32nd Annual Meeting International Institute of Ammonia...

Technical Papers32nd Annual Meeting

International Institute of Ammonia Refrigeration

March 14–17, 2010

2010 Industrial Refrigeration Conference & ExhibitionManchester Grand Hyatt

San Diego, California

Return to Table of Contents

ACKNOWLEDGEMENT

The success of the 32nd Annual Meeting of the International Institute of Ammonia

Refrigeration is due to the quality of the technical papers in this volume and the labor of its

authors. IIAR expresses its deep appreciation to the authors, reviewers and editors for their

contributions to the ammonia refrigeration industry.

Board of Directors, International Institute of Ammonia Refrigeration

ABOUT THIS VOLUME

IIAR Technical Papers are subjected to rigorous technical peer review.

The views expressed in the papers in this volume are those of the authors, not the

International Institute of Ammonia Refrigeration. They are not official positions of the

Institute and are not officially endorsed

International Institute of Ammonia Refrigeration

1001 North Fairfax Street

Suite 503

Alexandria, VA 22314

+ 1-703-312-4200 (voice)

+ 1-703-312-0065 (fax)

www.iiar.org

2010 Industrial Refrigeration Conference & Exhibition

Manchester Grand Hyatt

San Diego, California


©IIAR2010 1

Resumen

Necesitamos que nuestros cálculos rutinarios de potencia frigorífica (mal llamada carga) se hagan con variantes que provean datos más oportunos y completos en el sentido de obtener mejores opciones de impacto en la previsión de ahorro de energía. Todo esto tiene que ver con la visión de los factores estocásticos que intervienen en el análisis de las secuencias e incidencias de las variaciones de las cargas térmicas en el comportamiento real y específico de los espacios sujetos a acondicionamiento de aire o al almacenaje de productos perecederos ya sea en refrigeración como en congelación.

La base de lo anterior radica en la reflexión de que a carga evidentemente variable no podemos referir una fuente fija de suministro de potencia, asociada generalmente a arranques muy frecuentes de los equipos provocando con ello una alta demanda de energía, a menos que hagamos a esta más proporcional a la demanda real. La consideración de lo anterior conduce a mejorar los controles de los motores con frecuencia regulada y al uso de compresores múltiples, o, en instalaciones más complejas que sugieren asociación paralela de las demandas de frío; pero todo ello puede y debe ser seleccionado mejor si disponemos de un buen cálculo de la distribución de dicha demanda de potencia frigorífica.

Por supuesto, nuestra selección final tendrá efecto no solo en el tamaño, número y cualidades eléctricas y de control en nuestros compresores, sino en obtener una mejor constancia en la temperatura y lograr un mejor control de la humedad relativa.

Trabajotécnico#1

Rutinas de cálculo de potencias frigoríficas mejor adaptadas para la previsión de estrategias

de ahorro de energía

Prof. Ing. Juan Carlos LAGE SOTO



Trabajotécnico#1 ©IIAR2010 3

Rutinas de cálculo de potencias frigoríficas mejor adaptadas para la previsión de estrategias de ahorro de energía

1. La manera tradicional de llevar a cabo el cálculo de la demanda frigorífica de un espacio dado

La manera tradicional de llevar a cabo el cálculo de la potencia frigorífica (además

del utilizar algunos programas comerciales de variada aproximación) consiste en

sumar las diversas partidas de ingreso de calor en un determinado espacio a enfriar

o mantener frío:

1.1 En el caso de aire acondicionado:

1.1.1 El calor y humedad (afectando calor latente) producido por los

ocupantes en el área.

1.1.2 El calor generado por motores y equipos en el espacio enfriado,

anotando también tanto lo correspondiente a la generación de calor

sensible como latente.

1.1.3 La entrada de calor por radiación a través de vidrios y similares.

1.1.4 La potencia térmica derivada de la iluminación en el espacio dado a

enfriar.

