Influencia del binomio de la inyeccin electrnica y la variacin de frecuencia en la presin flotante

Resumen:En este documento, de los distintos temas relacionados con el ahorro de energa en los circuitos de refrigeracin, se centra en el anlisis de la expansin electrnica, la variacin de frecuencia y la presin de evaporacin y condensacin flotantes. En el anlisis de los sistemas de expansin se realiza una comparacin de la inyeccin termostatica comparada con la inyeccin electrnica. En la variacin de frecuencia slo se han tenido en cuenta los factores energticos y de calidad en la conservacin del producto y no las reducciones de ruido o reduccin de tamaos que tambin llevan asociados. Finalmente se concluye que debido a las ventajas que aportan, se prev que en el futuro estos sistemas se instalarn cada vez ms, y se incorporarn nuevos profesionales de otros campos industriales.

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ndice:1 Introduccin 2 Anlisis tericos que permiten un ahorro energtico. 3 Gestin con un funcionamiento eficiente de la instalacin frigorfica Utilizacin de la mxima superficie de transmisin de calor Evaporador Sistemas de expansin Vlvulas termostaticas Acoplamiento de vlvula termostatica y evaporador Vlvulas de expansin electrnica Acoplamiento de vlvula de expansin electrnica y evaporador Adecuacin a la demanda y utilizacin de equipos individuales a al 100% Variacin de carga en compresores Utilizacin de los compresores en su mxima eficiencia Variadores de frecuencia Termostato modulante y evaporadores Condensadores 4 Presiones flotantes Disminuir la presin de condensacin Presin de condensacin flotante Aumentar la presin de evaporacin Presin de aspiracin flotante 5 Ajuste de las presiones en sistemas inteligentes 6 Niveles de ahorro 7 Conclusin

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Introduccin Dentro del campo del ahorro de energa, la introduccin de conceptos novedosos en refrigeracin como es la presin flotante, requiere ciertas aclaraciones y consideraciones, ya que si no es as, el resultado obtenido puede ser contraproducente, antieconmico y antienergtico. Para analizar esta cuestin, es necesario conocer el funcionamiento del sistema frigorfico y el acoplamiento de los equipos involucrados. Como sistemas importantes que afectan a la gestin de los circuitos frigorficos con presiones de aspiracin y descarga flotantes, estn los sistemas de inyeccin y los sistemas de control de compresores. El objeto de este artculo es realizar una presentacin simplificada pero completa y sencilla de los acoplamientos que pueden surgir y del potencial de ahorro energtico en las instalaciones frigorficas. Anlisis tericos que permiten un ahorro energtico. A continuacin pueden verse distintos mecanismos mediante los cuales se puede mejorar la eficiencia de la instalacin. Gestin con un funcionamiento eficiente de la instalacin frigorfica Agrupaciones de cmaras y servicios. Subenfriamiento de lquido Presiones flotantes Disminuir la presin de condensacin Presin de condensacin flotante Aumentar la presin de evaporacin Presin de aspiracin flotanteRespetar las condiciones de diseo

Comprimir el vapor en varias etapas Reducir las prdidas por transporte frigorfico Reducir prdidas de carga en aspiracin Utilizar el calor del condensador Recuperacin de calor para agua caliente sanitaria o calefaccin Desescarche por gas caliente Eliminar saltos trmicos innecesarios De todos los puntos indicados, en esta ponencia slo se desarrollan los referentes a gestin con funcionamiento eficiente, y los que modifican la presin de condensacin y de evaporacin.

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Gestin con un funcionamiento eficiente de la instalacin frigorfica Uno de los objetivos permanentes en una instalacin frigorfica es asegurar un funcionamiento eficiente de la instalacin (COP mximo). Antes de realizar una instalacin frigorfica y teniendo en cuenta las caractersticas de la planta, su localizacin, la variabilidad en el ajuste de parmetros y las propias limitaciones intrnsecas, hay varios puntos a tener en cuenta para conseguir una mejora energtica de la instalacin. Estas acciones son las que afectan a la Gestin y control de la instalacin la cual se manifiesta en dos puntos importantes como son: 1. Utilizacin de la mxima superficie de transmisin de calor 2. Adecuacin a la demanda y utilizacin de componentes individuales a su mxima eficiencia (100%) Estos conceptos son los utilizados en los tres conceptos bsicos que nos ocupan como son inyeccin electrnica, variacin de velocidad y presiones flotantes. Utilizacin de la mxima superficie de transmisin de calor Los evaporadores y los condensadores son los lugares del circuito frigorfico donde se intercambia calor, en el primero de los alimentos al refrigerante que se evapora y en el segundo del refrigerante que se condensa al medio externo (aire o agua). La transmisin de calor se realiza por la superficie donde se evapora o condensa refrigerante cambiando de estado, luego lo que se necesita es que las superficies estn mojadas pero no inundadas para favorecer el intercambio trmico sin bloquear ni reducir la superficie de la tubera. Si en algn momento la tubera no tiene lquido, el calor intercambiado se reduce. En el condensador, la formula que expresa el calor de transmisin es Q = U A T, y por tanto la cantidad de calor transmitido se puede ver reducida bien reduciendo el rea de intercambio A, bien reduciendo el salto trmico T o bien ambos. Desde el punto de vista energtico lo mas interesante es reducir el salto trmico (existen lmites que se indicarn mas adelante). En el evaporador el sistema es bastante mas complejo, ya que por principio no debe salir lquido del evaporador que pueda llegar al compresor y provocar daos. Es por ello por lo que dedicaremos un anlisis especial al evaporador en si mismo y al acoplamiento con los sistemas de expansin. Evaporadores Los evaporadores se utilizan siempre en funcin de las necesidades de la cmara o servicio en cuestin. Tienen un sistema de control individualizado, y en general estn funcionando supuestamente al mximo rendimiento o estn parados.

