OTROS ENFOQUES

por Héctor Gómez Pérez

En su quinta versión, Refricolombia contó con más de 500 participantes entre conferencistas, asistentes y equipo logístico. Desde ya nos estamos preparando para la cita del próximo año que se realizará en el Centro de Convenciones Compensar en Bogotá, Colombia, entre el 16 y el 17 de julio próximos. Sin embargo, vale la pena volver sobre los pasos y recapitular algunas conferencias que día tras día cobran mayor importancia dentro de la industria; en esta oportunidad ACR LATINOAMÉRICA habló con Norberto Aguilar, ingeniero de ventas de refrigeración industrial de Danfoss Industries S.A. de C.V., para ampliar la información que presentó durante una de sus conferencias en la muestra académica y que denominó CO2 refrigerante del futuro.

Un tema frecuente dentro de las agendas de muchos países alrededor del mundo es la creciente importancia que se le vienen dando a los asuntos ambientales. En ese sentido no son pocos las iniciativas que se han puesto en marcha en los últimos años para aminorar el negativo impacto ambiental y el calentamiento global: edificios verdes, producción de diesel más limpio, acelerada producción de biocombustibles, ahorro de energía en las diferentes industrias y los hogares, campañas que propenden por el consumo racional del agua, etc. La industria de la refrigeración no ha estado al margen de este fenómeno y cada vez más se habla de los refrigerantes amigables con el medio ambiente, entre ellos el CO2.

Pero, ¿por qué este conferenciante mexicano llamó su ponencia CO2 refrigerante del futuro? “En una presentación que realizó el Instituto Tecnológico Danés se Indica  que el CO2 no es el refrigerante del futuro si no el futuro mismo. Desde un  punto de vista ecológico este refrigerante es clasificación natural (R744), en la que también se encuentran el agua, el amoníaco, el propano, el metano, etc. Entre sus características se destaca que es no toxico, no inflamable y con clasificaciones del ODP (potencial de agotamiento del ozono) de 0 y el GWP (potencial de calentamiento atmosférico) de 1”, según explicó Aguilar.

La primera aparición del CO2 en refrigeración tuvo lugar en Inglaterra con una patente que presentó Alexander Twining en 1850; por su parte Thaddeus S. C. Lowe experimentó con éste en globos para uso militar, pero también diseñó una máquina de hielo usando CO2 en 1867. Lowe a su vez desarrolló una máquina para transportar carne congelada en los barcos. Este periodo del CO2 se extendió hasta 1930 cuando su uso empezó a decrecer por la aparición de los R11, los R12, entre otros. El segundo momento, que se podría catalogar como el actual, se empezó a generar desde 1993 a partir de las investigaciones realizadas por el doctor G Lorentzen.

Frente al grupo de los refrigerantes naturales que se mencionaron hace algunas líneas, el CO2 no presenta algunas desventajas que éstos sí poseen. Por ejemplo, el amoníaco es tóxico, los hidrocarburos son inflamables y el agua tiene limitadas posibilidades de aplicación. En cuanto a las características del CO2 la que más se destaca es su punto triple que está a una temperatura de -56.6 oC y una presión 5.18 bar. Por su parte la presión crítica se encuentra a  73.6 bar y una temperatura de 31oC.

En cuanto a los equipos hay que considerar que no todos los existentes son aptos para trabajar con CO2, debido a la presión con la que deben ponerse en funcionamiento. Es importante señalar también que los diámetros de las tuberías son más pequeños.

Otras consideraciones y seguridad

En el ámbito de la refrigeración industrial, el CO2 no reemplazará al amoníaco debido a que los sistemas que funcionan con éste son híbridos y necesitan del amoníaco u otro refrigerante dentro de un sistema cascada. En cuanto a su aplicación en la industria se utiliza para temperaturas muy bajas (en el rango de -50oC a -30oC) en cámaras de refrigeración o túneles de congelación de alimentos. Dentro del uso doméstico es utilizado en calentamiento en bombas de calor y aire acondicionado automotriz.

A diferencia del Amoníaco, el CO2 carece de olor característico lo cual es un aspecto de seguridad importante. “El CO2 remplaza al aire y causa pérdida de oxígeno. En la presencia de suficiente oxígeno, el CO2 tiene un efecto narcótico a altas concentraciones, pero en pequeñas cantidades el CO2 tiene un efecto estimulante en la respiración. Debido a las características ácidas del CO2,  pueden aparecer algunas irritaciones particularmente en la membrana mucosa de la nariz, garganta y ojos”, precisó Aguilar.