1.1.5 La entrada de calor por efecto de conducción y convección a través de

los muros al exterior u otras áreas colindantes que tengan temperatura

distinta

1.1.6 La entrada de calor y humedad absoluta por infiltraciones ocasionales o

renovaciones (ventilación) de aire exterior u de otras áreas colindantes

que tengan temperatura distinta a la acondicionada.

1.1.7 La carga térmica a través de la envolvente constructiva del espacio

a enfriar considerando estados térmicos anteriores que produjeron

una inercia térmica en tal envolvente; grande si el producto del peso

específico por el calor específico promedio de tal envolvente es grande

y pequeño si así resulta.


4 ©IIAR2010 Trabajotécnico#1

2010 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, San Diego, California

1.1.8 Una apreciación de efectos térmicos diversos e inesperados, entre los

que se puede contar el hecho de interrupción del suministro del frío por

fallos o mantenimientos que obligan a volver a enfriar el aire contenido

en el espacio acondicionado.

1.2 En el caso de refrigeración o congelación

1.2.1 El calor que se requiere extraer en promedio por la parte del producto

que se está enfriando, o conservando frío, incluyendo:

• El calor relacionado al abatimiento de temperatura en refrigeración

y, en el caso de congelación, el calor de cambio de estado del

producto que se congele y el abatimiento de temperatura del producto

congelado hasta la temperatura de equilibrio con la del espacio frío.

• El calor (aplicable solo en refrigeración para productos vegetales

y/o productos fermentantes) que genera el propio producto por

su actividad biológica y/o enzimática mientras se adapta a la

temperatura del espacio refrigerado.

1.2.2 La entrada de calor por actividad química o biológica del producto que

está almacenado.

1.2.3 El calor generado por motores y equipos en el espacio enfriado,


sensible como latente (en aparatos que producen vapor).

1.2.4 Aunque pudiera ser parte de la anterior, se suele separar el cálculo de

la potencia térmica derivada de la iluminación en el espacio dado a

enfriar.

1.2.5 La entrada de calor por efecto de conducción y convección a través de

los muros al exterior u otras áreas colindantes que tengan temperatura

distinta




1.2.6 La entrada de calor por infiltraciones ocasionales (aperturas de

puertas…) o renovaciones (ventilación generalmente intencional para

evitar concentración mayor de CO2 cuando el producto respira) de aire

exterior u otras áreas colindantes que tengan temperatura distinta y

que, en ambos casos, implican intercambios de calor y humedad.

1.2.7 Una apreciación de efectos térmicos diversos e inesperados, entre los

que se puede contar el hecho de interrupción del suministro del frío

por fallos o mantenimientos que obligan a volver a enfriar todos los

elementos en el espacio a enfriar.

De lo anterior obtenemos una apreciación de la carga, demanda o potencia frigorífica

(máxima) requerida por el caso y expresada en unidades de medida pertinentes y

tales como julios/seg. (vatios), Kcal/h, BTUH o T.R. (Toneladas de refrigeración).

2. Hay cuatro niveles de referencia en los posibles valores de la demanda a considerar una vez conocido el máximo

Cuando calculamos la potencia térmica de una aplicación, existen alternativas como:

a) Los que calculan el máximo por máximos diarios,

b) Los que lo hacen para un valor máximo por hora

c) Los que promedian máximos a nivel de un cálculo extendido a la duración

de un día (convertido al fin a su valor horario al dividir entre 20 horas la

previsión de trabajo neto del equipo por día).

