En esta segunda parte presentamos la instalación de un Sistema central unificado de agua fría para las áreas de dulcería y chocolatería en “Dulces del Trópico”.
por Camilo Botero*
Introducción: Dulces del Trópico (nombre hipotético), desarrolló un proyecto que consiste en la implementación de un sistema central de agua fría, el cual atiende la planta existente de Dulcería, la planta actual de Chocolatería y la ampliación de esta última, maximizando la eficiencia del sistema central y dejando un único sistema de agua fría para la operación en toda la empresa.
Para cumplir con este objetivo se tenían que vencer varios impedimentos que no permitían la operación en conjunto de las plantas mencionadas anteriormente. Básicamente el impedimento determinante para no poder diseñar, instalar y operar un único sistema central, radicaba en los diferentes niveles de temperatura del agua requeridos para lograr los puntos de rocío de cada una de las psicrometrías de las plantas. A manera de aclaración sobre la producción de confitería, es un hecho que las condiciones requeridas para la producción de chocolates son más exigentes que las requeridas para la producción de caramelo duro.
Una planta de dulcería opera con una temperatura de agua fría de 5°C mientras que una planta de chocolatería debe operar con agua de 0°C. Entendido el impedimento solo quedada una solución tradicional para poder unir las dos plantas en un sistema central de agua fría, la cual era operar las 1.200 Toneladas de Refrigeración a 0°C ya que esta sería la temperatura obligada por los procesos psicométricos. Aunque esta solución era técnicamente viable, desde el punto de vista energético era completamente inconveniente. El hecho de producir agua a 0°C implicaba un consumo adicional aproximadamente 30% mayor en energía, para la operación de una planta como la de Dulcería que solo requiere 5°C en el agua.
Además de todos los problemas asociados a la operación en estas condiciones, como congelamientos, mantenimiento de niveles de glicol y mayores espesores de aislamiento para evitar problemas de condensación, en un clima tropical de alta humedad especifica. Buscando alternativas de productos en el mercado aparece una posibilidad la cual permite lograr las exigentes condiciones de chocolatería con una temperatura de agua de 5 °C.
Es un producto que utiliza una rueda desecante para la deshumidificación, la cual tiene la capacidad de lograr bajas condiciones de humedad específica al interior de un espacio climatizado. Con este producto se pudo lograr el cometido de unir las plantas en un sistema central teniendo los beneficios de un sistema centralizado con menor consumo de Kw por cada tonelada de refrigeración generada. A continuación se explica el proceso y los criterios de diseño:
Proceso típico de deshumidificación, utilizando una rueda desecante.
Planta de Chocolatería Actual y Ampliación: Dentro del marco de este diseño se contempló un sistema que cumple con las condiciones de temperatura y humedad relativa en las áreas de Envoltura, Grageas y además permite un óptimo intercambio de calor entre el producto y los caudales de aire suministrados en los Bombos de recubierto de chocolate. Para el sistema de climatización de la ampliación de la planta de Chocolatería se tuvieron en cuenta las siguientes áreas:
Envoltura
Cuenta actualmente con el siguiente sistema: Una UMA (Unidad Manejadora de Aire ) de aproximadamente 18.000 CFM, dos compresores de 50 HP cada uno, condensados por aire por dos equipos remotos. Teniendo en cuenta que el sistema anterior cumplía con las condiciones en el interior y que cualquier modificación en el equipo tomaría un tiempo de parada con el cual la planta no contaba; se determinó seguir operando con el mismo sistema anterior y complementar con una UTA adicional para la ampliación de 20.000 CFM y 48 TR. Sin embargo, la capacidad del área anterior fue tenida en cuenta en el sistema central y esta unidad fue convertida a agua fría y cargada a dicho sistema central.
