 1984, International Compressor Engineering Conference, Paper 434.
- Emerson Climate Technologies, Digital Capacity Control for Copeland Scroll Refrigeration Compressors, 2013, AE21-1319 R6
- Emerson Climate Technologies, Use of Variable Frequency Drives With Copeland Scroll and Discus Compressors, 2011, AE21-1369 R1
* Ing. Alonso Amor. Gerente Técnico Flow Controls América Latina. Emerson Climate Technologies. Guadalajara, Jalisco, México. [email protected]
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