Ninguno de ellos, de por sí solos, nos proveen de suficiente base para tomar las

debidas decisiones. Para obtener los mejores resultados procederemos conforme lo

siguiente, en el que llamaremos Qmax a la opción citada como b:




2.1 Hacer el cálculo de los valores más altos de la potencia demandada (carga).

Partimos del cálculo, Qmax, que ya hicimos (máximo por hora)

2.2 Hacer el cálculo de la potencia sujeta a variación probabilística

demanda máxima estocástica (Qs)

2.2.1 Para aire acondicionado

Si llamamos Qs a la citada demanda máxima estocástica, se suele

considerar

Qs = Qmax

2.2.2 En el caso de refrigeración:

deduzcamos del Qmax hecho, el inciso de enfriamiento neto de

producto, que llamamos Qp, y que debe ser:

cuando se trata de simple enfriamiento:

Qp = M. ca. ∆ta /τ

cuando mientras se enfría, al mismo tiempo, desarrolla calor según F(t):

Qp = M. ( ca. ∆ta + t1t3 D(t) + cc + cd · td)/

En donde:

= tiempo de abatimiento de la temperatura del producto que entra caliente

t1 = temperatura de entrada de producto

t2 = temperatura del fin de enfriamiento del producto

t3 = temperatura del punto de cambio de estado

t4 = temperatura de almacenamiento congelado

M = masa del producto que ingresamos por día para abatir su temperatura




Ma = masa del producto almacenado

D(t) = Función del desarrollo de calor del producto según la temperatura

ta = t1–t2

td = t3–t4 (en realidad, t2=t3 cuando el proceso es desde enfriar a congelar)

ca = calor especifico antes del cambio de estado

cc = calor de cambio de estado (latente)

cd = calor especifico después del cambio de estado

Nota: El desarrollo de calor del producto que ya está frio y almacenado, Ma ·

D(t2) no se le considera parte de Qp, aunque sí lo es de Qmax

A la diferencia

Qs = Qmax – Qp

la llamamos demanda básica estocástica, es decir, la demanda del

sostenimiento de la temperatura en el espacio refrigerado.

2.3 El factor de coincidencia de las carga(s) máximas

Si queremos alcanzar una apreciación de la demanda tipo de la cámara o

espacio climatizado tenemos que asumir que las cargas que componen el

escenario de máximas no sean estrictamente coincidentes. Este es un caso

complejo, porque es difícil llegar a entender de qué manera estocástica se

comporta el área climatizada o el almacén frigorífico. Recomendamos asignar

una distribución de las demandas conforme a su experiencia en cada caso,

si no se siente con tal experiencia, utilice una similitud con un modelo de

distribución estadística adecuada. Si no sabe qué modelo usar utilice una

distribución de la probabilidad de incidencia de carga similar al modelo de

distribución de densidad de probabilidad tipo F de Fisher-Snedecor. Este

modelo ajusta bien, se corresponde, con la curva densidad de probabilidad de




la demanda de potencia frigorífica considerando los efectos estocásticos (Esta

expresión corresponde a una tesis que hemos utilizado para tal proyección).

Esto puede parecer complejo, porque la función densidad de

probabilidad lo es, en tanto el valor de la curva para un punto dado

se construye como la siguiente relación:

F =

U1/d1

U2/d2

donde

U1 y U2 siguen una distribución ji-cuadrada con d1 y d2 grados de

libertad resp. y

U1 y U2 son estadísticamente independientes.

La función de densidad ji-cuadrado es:

1 x(k/2)–1e –x/2 para x 0,

f(x;k) =

2k/2 (k/2)

0 para x 0

Donde:

k = grados de libertad (d1,d2)

τ = distribución gamma

Y, en nuestro caso y modelo teórico:

d1 = el período de un día = 24 horas

d2 = la diferencia entre el período de un día y el período en que se

hace uso intensivo del equipo

K = grados de libertad

= la función gamma.