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Cuando se dice que un evaporador est trabajando siempre al mximo rendimiento, se debe indicar que dependiendo del tipo de evaporador y del tipo de control de dicho evaporador esto puede ser o no ser cierto. De hecho en evaporadores de expansin directa con vlvula de expansin termosttica, el funcionamiento al mximo rendimiento solo es posible en ciertas condiciones, las cuales solo se dan circunstancialmente durante el funcionamiento. Durante el resto del tiempo, el evaporador aunque est funcionando, no estar totalmente inundado de lquido. La curva caracterstica del evaporador MSS (Mnima Seal eStable) separa las zonas del evaporador con arrastre de lquido en la zona izquierda de la curva de las zonas donde solo sale vapor a la derecha de la curva. La zona de vapor no aporta fro al evaporador, pero nos indica seguridad de cara al compresor. Lo ideal es estar prximo a la curva MSS por el lado de la derecha para estar seguros de no tener retornos de lquido y tener el evaporador lleno.

Zona inestabl

Zona estable

Curva MSS

La curva MSS pone de manifiesto que para conseguir una inundacin determinada, debemos tener distinto recalentamiento en funcin de la carga trmica que recibe el evaporador. Esto hace que el recalentamiento que debemos intentar mantener con la inyeccin es variable y funcin del nivel de carga trmica. Sistemas de expansin La experiencia de la inyeccin nos muestra que al inyectar lquido con un sistema de control automtico, cuando el recalentamiento se encuentra en la zona de vapor a la derecha de la curva MSS, la seal del recalentamiento es estable, mientras que cuando est a la izquierda la seal es oscilante debido a la apertura y cierre de la vlvula para intentar que no salga lquido (espuma) del evaporador. Vlvulas de expansin termostaticas La vlvula de expansin termosttica tiene un orificio con un tamao determinado por el cual debe pasar LQUIDO para inundar el evaporador. En funcin del grado de apertura podr pasar mayor o menor caudal de lquido, pero adems de la apertura, hay otros factores que influyen en el caudal de lquido o en la cantidad de fro asociada al lquido que pasa. Estos factores son la diferencia de presiones entre la entrada y la salida de la vlvula de expansin y el Incremento de DP o subenfriamiento subenfriamiento. Un aumento en la diferencia de presiones, provoca Capacidad nominal un aumento en el caudal de fluido, y un mayor subenfriamiento genera una capacidad frigorfica Disminucin de DP mayor en el lquido que entra al evaporador. Luego o subenfriamiento tanto un incremento en la diferencia de presin como en el subenfriamiento aumentan la capacidad de la vlvula de expansin. En las vlvulas de expansin termostatica, esto se RecalentamientoCarga trmica

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traduce en una curva caracterstica con una pendiente mayor de la nominal (mas inclinada). Acoplamiento vlvula de expansin termostatica y evaporador Teniendo en cuenta que el evaporador presenta la curva MSS que indica el recalentamiento mnimo del evaporador en funcin de la carga tmica para que no rebose lquido y que la vlvula termosttica sigue una recta indicando que inyecta una cantidad de lquido (carga trmica a evaporar) en funcin del recalentamiento, cuando se representan las dos lineas (curva MSS y recta de la termostatica) juntas, lo ideal es que sean tangentes y que la carga termica de la planta sea siempre la indicada por el punto de tangencia. En la figura de la derecha cuando el calor aportado es Q1, se tiene que el evaporador necesita una zona de seguridad para que no salga lquido medido por To = constante un recalentamiento de 7C, por otro lado la vlvula Q1 de expansin cuando recibe la seal de 7C de recalentamiento, abre para permitir el paso de una cantidad de lquido que al evaporarse produce un fro de Q1 kW. Como la recta de la vlvula de 4 7 expansin es tangente o est a la derecha de la curca MSS del evaporador, tenemos que el evaporador Recalentamiento tiene una zona al final sin lquido, por lo cual no puede salirse del evaporador. En este caso la regulacin es estable. Cuando la curva MSS se desplaza hacia la derecha, bien por una bajada brusca de presin, acumulacin de hielo, ventiladores rotos, etc, el sistema entrara en un estado inestable con oscilaciones en la apertura de la vlvula. Cuando la pendiente de la recta cambia como consecuencia de un cambio brusco de la presin de condensacin o por la aparicin de burbujas en la lnea de liquido, podemos entrar de nuevo en un estado inestable o bien no inundar completamente el evaporador de lquido. Vlvulas de expansin electrnicas En las vlvulas de expansin termostticas la inyeccin es proporcional al recalentamiento siguiendo una lnea recta de trabajo. Esta recta no se puede acoplar a la curva MSS del evaporador, por lo cual hay que recurrir a tecnologas especiales para poder mejorar la forma de inyeccin en el evaporador. Para esto es necesario el empleo de la electrnica, nuevas vlvulas de expansin, y reguladores electrnicos. El empleo de estos nuevos productos junto con el conocimiento de la dinmica interna de los evaporadores (curva MSS) permiten el control de los evaporadores con un mayor nivel de inundacin. Como por un lado del evaporador no debe salir lquido que pueda romper el compresor, y por otro lado debe estar siempre lleno para obtener el mximo de superficie de intercambio, se deduce que debemos analizar el recalentamiento a la salida delCarga trmica