Grageas
Antes, la zona de Grageas y los bombos eran atendidos por dos UMAs de fabricación local, las cuales eran enfriadas por dos compresores condesados por agua cada uno con una capacidad aproximada de 50 TR y 70 TR, respectivamente. En nuestro proyecto se planteó lo siguiente: una UTA adicional de 47.600 m3/hr y 110 TR (387 Kw) que llevara la capacidad faltante tanto en caudal como en aire exterior, y la conversión a agua fría de las UTAs existentes, lo cual ya se hizo.
Bombos
Los bombos cuentan con un diseño totalmente nuevo, nada de lo anterior fue reutilizado ni para el sistema de suministro ni para el sistema de extracción. Este diseño contempló dos UMAs de la tecnología desecante descrita en la introducción, las cuales operan con 100 % aire exterior, de 6.500 CFM y 50 TR cada una, unos serpentines de enfriamiento y recalentamiento para control de la humedad relativa. Las UMAs de las áreas de Envoltura Chocolate, Grageas y los dos Bombos de recubierto incluyeron unidades de la nueva tecnología de deshumidificación, para permitir cumplir con las condiciones psicrométricas requeridas, trabajando con temperatura de agua a la entrada de los serpentines de 5°C, la cual como se dijo, es común en el sistema central de agua fría.
Planta de Dulcería
Dulces del Trópico tenía instalado un sistema de climatización de aire para el área de Empaque Dulcería y un sistema de enfriamiento de producto para el área de túneles de enfriamiento. Los sistemas anteriormente mencionados eran de expansión directa y estaban compuestos por 4 UMAs y 9 unidades de expansión directa, condensadas por aire. Debido a los incrementos en los requerimientos de producción, la adición de maquinaria y los cambios en especificaciones de nuevos productos, fue necesario realizar un mejoramiento de estos sistemas antiguos.
Para Dulces del Trópico esta necesidad de mejorar e incrementar su sistema de climatización de aire y enfriamiento de producto, se convirtió en una posibilidad de instalar un sistema de avanzada que permitió bajos costos de operación, reducción en paradas de producción, condiciones estables al interior de las zonas y por último un sistema ambientalmente más amigable. Por esta razón se seleccionó una alternativa conformada por seis UMAs convencionales, con agua fría.
En la primera etapa se previó la compra, montaje y puesta en funcionamiento de tres UMAs con sus sistemas de ductos para el área de túneles de enfriamiento, y el cambio de sistema de ductos del área de Empaque Dulcería. El sistema de enfriamiento es gobernado por controladores digitales para optimizar la operación del sistema, logrando las condiciones requeridas y minimizando el consumo de energía. Así mismo, el operador puede cambiar y hacer programaciones de encendido, paro y cambios en los parámetros de control.
Resumen del Sistema Central Unificado Planta de Dulcería y Chocolatería: Este sistema de enfriamiento consiste en tres chillers de condensación por agua con capacidad de 400 TR nominales cada uno, temperatura de agua de suministro a 5 ºC, retorno a 10 ºC y agua de condensación entrando a 28 ºC. Debido a la temperatura de operación, el fluido del sistema es 100% agua y no requiere glicoles como en las plantas con temperatura de 0 °C. El refrigerante del sistema es R134a. Para suplir agua de condensación a 28ºC se instalaron tres torres de enfriamiento que funcionan con cuatro bombas de condensación (una redundante). Cada una de las bombas mueve un caudal de 1.170 gpm de agua.
Se seleccionó un sistema del tipo desacoplado de bombeo por las características del perfil de carga. El sistema primario de bombeo es de velocidad constante y el secundario de velocidad variable. El sistema de bombeo primario estará compuesto por cuatro bombas centrifugas (una redundante) de 936 gpm (260 m3/hr) cada una y una cabeza de 20 mts en columna de agua. El sistema de bombeo secundario está compuesto por dos bombas centrifugas de velocidad variable de 2.808 gpm (778 m3/hr) cada una y una cabeza de 54 mts en columna de agua. El sistema opera con una bomba y la segunda será redundante. Un variador de velocidad ajusta las revoluciones del motor de la bomba según la señal de un transmisor de diferencial de presión ubicado en punto crítico de referencia del sistema.