Nosotros debemos leer esta función de manera que x=0 sea la

probabilidad de que la carga sea máxima ya que esto es, de principio,

la característica de la función gamma; pero, en realidad, lo importante

para nuestro ejercicio de ajuste de la curva es el llegar a conocer el

valor más alto de la misma, que llamamos el punto de moda:

Moda =

d1 – 2 d2

d1 d2 + 2 para d1 2

Si consideramos d1=24horas, obtenemos diversos valores de la moda

conforme la duración del tiempo de uso intensivo:

Uso no intensivo = 1 h d2= 23 Km = moda = 1.0000





El límite en uso no intensivo es de máximo 20 horas

Uso intensivo = 20 h d2= 4 Km = moda = 0.6111

2.4 La Demanda máxima estocástica real se denomina Qd

2.4.1 En el caso de aire acondicionado:

Siendo Qp la potencia requerida para enfriar el ambiente en forma

rápida.

Qd = Max {Qp , Qmax}

2.4.2 En el caso de refrigeración y congelación:

Qd = Qp + Qs.Km




2.5 Para el cálculo de los mínimos de demanda:

Aplicamos los siguientes criterios, o corregimos los factores dados en base a

conocimientos específicos del caso particular:

2.5.1 En el caso de aire acondicionado:

Se calcula Qmin conforme la suma de los siguientes cálculos en el

entendido de que los factores que usamos son tomados de la aplicación

de criterios de experiencia, de los que los siguientes son ejemplos:

• 0.5 x El calor y humedad (afectando calor latente) producido por los

ocupantes en el área.

• 0.5 x El calor generado por motores y equipos en el espacio

enfriado, anotando también tanto lo correspondiente a la generación

de calor sensible como latente.

• 0.0 x La entrada de calor por radiación a través de vidrios y similares.

• 0.3 x La potencia térmica derivada de la iluminación en el espacio

dado a enfriar.

• 0.2 x La entrada de calor por efecto de conducción y convección a

través de los muros al exterior u otras áreas colindantes que tengan

temperatura distinta.

• 0.4 x La entrada de calor y humedad absoluta por infiltraciones

ocasionales o renovaciones (ventilación) de aire exterior u de otras

áreas colindantes que tengan temperatura distinta a la acondicionada.

• 0.4 x La carga térmica a través de la envolvente constructiva del

espacio a enfriar considerando estados térmicos anteriores que

produjeron una inercia térmica en tal envolvente; grande si el

producto del peso específico por el calor específico promedio de tal

envolvente es grande y pequeño si así resulta.

• 0.1 x Una apreciación de efectos térmicos diversos e inesperados,

entre los que se puede contar el hecho de interrupción del

suministro del frío por fallos o mantenimientos que obligan a volver

a enfriar el aire contenido en el espacio acondicionado.




2.5.2 En el caso de refrigeración o congelación

Se calcula Qmin conforme la suma de los siguientes cálculos en el entendido

de que los factores que usamos son tomados de la aplicación de criterios de

experiencia, de los que los siguientes son ejemplos:

• 0.1 x Qp

• 0.5 x La entrada de calor por actividad química o biológica del producto

que está almacenado.

• 0.4 x El calor generado por motores y equipos en el espacio enfriado,


sensible como latente (en aparatos que producen vapor).

• 0,1 x Aunque pudiera ser parte de la anterior, se suele separar el cálculo de

la potencia térmica derivada de la iluminación en el espacio dado a enfriar.

• 0.3 x La entrada de calor por efecto de conducción y convección a través

de los muros al exterior u otras áreas colindantes que tengan temperatura

distinta

• 0.0 x La entrada de calor por infiltraciones ocasionales (aperturas de

puertas…) o renovaciones (ventilación generalmente intencional para

evitar concentración mayor de CO2 cuando el producto respira) de aire

exterior u otras áreas colindantes que tengan temperatura distinta y que,

en ambos casos, implican intercambios de calor y humedad.

• 0.0 x Una apreciación de efectos térmicos diversos e inesperados, entre los

que se puede contar el hecho de interrupción del suministro del frío por

fallos o mantenimientos que obligan a volver a enfriar todos los elementos

en el espacio a enfriar.