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evaporador. Este estudio se realiza por medio de un anlisis de estabilidad de forma que se pueda determinar si el recalentamiento se puede reducir a valores ms pequeos. De esta forma consigue adaptarse a la forma de la curva MSS en cualquier condicin de carga. Aunque la idea es sencilla y normalmente hay muchos sistemas de control utilizando estos conceptos, el problema que se plantea en la inyeccin, es que las ecuaciones y sistemas que gobiernas la evaporacin y la transmisin de calor no son lineales y no pueden utilizar los mismos algoritmos de control en condiciones de carga muy distintas. Esto hace que haya que definir muchos parmetros adaptativos en los algoritmos de control. Acoplamiento vlvula de expansin electrnica y evaporador Tal y como hemos visto y debido a que la curva del evaporador solo puede coincidir con la recta de la vlvula de expansin termosttica en el punto de tangencia, resulta que cuando las condiciones de carga son distintas de las indicadas en este punto el evaporador no est totalmente inundado, y en consecuencia solo se utiliza parcialmente. Adems al cambiar las condiciones en el entorno de la vlvula y del evaporador cambia la curva MSS del evaporador y la recta de la VET, con lo cual el punto de equilibrio de expansin optimo se desplaza a otro punto con el consiguiente desaprovechamiento del evaporador. Para superar estas limitaciones, es necesario que la lnea de trabajo de la vlvula de expansin se acople a la lnea de funcionamiento del evaporador (curva MSS). Se deber tener en cuenta que la lnea del evaporador (curva MSS) que depende de la temperatura de evaporacin y de las condiciones de carga, no es fija, y es diferente para cada evaporador.

To = constante

Carga trmica

Q2

Q1

INESTABLE

Recalentamiento

El regulador electrnico recibe seales de los sensores de presin y temperatura y gobierna la vlvula de expansin electrnica, con los algoritmos de control introducidos en l, es quien en base a un anlisis de estabilidad, determina el recalentamiento que debe tener el evaporador en cada instante. Despus intenta mantener este valor controlando la apertura de la vlvula. De esta forma consigue adaptarse a la forma de la curva MSS en cualquier condicin de carga.

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Adems al tener en cuenta la gran cantidad de evaporadores que existen, se plantea otro problema adicional, que es la necesidad practica de adaptacin del sistema de expansin a cualquier vlvula de expansin y a cualquier evaporador. En este punto hay que indicar que el software disponible en la actualidad es diferente segn sea la aplicacin y el tipo o tamao de la vlvula, debindose indicar en que aplicacin se esta trabajando y que vlvula se est utilizando. En definitiva se puede indicar que para que un evaporador por expansin directa, este funcionando siempre al mximo rendimiento, ser necesario que el sistema de control utilice vlvulas controladas electrnicamente, en las cuales por medio de algoritmos de control PID que tienen en cuenta la curva de estabilidad del evaporador MSS se consiga una inyeccin ptima en cualquier condicin de carga. Adecuacin a la demanda y utilizacin de equipos individuales al 100% En toda instalacin frigorfica existe un cambio continuo de la demanda de refrigeracin, lo cual indica que la produccin frigorfica debe ser variable para satisfacer la demanda. En la realidad nos encontramos con el hecho de tener instalaciones diseadas para una capacidad mxima determinada y luego en la practica las necesidades son variables e inferiores. El buen acoplamiento a condiciones de carga variable tan importante de cara al ahorro energtico, es lo que se interpreta como adecuacin a la demanda. Por otro lado, es conocido que cuando se debe producir una cantidad de fro, producirla en un periodo de tiempo ms corto implica siempre un mayor consumo energtico, de lo cual se deduce que si nosotros producimos el fro de forma continua tal como se demanda, el consumo energtico ser menor que si se produce de forma discontinua a intervalos. La adecuacin a la demanda tambin requiere producir el fro con la calidad suficiente para mantener las temperaturas de las cmaras determinadas, pero conviene remarcar que si bien el fro producido puede tener mucha calidad (temperatura muy baja), cuando esta no se requiere, no se debe producir, ya que producir fro de mucha calidad implica un mayor consumo energtico. Conviene aqu introducir el concepto de fro de calidad, el cual es obtenido a bajas temperaturas, diferencindolo del fro de baja calidad obtenido a altas temperaturas. La2003-03-05 Pgina 8 de 18