Planta Chocolatería
Con el objeto de prevenir contaminación en el producto, se ha definido que en las UMAs de Grageas y Envoltura Chocolatería están provistas de prefiltros del 35% ASHRAE (MERV 8) y filtros del 65% ASHRAE (MERV 11). Para las UMA’s de bombos se tendrán tres etapas de filtración: prefiltros del 35% ASHRAE (MERV 8), filtros del 65% ASHRAE (MERV 11) y filtros del 95% ASHRAE (MERV 14).
A través de la red de control se puede monitorear variables del sistema y cambiar parámetros de operación (temperatura, humedad relativa, caudal, prendido y apagado y horarios de operación). Los controladores de campo tienen la capacidad de trabajar stand alone (control por equipo) y operar el sistema de acuerdo a la secuencia establecida. El control de temperatura para el área de Envoltura Chocolatería y Grageas es comandado por un sensor promedio ubicado en el ducto de retorno de cada una de las unidades, conectado al sistema de control que modula las válvulas de dos vías proporcionales que controlan la entrada de agua a los serpentines de post-enfriamiento. Además de este control de temperatura, habrá un control por ADP el cual mantendrá una temperatura fija del aire a la salida del primer serpentín.
Planta Dulcería
Área de enfriamiento de producto en túneles: Para el Área de enfriamiento de producto en túneles se instalaron tres UTA’s y los caudales de aire son suministrados directamente a los túneles de enfriamiento. La temperatura requerida para enfriar el producto es de 11 °C y esta es mantenida a través de un control por ADP (Apparatus Dew Point). Las UMAs tienen control por el lado del agua, mediante la modulación de una válvula de dos vías, proporcional.
Además del control por agua fría, las unidades manejadoras tienen la posibilidad de variar su caudal de aire, con un variador de velocidad conectado en el motor del ventilador. Esta variación de frecuencia en el motor permite tener control del caudal de aire de suministro de cada UMA. Se definió que las tres UMAs estarían provistas de prefiltros (80-85 Arrestance) y filtros del 65% de eficiencia. Para presurizar la zona se ingresan 1.000 CFM a través de la toma de aire exterior de cada una de las UMAs. Debido a que la zona está muy abierta hacia las zonas contiguas, solo se buscará mantener un flujo de aire desde adentro hacia fuera, lo cual es suficiente para mantener la zona sin infiltraciones, provenientes del área de cocina.
Área de Empaque de Dulcería
Para el Área de Empaque de Dulcería se instalaron tres UMAs, las cuales son las encargadas de mantener las condiciones al interior de la zona de empaque. Las condiciones requeridas al interior son de 24 °C de temperatura y 45% de humedad relativa. El control de temperatura para esta zona es comandado por un sensor ubicado en el ducto de retorno de cada una de las unidades. Además del control por agua fría, las UMAs tienen la posibilidad de modificar su caudal de aire, a través de un variador de velocidad conectado en el motor del ventilador. Esta variación de frecuencia en el motor permite tener control del caudal de aire de suministro de cada una de ellas.
Dependiendo de la carga interna, el variador de velocidad aumenta o reduce la frecuencia del motor del ventilador para de esta forma ajustarse el punto de humedad relativa requerida. Cada UMA tiene su sistema de ducto de suministro y retorno independiente. Se definió que las tres UMAs están provistas de prefiltros (80-85 Arrestance) y filtros del 65% de eficiencia.
Para mantener unas condiciones óptimas de la calidad del aire al interior, se ingresan 4170 CFM a través de la toma de aire exterior de las tres UMAs que atienden el área y cada una está bajo el comando de un controlador digital. Este mantiene las condiciones requeridas al interior y alarma a la estación del operador en caso de falla de cualquier componente del sistema una vez esté conectado a la red de nivel superior. Así mismo a través de esta red se puede monitorear variables del sistema y cambiar parámetros de operación.
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