2.6 El resumen

Ahora ya se tienen calculados:

Qmax El cálculo de máximo de máximos

Qp El cálculo de la demanda neta para el producto

Qs El cálculo de Qmax – Qp

Qd El cálculo de la demanda estocástica máxima (valor estocástico de Qmax)

Qmin El cálculo de la carga mínima esperada

3. La necesidad de ahorrar energía y tener un buen control de las variables en los ambientes climatizados nos lleva, entre otras medidas, a dotar a los motores de sistemas de arranque idóneos para modular el funcionamiento

Efectivamente, por obvias razones de carácter ecológico y económico, el nivel de

consumo de energía debe ser el mínimo posible dentro de lograr satisfacer el objetivo

de utilización de cada aplicación.

La optimización de los niveles de consumo de energía tiene que ver con todos y cada

uno de los elementos del circuito frigorífico; entre ellos:

• El concepto general del sistema frigorífico particular.

• Conocimiento de las condiciones locales y operativas.

• Refrigeración directa o indirecta

• Tipo de centralización

• Elección de Refrigerante…

• El medio y mecanismo de condensación.

• La modalidad del sistema de expansión.

• La toma de decisiones sobre los parámetros operativos de los evaporadores

según el refrigerante, el diferencial térmico de operación (DMLT), el grado de




recalentamiento del gas y la modalidad de controles de condiciones del espacio

frío

• El diseño de las tuberías del circuito

• Tipo y distribución de los compresores

• Control operativo de los motores (arrancadores…)

• Control operativo de la temperatura y humedad relativa.

• Otros controles, entre los que, en el caso del aire acondicionado, su relación con

la ventilación es fundamental.

En esta ocasión, haremos hincapié en la influencia que un buen procedimiento

de cálculo de la demanda frigorífica tiene sobre el conjunto de tomas de decisión,

pues, entre otros factores, sabemos que el ajuste de operación de los motores más

importantes del sistema frigorífico, los motores de los compresores, va a tener gran

repercusión ya que se trata de coseguir que:

a) Los motores no caigan en ciclos de arranque y paro muy continuos.

b) El control de arranque sea el más adecuado al caso.

c) No se trabaje en condiciones de bajo factor de potencia

d) No se produzcan efectos de asociación de armónicas indeseables

Sin pretender entrar en la expansión, por otro lado necesaria, del tema en todas

sus facetas, hemos de repasar algunos conceptos sobre la decisión que se haga

sobre la modalidad de medios de arranque de los motores que solemos usar y sus

características propias pues este es un tema de trascendente importancia. Es por eso

que tenemos que hacer algunas reflexiones sobre dichas modalidades, limitándonos

por el momento, al uso de motores trifásicos de inducción con rotor de jaula de

ardilla (rotor no devanado) que son los motores asíncronos que utilizamos para la

mayor parte de los compresores en los sistemas frigoríficos. Se recomienda al lector

que considere que pueden presentarse casos en que se llegue a recomendar el uso de

motores no trifásicos o trifásicos síncronos y que eso significa que el tema que nos

ocupa puede tener discusiones más avanzadas.




En esa premisa, las opciones en lo general son:

a) Arranque directo y embobinado bipartido.

b) Arranque estrella − delta.

c) Arranque por autotransformador.

d) Arranque Wauchope.

e) Arranque mediante resistencias en el estator.

f) Arranque mediante resistencias en el rotor.

g) Arranque por bobina.

h) Arranque de 2 velocidades.

i) Arranque de 3 velocidades

j) Arranque suave o estático.

La forma más sencilla de arrancar un motor es el arranque en línea, a pleno voltaje,

pero también es la modalidad que presenta una intensidad de corriente muy alta, a

pesar de que también nos da un par de arranque asimismo alto.