Recalentamiento

Recalentamiento referencia real

forma ms clara de interpretar este concepto es con un ejemplo. Por ejemplo una Kilocalora de aire enfriado a +10C puede enfriar una masa de aire por ejemplo de 15C a 14C o de 12C a 11C pero nunca podr enfriarlo por debajo de 10C. Otra Kilocalora de aire enfriado a -30C puede enfriar una masa de aire por ejemplo de 15C a 14C o de 12C a 11C, pero tambin puede enfriar la misma masa de aire de 20C a 21C, o de 27 a 28C, cosa que la Kilocalora de +10C no puede. Es claro que la Kilocalora a 30C tiene ms posibilidades que la de +10C, y por tanto es de ms calidad. El inconveniente que presenta es que la energa consumida para producir la Kilocalora a 30C es mucho mayor que la producida a +10C. Luego al igual que en cualquier producto de consumo normal, podemos afirmar que en refrigeracin el fro de calidad (baja temperatura) es mas caro que el fro con menos calidad (alta temperatura). En la practica frigorfica se debe producir el fro con la calidad mnima pero suficiente para enfriar los productos requeridos. Esta consideracin tiene implicaciones serias a la hora del diseo de la instalacin en su fase de ingeniera ya que, implica una concepcin de la planta que permita una gestin de forma flexible. Es decir la instalacin debe disearse teniendo en cuenta las condiciones ms desfavorables (mxima carga trmica), pero tambin debe de tener en cuenta las condiciones de funcionamiento normales, e incluso de carga trmica mnima. Afecta de forma directa en la seleccin de los compresores (tipo, tamao, nmero, gestin o control), a los condensadores de aire y evaporativos, a las bombas de agua de condensacin, al trazado de tuberas (velocidades mnimas, sifones para aceite), control y gestin de los evaporadores (termostato modulante), a las bombas de recirculacin de refrigerante en sistemas inundados, etc. En definitiva y sin ningn tipo de dudas puede afirmarse que afecta a todo el diseo de la instalacin. En estos casos teniendo en cuenta el perfil del Tiempo de operacin en % tiempo de operacin tpico de una instalacin 30 frigorfica como muestra el grfico de la figura, las tecnologas de la variacin de velocidad permiten una adecuacin correcta a la demanda de 20 la instalacin, y adems, una temperatura y presin mas estables, una reduccin de la 10 corriente de arranque y de la potencia reactiva lo cual repercute en una optimizacin del proceso con el consiguiente ahorro de energa, generando 30 40 50 60 70 80 90 100 una serie de beneficios al usuario que se plasman como un ahorro econmico con una reduccin de costes operacin, un rpido retorno de la inversin realizada al tener una instalacin mejor, unos vecinos tranquilos ya que se reduce el nivel sonoro, un producto mejor conservado, unos equipos ms duraderos y mas pequeos (compresores, motores, cableado) o mas capacidad en la planta, una reduccin en la condiciones de funcionamiento en la limitacin de arranques por hora, y un medio ambiente mas cuidado con menos CO2 producido lo cual permitir campaas positivas de respeto al medio ambiente. Por ello vamos a estudiar en detalle el control de equipos donde pueden ir colocados los variadores de frecuencia.

Capacidad %

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Variacin de carga en compresores Es de vital importancia en este punto, que la parcializacin de los compresores, permita un funcionamiento adecuado de la instalacin en cualquier condicin de carga trmica, para lo cual debe haber tantos saltos de capacidad como sea posible, siendo lo ideal una variacin continua de la capacidad . Los compresores actuales presentan ciertas posibilidades de regulacin de capacidad, segn el tipo de compresor. Los compresores de tornillo por medio del posicionamiento de la corredera permiten una variacin continua de capacidad desde el 0% hasta el 100%, lo cual es muy bueno para ajustar la produccin frigorfica a la demanda. Tienen sin embargo una gran limitacin, la cual impide que aproximadamente por debajo del 60% de capacidad, debido a la baja eficiencia energtica, no sea recomendable su utilizacin. Pero la solucin ideal es la utilizacin de un variador de velocidad del motor elctrico que reduce el nmero de revoluciones del compresor y por tanto reduce el volumen desplazado y la potencia frigorfica del compresor y del sistema de refrigeracin. Por otro lado en este caso se reduce el consumo de motor elctrico de forma casi lineal a la reduccin de capacidad. Las limitaciones estn en el diseo de los compresores y en la gestin de la lubricacin y enfriamiento de las partes mviles. Los compresores de pistones, tienen posibilidades para regular varias etapas de capacidad controlando el nmero de pistones que trabajan simultneamente. Existen compresores de pistones de una etapa o de varias etapas (2, 3, 4, 5, etc.). En estos compresores el rendimiento del compresor es optimo cuando estn al 100% de capacidad. Debido a las condiciones de los compresores y a las caractersticas de las plantas, con frecuencia existen varios compresores en una instalacin. Estos compresores pueden ser de cualquier tipo e iguales o distintos entre s. Cuando los compresores son distintos entre s, la combinacin de los distintos compresores, produce un mejor acoplamiento a la capacidad demandada por la instalacin. Es por esto por lo que en contra de la prctica habitual, se recomienda utilizar compresores de distintos tamaos en una misma instalacin. La combinacin de compresores de tornillo y compresores de pistones produce unos rendimientos energticos muy altos, y cuando uno de ellos es controlado por un variador de velocidad, entonces el acoplamiento es casi perfecto. Utilizacin de compresores en su mxima eficiencia Los compresores estn diseados para un desplazamiento volumtrico determinado consumiendo una energa elctrica determinada. En el diseo de los compresores se impone la condicin de minimizar el consumo cuando el compresor est funcionando completamente (100%). Cuando por cualquier sistema de regulacin de capacidad se fuerza al compresor a trabajar fuera de estas condiciones, el rendimiento energtico es menor y como consecuencia se penaliza el consumo de energa.