Los síntomas asociados a la inhalación de aire con CO2 se incrementan de la siguiente manera:

* 0.04%  es la concentración de CO2 en el aire atmosférico.
* 2% incrementa un 50% la tasa de respiración.
* Una exposición de 10 minutos a una concentración del 3% incrementa 100% la tasa de respiración
* 5%  representa un aumento de 300% de la tasa de respiración. La sudoración y el dolor de cabeza aparecen después de una hora.
* 8%  es el límite de la exposición a corto tiempo.
* 8 -10% hay dolores de cabeza después de 10 o 12 minutos, mareo, problemas auditivos, la presión sanguínea y el ritmo cardíaco aumentan, además hay náuseas.
* 10 - 18%. Después de pocos minutos, pueden aparecer ataques epilépticos, calambres musculares y pérdida de la conciencia, además de shock. Las personas afectadas se recuperan rápidamente con aire fresco.
* 18 – 20%. Aparecen síntomas similares a los de un infarto.
Las fugas de este refrigerante se identifican mediante sensores infrarrojos de CO2 de rangos de 5000 ppm (partes por millón) a 9000 ppm que es la norma ASHRAE 15 permitida.

Frente al tema de los requerimientos mínimos que deben tener los sistemas que trabajan con CO2 Aguilar dijo que “hay un principio en refrigeración que se resume en un buen proyecto, una buena instalación, cero problemas. Se deben tener en cuenta las presiones de trabajo, la humedad que afecta al sistema y tener las válvulas de seguridad correspondientes”.

Para finalizar, frente a la pregunta por la aplicación de refrigerantes basados en CO2 en América Latina, esto fue lo que respondió Aguilar: “están en proyectos varias aplicaciones en Brasil y México; ya se cuenta con apoyo de compañías que tienen experiencia a nivel mundial en estas soluciones y tienen presencia en Latinoamérica. Hay que señalar que la primera aplicación en la región está muy cerca. En una vista realizada recientemente a una planta con aplicación de CO2 en Estados Unidos, la firma de ingeniería me indicaba que desde 2004 a la fecha cuentan con 14 instalaciones y han firmado proyectos hasta el 2010”.

por Alfredo Sotolongo

Como bien les informé en artículos anteriores de la sección OPINIÓN, por causa de problemas que todos conocemos como el alto costo de los combustibles y la conservación del medio ambiente, la empresa privada ha dedicado considerables recursos económicos así como tiempo al desarrollo de nuevos sistemas y productos para la conservación de energía. Les puedo decir que casi todos los días se desarrolla algo nuevo y por lo tanto, se aprende algo nuevo.

En esta oportunidad me quiero referir a las plantas centrales de agua helada. Es importante entender cómo la tecnología se aplicaba a los retos de los años 50 y el razonamiento detrás de aquellas decisiones para así poder evaluar y apreciar el concepto de cómo obtener la máxima eficiencia posible en estas instalaciones.

Hasta muy recientemente los distintos equipos que componían la planta central eran:

* Enfriador (Chiller).
* Torres de enfriamiento.
* Bombas de agua helada.
* Bombas de agua de condensación

Eran controlados independientemente uno de otro y se trataba de que operaran lo más eficientemente posible.

En los años 50 casi todos los sistemas eran de volumen constante, ya que no se conocían las bondades del volumen variable ni se habían desarrollados equipos para poder controlar el volumen del aire ni del agua. La capacidad de los sistemas de aire acondicionado se controlaba con válvulas de tres (3) vías en las manejadoras de aire y éstas modulaban la cantidad de agua evitando que ésta pasara por el serpentín de la manejadora y regresándola al enfriador. Cuando esa masa de agua helada, que no pasaba por el serpentín de la manejadora, regresaba al enfriador a una temperatura que se acercaba a la que había salido, los controles del enfriador reducían la capacidad del mismo y en ese momento empezaba a reducir el consumo de energía en el enfriador.

El problema que esto representaba era el tiempo que tomaba al agua regresar al enfriador para que los controles de éste registraran el valor de la temperatura y ajustaran la capacidad. Lo mismo pasaba con los demás componentes, ya que el agua de condensación no cambiaba su valor de temperatura hasta que el enfriador no se ajustaba.   

Al final de los años 50 y principio de los 60, con el propósito de reducir el tiempo de reacción, se comenzó a utilizar el bombeo primario con volumen constante, pero variando el volumen en el circuito que alimentaba las manejadoras de aire (que lo podríamos llamar circuito secundario de agua helada); para esto se utilizaban válvulas de dos vías, que al satisfacerse la temperatura en la manejadora cerraba la válvula y reducía el caudal de agua hacia el serpentín y al ser la bomba de agua helada de volumen constante aumentaba el diferencial de presión en el sistema de bombeo. Por medio de un controlador diferencial de presión se controlaba una válvula de dos vías localizada en una tubería de recirculación (by-pass) que conectaba la tubería de retorno con la de suministro.