En México, USA y algunos otros países se aplica el arrancador a embobinado

bipartido (doble estrella) que prácticamente consiste de arrancar medio embobinado

en el paso 1 y el otro medio en el paso 2, cuando el embobinado así lo permite

Arranque con reducción de tensión

Cuando arrancamos un motor de inducción de C. A., a tensión nominal, en primer

lugar se absorbe la corriente de bloqueo del rotor (LRC) y se crea un par mecánico

que supera dicho bloqueo de rotor (LRT); el motor comienza a girar y, según se va




acelerando, la corriente disminuye y el par aumenta inercialmente hasta un punto

crítico que sucede poco antes de alcanzar su velocidad de régimen (ver figura 3.1).

Motores con casi idénticas características de velocidad, a menudo presentan

diferencias significativas en las características de arranque. Las corrientes LRC

pueden oscilar entre un 500% o exceder de 900% de la corriente máxima del motor

(FLC) y el par LRT puede ser de un 70% o elevarse hasta alrededor de un 230% del

torque máximo (FLT).

Si disponemos de un mecanismo de reducción de tensión inicial hemos de tener en

cuenta que la corriente y del par del motor a tensión plena determinan los límites

en los que se puede realizar un arranque con reducción de tensión. El efecto de

la tensión o voltaje de arranque disminuido implica una corriente de arranque

menor, pero también menor par de arranque. Para aprovechar esta característica,

conveniente en muchos casos hay que considerar que el par de arranque no sea

insuficiente (el motor no giraría) y es importante asegurarse de que se usa un motor

con características adecuadas: LRC bajo y LRT alto.

Cuando se use un arranque con reducción de tensión, el par de arranque del motor

se reducirá según la siguiente fórmula:

TST

= LRT x

IST

2

LRC

Donde:

• TST = Par de arranque

• IST = Corriente de arranque

• LRC = Corriente de bloqueo de rotor

• LRT = Par de bloqueo de rotor




Como decíamos, la corriente de arranque sólo se puede reducir hasta el punto donde

el par de arranque sea aún superior al requerido por la carga. Bajo este punto, la

aceleración del motor cesará y el conjunto carga/motor no alcanzará la velocidad

máxima.

Los arrancadores de reducción de tensión más comunes

El arranque estrella/delta (U/D) es la forma más económica de arranque, pero sus

prestaciones son limitadas. Las limitaciones más significativas son:

1) No hay control sobre el nivel de reducción de la corriente ni del par.

2) Se producen importantes cambios de la corriente y del par debido a la

transición estrella/triángulo. Esto aumenta el stress mecánico y eléctrico y

puede producir averías. Los cambios se producen debido a que el motor está

en movimiento y al desconectarse la alimentación hace que el motor actúe

como un generador con tensión de salida, que puede ser de la misma amplitud

que la de red. Esta tensión está aún presente cuando se reconecta el motor en

delta (D). El resultado es una corriente de hasta dos veces la corriente LRC y

hasta cuatro veces el par LRT (ver figura 2).

El arranque con auto-transformador ofrece un mayor control que el método U/D,

pero la tensión sigue aún aplicándose por tramos. Las limitaciones de este arrancador

son:

1) Cambios en el par debido al paso de una tensión a otra.

2) Un número limitado de los escalones de tensión de salida limitan las

posibilidades de seleccionar la corriente de arranque ideal.

3) Los modelos aptos para condiciones de partida frecuente o de larga duración

son caros.




4) No pueden realizar una partida con reducción de tensión eficaz con cargas en

las que las necesidades de arranque varíen.

Los arrancadores de resistencia primaria también ofrecen un mayor control que los

arrancadores U/D. Sin embargo, tienen una serie de características que reducen su

efectividad. Algunas de éstas son:

1) Dificultad de optimizar el rendimiento del arranque cuando está en servicio

porque el valor de resistencia se tiene que calcular cuando se realiza el

arranque y es difícil cambiarlo después.

2) Bajo rendimiento en situaciones de arranque frecuente debido a que el valor

de las resistencias cambia a medida que se va generando calor en ellas durante

un arranque. Necesita largos períodos de refrigeración entre arranques.

3) Bajo rendimiento en arranques con cargas pesadas o en arranques de larga

duración debido a la temperatura en las resistencias.