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En los compresores de tornillo, esto llega a tener tanta importancia que se recomienda no utilizar compresores de tornillo por debajo del 50-60% de capacidad. En una instalacin frigorfica para que pueda mantener unas condiciones de presin de evaporacin y de condensacin de forma estable, es necesario que la capacidad demandada por la instalacin sea exactamente la proporcionada por los compresores y condensadores. Como la variacin de la carga trmica demandada por la instalacin vara de forma continua, la proporcionada por los compresores debera de cambiar de la misma forma, sin embargo excepto cuando se utilizan variadores de velocidad en los compresores, debido a limitaciones tcnicas esto no siempre es posible. Cuando la variacin de produccin frigorfica es discontinua a saltos, nos encontramos con problemas a la hora de mantener las presiones de evaporacin y condensacin en los valores requeridos. En cualquier caso, cuanto menores sean los saltos de capacidad en la produccin frigorfica, ms fcil resultar su ajuste a la capacidad frigorfica demandada. A continuacin en las figuras puede verse la diferencia que hay de utilizar compresores iguales entre s a utilizar compresores de distinto tamao siguiendo ciertasEscalonamiento de 4 compresores iguales Escalonamiento de 4 compresores distintos

10 80 60 40 20 0

100 80 60 40 20 0 1 3 5 7 9 11 13 15

proporciones. Como puede verse utilizando 4 compresores iguales solamente se tienen 4 saltos de capacidad (25-50-75 y 100%) siendo difcil mantener una presin de evaporacin con pocas oscilaciones, pero si en vez de 4 compresores iguales los seleccionan de distinto tamao podemos conseguir hasta 15 saltos de capacidad (7-14-21-28-35-42-49-52-5966-73-79-86-93-100%), con los cuales es mucho ms fcil mantener una presin dentro de unos lmites estrechos. Se recomienda por tanto utilizar compresores de distinto tamao siguiendo una proporcin de capacidad binaria (1-2-4-8, etc.) En instalaciones con varios compresores de tornillo tambin es recomendable que sean de distinto tamao y exista una gestin secuencial de los compresores de forma que haya un funcionamiento ptimo con solapes simultneos de dos compresores. 120 Con esta secuencia el compresor grande nunca esta trabajando por debajo del 50% de su capacidad, y el pequeo solo trabaja por debajo del 50% de capacidad cuando la100 80 60 40 20 0 S2 S1 1/2 S1 S2 S2 S1

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demanda es muy pequea e inferior al 20% del total. Finalmente y quizs esta sea la aplicacin ms interesante es la variacin continua de capacidad utilizando varios compresores de Escalonamiento de compresores y un cuarto con variacin de velocidad pistn, scroll o tornillo en los cuales un compresor 100 de tamao reducido se acopla entre los saltos de capacidad de dos compresores por medio de un 80 variador de frecuencia, el cual en funcin de la 60 seal que recibe de un controlador pone al compresor a la capacidad que se necesita. Como 40 los compresores normalmente solo permiten una variacin de la frecuencia entre 25 y 75 Hz (esta 20 variacin depende de cada tipo o modelo de 0 compresor) hay que tener en cuenta esta limitacin para que el solape con las etapas de los dems compresores sea el correcto. Para ello el compresor gobernado por el variador de velocidad deber tener una potencia del 33 % superior al compresor ms pequeo. Adems la variacin de potencia presenta otra serie de ventajas adicionales a la adecuacin a la demanda como son las siguientes: 1. Mejor eficiencia del compresor 2. Mejor eficiencia del motor elctrico 3. Proteccin elctrica del motor 4. Reduccin de ruido 5. Temperatura ms estable 6. Presin ms estable 7. Reduce la intensidad de arranque 8. Reduce la potencia reactiva 9. Optimizacin del proceso 10. Ahorro de energa Estas ventajas se traducen en una serie de beneficios para el propietario de la instalacin tanot desde el punto de vista de inversin, mantenimiento y calidad del producto. Sin embargo la utilizacin de la variacin de utilidad requiere ciertas caractersticas de la instalacin y de los compresores, por lo cual este tipo de instalaciones debe realizarse por personas con conocimientos de esta tecnologa. Por un lado el compresor debe estar diseado para que pueda ser utilizado con variadores de frecuencia, para lo cual en el diseo se tienen en cuenta los siguientes factores. Pocas partes en movimiento. Compresin constante y estable. Compresores con par motor constante. Partes en movimiento equilibradas. Bajas y limitadas cadas de presin. Sistema de lubricacin adecuado. Refrigeracin del motor elctrico controlada (+3-7%).