Al aumentar el diferencial de presión entre el retorno y el suministro, la válvula de dos vías se abre para recircular el agua helada a través del enfriador. Cuando los controladores del chiller detectaban que la temperatura de retorno del agua se acercaba a la de suministro, éstos ajustaban la capacidad y en ese momento comenzaba a reducir el consumo de energía. Una vez se reducía la capacidad del enfriador, los controles de temperatura del agua de condensación detectaban la disminución en el valor de la temperatura del agua de retorno del condensador y así controlaban la capacidad de la torre de enfriamiento. Con esto se mejoraba el tiempo de reacción en lo que respecta al enfriador y la torre de enfriamiento, pero no se ahorraba energía en ningún otro componente del sistema.

Aunque las bondades de las leyes de afinidad de los fluidos impulsados por equipos en rotación ya se conocían, no fue hasta principios de los años 80 que se desarrollaron y se justificó financieramente el uso de los variadores de frecuencia (VFD) para modular las revoluciones de equipos tales como ventiladores y bombas de agua en sistemas comerciales de aire acondicionado.

Una vez se comenzaron a utilizar los variadores de frecuencia (VFD), se logró también ahorrar energía en los ventiladores de las manejadoras de aire, en las bombas de agua y en los ventiladores de las torres de enfriamiento lo cual hizo las plantas centrales de agua helada más eficientes. Los enfriadores trabajaban con volumen constante de agua, mientras que el sistema consistía de dos sistemas de bombeo para el agua helada, uno de volumen constante para el enfriador y otro de volumen variable para la red de distribución.

El sistema de bombeo para la red de distribución o sistema secundario, también utiliza válvulas de dos vías en las manejadoras y al cerrarse dichas válvulas el diferencial de presión aumenta entre las tuberías de suministro y de retorno, y el controlador diferencial de presión modula el variador de frecuencia para ajustar las revoluciones del motor de la bomba y así reducir el consumo exponencialmente.

Con todos estos adelantos logrados en los años 80 se ha reducido el consumo de los distintos equipos que componen la planta central de agua helada y se ha logrado disminuir el tiempo de reacción, aunque cada equipo es controlado independientemente. Esto significa que la planta central como un todo no opera a máxima eficiencia ya que sus componentes no operan en armonía el uno con el otro.

Dentro de ese grupo de empresas que están constantemente en la búsqueda de sistemas más eficientes y que tratan de minimizar el tiempo de reacción de las plantas centrales de agua helada se encuentra S.A Armstrong, que ha desarrollado un sistema integral de control que logra que todos los componentes trabajen en armonía utilizando la tecnología del ciclo de control Hartman el cual se basa en tres principios:

1. La curva natural del comportamiento del enfriador.
2. El comportamiento de cada componente con relación a la capacidad del sistema.
3. El control basado en la demanda del sistema en cada momento.

Estamos hablando de controlar los componentes de la planta central de agua helada de la forma siguiente:

a. Torres de enfriamiento – preferiblemente de celdas múltiples variando el volumen de aire.
b. Bombas de agua de condensación – variando el caudal de agua a través de la torre de enfriamiento.
c. Bombas primarias de agua helada – variando el volumen de agua a través del enfriador. No se requiere bombeo secundario.
d. Enfriador de agua – modulando su capacidad y reaccionando al volumen variable de agua del circuito primario.

Hoy en día se puede lograr que todos los equipos que componen la planta central de agua helada se posicionen en su punto óptimo de eficiencia para cada nivel de carga térmica del sistema de aire acondicionado. En nuestros países tropicales, además de los cambios en carga térmica en el interior de los edificios, existen cambios en las condiciones externas, casi siempre es la presencia y ausencia del sol que causa cambios en el bulbo seco y húmedo del aire exterior.

En otras palabras, la comparación de las condiciones del aire exterior con la temperatura del agua de entrada al condensador y la capacidad térmica del sistema de aire acondicionado debe coincidir con el consumo eléctrico para esas condiciones de carga específicas y de no ser así, el sistema de control ajustaría la condición de operación de todos los componentes para lograr el valor óptimo de consumo eléctrico por carga térmica correspondiente.

En conclusión, lo que se ha logrado con estas nuevas aplicaciones de métodos de control es que al trabajar todos los equipos que componen la planta central de agua helada en armonía, se ha disminuido considerablemente el tiempo de reacción a los cambios en carga térmica logrando minimizar el consumo de energía. Esto ha representado plantas completas con condensación por agua intentando  promediar anualmente consumos tan bajos como  0.45 Kv/Tonelada (7.8 COP).

Por: Steve Rolandelli*

Por: Ron Bernstein*

Por: Alfredo Sotolongo*