4) No realiza un arranque con reducción de tensión efectivo cuando se trata de

cargas en las que las necesidades de arranque varían (ver figura 3.4).

Los arrancadores suaves o estáticos son los arrancadores más avanzados. Ofrecen

un control superior de la corriente y el par, e incorporan elementos avanzados de

protección de motor. Algunos tipos son: Controladores de Par, Controladores de

par de 1, 2 ó 3 fases, Controladores de tensión de lazo abierto o de lazo cerrado y

Controladores de corriente de lazo cerrado.

Las principales ventajas que ofrecen los arrancadores suaves son:

1) Control simple y flexible sobre la corriente y el par de arranque.

2) Control uniforme de la corriente y la tensión libre de saltos o transiciones.

3) Apto para realizar arranques frecuentes.




4) Apto para un cambio sencillo de las condiciones de arranque.

5) Control de parada suave que amplía el tiempo de deceleración del motor.

6) Control de frenado que reduce el tiempo de deceleración del motor.

Variación de frecuencia

En los motores asíncronos de corriente alterna la velocidad de giro no depende de la

tensión de alimentación sino de la frecuencia de la red. Los variadores de frecuencia

(velocidad), tienen como misión variar la frecuencia de la corriente de alimentación.

Se realizan basándose en tiristores que forman contactores estáticos. Se configura

con un convertidor alterna/continua y un convertidor continua/alterna de velocidad

variable entre 0 Hz y la frecuencia de red.

El variador de frecuencia permite la regulación de velocidad total desde 0 rpm a

la velocidad nominal del motor a par constante. Su rendimiento es alto, y permite

un factor de potencia próximo a la unidad. Permite evitar sobreintensidades por

transitorios y disminuye los requisitos de protección al motor. A velocidades bajas

hay que tener en cuenta que se puede afectar el enfriamiento del motor.

Consumo relativo de potencia en función del flujo con tipos diferentes de control.

Nota bibliográfica: una buena parte de todo lo anterior sobre arrancadores se tomó de un trabajo de resumen

presentado por el Ing. Cristian Ascuy, SBA Refrigeration de Danfoss Chile.




5. Aunque con frecuencia no recibe la atención debida, se recomienda hacer el cálculo de balance de la humedad absoluta

Aunque en los casos de cálculo de demandas de aire acondicionado se suele hacer

una inserción de datos de clima que se espera serán considerados en la integración

del cálculo, en proyectos pequeños y medios suele recurrirse a rutinas de selección

por catálogo y otros medios que frecuentemente minimizan el grado de seguridad

en cuanto a la disposición de los datos de apoyo oportunos para el cálculo.

Frecuentemente pasa lo mismo en los casos de cálculos de cámaras frías.

Efectivamente, debemos de partir de los datos puntuales sobre la función de

intercambio de calor en el espacio a enfriar, e, igualmente, la función del intercambio

de humedad en dicho espacio, expresado en gramos de agua/h ó libras de agua/h.

El primer valor es la potencia frigorífica requerida y se denomina ∆Q (dQ) y la

segunda nos sirve para calcular el cociente ∆Q/∆W ó dQ/dW (razón del incremento

térmico al incremento del cambio de humedad absoluta) que se interpreta como la

tangente de la línea psicrométrica de enfriamiento del aire en el espacio refrigerado.

Este dato lo utilizamos para el cálculo de humedad relativa resultante.

No estaría de más el repasar un poco de los conceptos asociados a la psicrometría

(La disciplina de análisis del comportamiento energético y físico general de las

mezclas de aire y vapor de agua).

Esto es de gran importancia porque, por el razonamiento psicrométrico, la situación

promedio de la condición de un espacio refrigerado es tal que dicho estado

(temperatura/humedad relativa) se define en un punto que está relacionado en

línea recta a la temperatura de superficie, estado saturado, del aparato enfriador

cuando trazamos una recta de pendiente dQ/dW desde el estado de dicho espacio

refrigerado.