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Tambin se debe considerar que las frecuencias mximas y mnimas a las cuales puede trabajar el compresor vienen limitadas mas que por las caractersticas elctricas del motor, por las caractersticas frigorficas del compresor. Entre dichas caractersticas se encuentran: Velocidad de rotacin mxima y mnima (r.p.m.) Vibraciones, Ruido Arrastre de aceite en tuberas Lubricacin de partes mviles Refrigeracin motor elctrico (+3-7%) Tampoco se pueden olvidar todas las consideraciones que debemos tener en la seleccin del variador de velocidad (frecuencia). Variadores de frecuencia. Un variador de frecuencia es un dispositivo electrnico, que toma la tensin de alimentacin de la red electrica, la rectifica y luego la vuelve a transformar en corriente alterna de la frecuencia y tensin que en cada momento se necesita parra que la velocidad de rotacin del motor electrico y del compresor varen segn las necesidades de la instalacin que le marca un controlador interno o externo basndose en la presin o temperatura de referencia ajustada. La seleccin de los variadores de frecuencia ha de realizarse teniendo en cuenta las siguientes consideraciones: Adapta automticamente el convertidor de frecuencia la tensin de salida al par demandado (carga actual)? Compensa automticamente el convertidor de frecuencia la dependencia con el deslizamiento elctrico del motor? Puede gobernar la intensidad de arranque, arranque suave? Genera el motor del compresor calor extra debido a la forma de la onda cuadrada (wave shape) en la intensidad del motor? Tensin de alimentacin Cual es el nivel o clasificacin elctrica del equipo (clasificacin IP)? Precauciones que se deben tomar contra ruidos electromagnticos. Filtros EMC Tiene filtros para reducir las distorsiones de los armnicos en la tensin? Tiene filtro RFI incorporado? Tiene indicacin de fallo?. Se puede personalizar la indicacin de fallo? Cules son las funciones de monitorizacin disponibles? Tiene caractersticas especiales para aplicaciones especificas como pueden ser precalentamiento del motor, proteccin rotor bloqueado, proteccin contra rotacin inversa, monitorizacin del nivel de aceite, controlador con PID del proceso incorporado, contadores horarios, soporte para comunicacin con distintos protocolos? Una vez seleccionado el variador de velocidad correspondiente, se debe realizar un ajuste correcto para las aplicaciones de refrigeracin en compresores, ventiladores o bombas, asi como tener en cuenta que al instalar un variador de frecuencia en una instalacin frigorfica pueden aparecer dificultades nuevas asociadas a ruidos electromagnticos EMC (filtros), ruidos de alta frecuencia de los interruptores de potencia, ms perdidas en motores por curva no-sinusoidal, prdidas en el suministro de2003-03-05 Pgina 13 de 18

potencia, lubricacin y retorno a baja velocidad, mayor circulacin de aceite a alta velocidad en el sistema, mayor complejidad en el sistema. Por lo cual, se recomienda la utilizacin de equipos complementarios y auxiliares como pueden ser los sistema de control de capacidad complementario, los separador de aceite, los sistemas de bombeo de aceite, los ensamblajes mecnicos y elctricos, los sistemas de enfriamiento y control de temperatura de aceite, los economizadores, los filtros EMC, los amortiguadores de vibraciones y las vlvulas de retencin en descarga. Termostato modulante y evaporadores El termostato modulante es una funcin de control introducida en los reguladores electrnicos que gobiernan las vlvulas de expansin, la cual tiene como objeto producir el fro justo al ritmo que se necesita. Esto obliga a la utilizacin parcial del evaporador, por lo que son necesario vlvulas de expansin electrnicas y reguladores con complejos algoritmos de control para la inyeccin. El resultado obtenido con este tipo de control que requiere el funcionamiento de al menos un compresor de forma continua, es la obtencin de temperaturas en cmaras con una gran precisin (incluso +/- 0,1 C) con una humedad relativa alta y constante. Este tipo de funcin coincide con el anlisis del funcionamiento del evaporador ya que en condiciones normales, ste funciona durante un tiempo refrigerando la cmara o servicio. Durante este tiempo el salto trmico en Corte el evaporador tiene un T1 determinado. Al conseguir cierta temperatura en el servicio, se Enganche corta el suministro de lquido al evaporador, y T1 se deja de producir fro. Despus cuando la temperatura aumenta a otro valor, se vuelve a Corte inyectar lquido al evaporador volviendo a comenzar el ciclo de refrigeracin. En este tipo Enganche de funcionamiento, cualquiera se podra T1 T2 preguntar, no sera mejor trabajar con un salto trmico T2 menor y no parar nunca la produccin de fro tal como se obtiene en la figura inferior?. La respuesta desde la ptica de temperatura de los productos es afirmativa, pero sin embargo aparecen condicionantes desde un punto de vista tecnolgico siendo necesario que siempre haya algn compresor en funcionamiento, y que la presin de aspiracin de referencia cambie en funcin de la temperatura de la cmara, del exterior o del ambiente en el cual se encuentran los evaporadores, as como la utilizacin de vlvulas electrnicas con la posibilidad de incorporar tambin variadores de frecuencia en los ventiladores del evaporador. Cuando la temperatura del recinto est en los valores de rgimen, esta funcin permitir evaporar a una temperatura ligeramente superior con el consiguiente ahorro de energa. En evaporadores inundados con recirculacin de lquido, el evaporador esta siempre con lquido, el cual sale del evaporador y retorna

Separad

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al separador de lquido, de donde vuelve a retornar al evaporador. En estos casos el sistema de funcionamiento normal es utilizar una bomba para un caudal prcticamente fijo, donde se produce un bypass del caudal que no es necesario por medio de una vlvula que mantiene la diferencia de presin entre la entrada y salida de los evaporadores. En este caso hay un caudal de refrigerante que esta circulando por la lnea de bypass sin de forma innecesaria consumiendo energa en las bombas de circulacin. Se podra utilizar un variador de velocidad que mantuviese la diferencia de presin en los evaporadores pero sin bombear el caudal innecesario con el correspondiente ahorro energtico. Condensadores El condensador esta diseado para una transmisin de calor mxima cuando todos los compresores estn en funcionamiento, la temperatura exterior es prxima a la mxima anual y el salto trmico en el evaporador tiene un T determinado, cuando est en condiciones de funcionamiento normal, donde la temperatura exterior es baja y el nmero de compresores en funcionamiento es por ejemplo el 50%, resulta que sobra condensador. La forma normal de control del condensador ha sido y sigue siendo tratar de mantener la presin de condensacin constante bien reduciendo el rea de intercambio trmico en el evaporador, o bien reduciendo el caudal de aire (parando ventiladores , con ventiladores de dos velocidades o con un variador de velocidad) o de agua en circulacin para refrigerar el gas de condensacin. Presiones flotantes El evaporar ms alto con menos compresores en funcionamiento consuiguiendo la misma potencia frigorfica, consigue un ahorro considerable de energa. Hay que indicar que es mucho ms importante desde la ptica del ahorro de energa tener una presin de evaporacin alta que una condensacin baja. En la tabla de la figura vemos los valores de un compresor con R404A en ciertas condiciones de trabajo, para analizar la influencia que tienen las variaciones en la presin de aspiracin y en la de descarga. Compresor (R404A) COP = 1,74 (110%) COP =1,58 (100%) COP = 1,75 (110%) T evaporacin -25 -25 -22 T condensacin +30 35 35 Entre parntesis vemos que se puede conseguir el mismo efecto bajando la presin de condensacin 5C, como aumentando la temperatura de evaporacin 3C. En consecuencia todo lo que permita tener presiones de evaporacin ms altas y de condensacin ms bajas como es la regulacin con referencias flotantes beneficiarn y reducirn el consumo de energa.

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Disminuir la presin de condensacinPresin Disminuyendo la presin de condensacin, se tiene que realizar menos esfuerzo para comprimir el vapor del refrigerante, mientras que por otro lado la produccin frigorfica se mantiene constante. Al disminuir el trabajo de compresin, aumenta la Entalpia eficiencia. Fro Producido No se debe olvidar que reducir la presin de condensacin de referencia, tiene un limite inferior debido a que el ahorro de Descenso de la presin de energa del compresor se puede ver penalizado con el mayor condensacin consumo de energa de los ventiladores de condensacin, de forma que hay que encontrar el punto ptimo, en el cual, el consumo en funcin de la presin de condensacin es mnimo. Adems se debe recordar que este punto no es fijo, sino que va a depender de las condiciones externas de temperatura y humedad.

Trabajo del compresor

Presin de condensacin flotante La presin de condensacin tiene una relacin directa con las condiciones ambientales externas, es decir siempre tiene que haber una temperatura superior (unos 10C) en el interior del condensador que en el exterior. Sin embargo la prctica habitual debido a limitaciones de las vlvulas de expansin termostticas ( en las electrnicas de pulsos les afecta de forma mnima), a la construccin mecnica de los compresores y a los sistemas de lubricacin, la temperatura-presin siempre es superior a 30C (13 bar para R404A), lo cual supone un consumo alto del compresor cuando la temperatura ambiente es inferior a 20C durante el invierno o durante la noche. La utilizacin de una presin de condensacin flotante que cambie en funcin de la temperatura exterior, la demanda frigorfica de la instalacin y un programa de trabajo diario, junto con la utilizacin de vlvulas electrnicas y variadores de velocidad, permitir considerables ahorros de energa en compresores alternativos. Aumentar la presin de evaporacin Aumentando la presin de aspiracin, se tiene que realizar menos esfuerzo para comprimir el vapor del refrigerante, reduciendo a la vez la temperatura de descarga, mientras que por otro lado la produccin frigorfica se mantiene constante. Al disminuir el trabajo de compresin, aumenta la eficiencia.

Presin

EntalpiaFro producido

Trabajo del compresor

Hay que indicar que un ligero aumento de la presin de aspiracin tiene unos efectos muy grandes en el ahorro Aumento de la presin de evaporacin energtico, ya que el consumo de energa al depender de la relacin de compresin Pc/Pe en el momento que aumenta ligeramente el denominador, la relacin de compresin disminuye drsticamente. Es aqu donde se visualiza la menor influencia del efecto que tiene reducir la presin de condensacin frente a un aumento igual de la presin de evaporacin. Presin de aspiracin flotante El fro producido en un evaporador siempre es consecuencia del salto trmico T y el rea de intercambio de calor A. Tambin es conocido, que en todo circuito de2003-03-05 Pgina 16 de 18

refrigeracin, la demanda energtica no es constante, de forma que cuando esta es baja, en muchas instalaciones se puede conseguir evaporar ms alto reduciendo el salto trmico y alargando el tiempo de refrigeracin pero con menos compresores en marcha. En cmaras grandes con varios compresores, se puede hacer que la presin de aspiracin sea flotante hacindola depender bien de la temperatura de la cmara, de la temperatura exterior, de la humedad relativa o de ajustes externos. En sistemas centralizados con muchos evaporadores y una central de compresores, se puede hacer que la presin de aspiracin sea flotante teniendo en cuenta la temperatura de todos los servicios, de forma que con un inferencia se puede incrementar la presin de evaporacin sin perjudicar la calidad del producto consiguiendo ahorros importantes. Ajuste de las presiones en sistemas inteligentes Para conseguir que la temperatura de evaporacin sea siempre lo mas alta que nos permita el servicio ms desfavorable, se deben eliminar las influencias negativas que en este punto introduce la gestin de los compresores, utilizando controladores que permiten mantener la presin constante y fija en el valor ms alto posible por medio de algoritmos de control con funciones PID. En la regulacin con simples presostatos, debido a que el diferencial mecnico debe ser superior a 0,4 bar, al acoplar varios compresores en paralelo, se necesita una desviacin en la presin de evaporacin superior a 5 C, lo cual supone una gran penalizacin econmica (evaporando P enganche (2,7 bar) a 15C(2,7 bar) con R404A se consume un 20% ms P corte (2 bar) de energa que evaporando a 10 C(3,4 bar)). Esto es inevitable con presostatos, ya que por muy bien que Oscilaciones de presin en control se realice el ajuste, existir una banda sobre la cual con presostatos oscila la presin. En la regulacin con controladores electrnicos que introducen funciones PID en el algoritmo de control se puede mantener una presin que no se ajuste a una banda de regulacin, sino que se aproximan a una referencia fija. Sin embargo, aunque los sistemas electrnicos permiten P referencia obtener presiones de evaporacin iguales a las P real presiones de referencia en cada momento, las limitaciones de la planta como puede ser un nmero reducido de etapas en el control de compresores, los Regulacin arranques por hora permitidos o los tiempos de funcionamiento o pausa mnimos de los compresores impide en muchas ocasiones obtener la presin de referencia. Como consecuencia se debe disear la central de compresores teniendo en cuenta las posibilidades que la electrnica nos ofrece, no como en el pasado limitando y encorchetando a la electrnica. Una consideracin importante a tener en cuenta en la regulacin electrnica es el ajuste del valor de referencia o zonas y tiempos de entrada y salida de compresores, ya que la experiencia demuestra que unos ajustes incorrectos perjudican considerablemente el consumo de energa.

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Para realizar estos ajustes se debe partir de los ajustes iniciales con presostatos, preguntando al mecnico cual es el valor de ajuste del presostato del ultimo compresor en arrancar cuando los dems compresores ya estn en funcionamiento (presostato con presin mas alta ajustada), e introducir este valor como valor de referencia en los sistemas inteligentes P enganche (2,7 bar) P referencia con algoritmos PI o PID. Para las presiones de condensacin se procede de la misma manera, pero en con la diferencia de ajustar la referencia al valor mas bajo posible.P corte (2 bar)

Diferencia de oscilaciones de presin en control con presostatos o sistemas PID

Es claro que mantener tanto la presin de evaporacin como la de descarga en unos lmites estrechos, nos permite tener una presin de evaporacin ms alta, y una presin de condensacin mas con la mejora en la eficiencia energtica de la instalacin. Ademas la constancia en las presiones obtenida con los variadores de frecuencia elimina las oscilaciones de presin de evaporacin que introducen inestabilidad en los sistemas controlados por vlvulas de expansin termostatica (las electrnicas de pulsos no se ven afectadas) y las oscilaciones de la presin de condensacin que pueden provocar burbujas de vapor en la lnea de lquido con el correspondiente problema posterior de inyeccin. Niveles de ahorro Los sistemas de expansin electrnica ahorran del orden del 15%. Los compresores gobernados por variadores de velocidad ahorran entre un 15 20%. Los sistemas de gestin de compresores y condensadores con presin de aspiracin y condensacin flotante ahorran hasta un 25% cuando se combinan con la inyeccin electrnica. En definitiva, si se utilizan los tres conceptos de forma adecuada se pueden conseguir ahorros superiores al 50% del total de la instalacin. La variacin de frecuencia aunque consigue unos buenos niveles de ahorro, sin la combinacin con las presiones flotantes y la expansin electrnica se queda en unos niveles menos espectaculares. Conclusin 1. Se prev un aumento de este tipo de sistemas debido a la tendencia actual de no permitir incrementar la produccin de CO2 en los pases de la comunidad europea y a los ahorros conseguidos que pueden superar el 40% 50% del consumo energtico. 2. Surgir una incorporacin de nuevos perfiles profesionales dado que las nuevas tecnologas necesitan ser asimiladas por los tcnicos de refrigeracin.

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