Lo anterior se debe entender como que la temperatura de la superficie del

intercambiador de calor define, conocida la dQ/dW, la humedad relativa del

espacio enfriado. Esta humedad tiene límites en el aire acondicionado en virtud

de su participación en el confort humano, y también tiene un entorno en el

almacenamiento de productos perecederos en relación a la posible desecación de

estos si la humedad relativa es más baja que la aceptable bajo las consideraciones del

producto.

No solo eso, cuanto más bajo requiramos la temperatura de evaporación (del equipo

enfriador) que es unas pocas décimas de grado por debajo de la de la superficie

de intercambio, más consumo de energía tendremos en la operación del moto-

compresor.

¿Vamos comprendiendo cuantas cosas están entrelazadas o dependientes de que

hagamos cada vez mejores cálculos de la demanda de condiciones de enfriamiento?

6. Casos en los que cada carga o demanda puntual se suministra por una unidad de servicio dedicada

Llamaremos unidad de servicio a un compresor, o parte de él asignable por un

sistema de control de capacidad, siempre que este no afecte a la eficiencia de

operación del motor eléctrico acoplado.

¿PARA QUÉ ESTAMOS CUIDANDO EL NÚMERO DE UNIDADES DE SERVICIO A

LA DEMANDA? Para optimizar el consumo de energía y modular de la mejor forma

posible la operación del equipo en tanto:

a) Disminuir el número de arranques y paros de los motores

b) Sostener una adecuada respuesta a la variación de la demanda

c) Conservar, unitariamente, un adecuado par motor




d) Mantener alto el factor de potencia

e) Tener control sobre la generación de armónicas en el sistema eléctrico.

Para atender lo anterior tenemos que pensar, efectivamente en mantener la debida

distribución de las unidades de servicio a la demanda es decir, definir los moto-

compresores requeridos ya sea como unidades independientes o como las partes

virtuales en que dividimos una unidad de servicio en varias haciendo uso de sistemas

de control de capacidad efectiva de los compresores de tal manera que en el conjunto

se obtenga la racionalización energética debida.

En las aplicaciones domésticas y comerciales tanto en lo que se refiere a Refrigeración

como en Aire acondicionado (aplicaciones que sin embargo deben de observarse con

criterios que justifican su diferenciación tecnológica), suelen ser servidos por un solo

compresor, sin embargo, tenemos que considerar que si bien debemos de proveer

una potencia frigorífica tal que cumpla con los máximos esperados, es también

fundamental prever el funcionamiento en casos en que el suministro requerido sea

mínimo, o que ronde los valores mínimos.

Dicho de otra forma, tenemos que plantear las instancias operativas que demanden

las que hemos denominado como {Qd, Qs, Qmin y 0 cero} y sus estados relacionados

o en transferencia. Entendamos que si Qs o Qmin pueden existir y tener un tiempo

de permanencia, durante ese tiempo, el motor del compresor estará trabajando en

condiciones indeseables de carga parcial sobre el factor de potencia, si no se dispone

de un mecanismo de arranque y control que compense tal desviación; y no solo eso

sino que puede ser objeto de paros y arranques frecuentes y otros efectos que afectan

a un aumento del consumo de energía.

Adoptando un criterio para diseño, el número de unidades de compresión que

recomendamos depende de la relación Qmax/Qs o de Qd/Qmin y de la probabilidad

que se den en su respectivo entorno. La experiencia en casos especiales o concretos

ayuda a definir la verdadera curva de potencia utilizada por estación o por año; en




caso de no existir el modelo específico se puede recurrir a criterios puntuales de cada

caso, tal como:

Aire acondicionado:

En el caso del aire acondicionado, la distribución de la curva de demanda de

potencia frigorífica tiene patrones reconocibles, frecuentemente previsibles

según el caso y tales como los siguientes que son ejemplos que también

varían conforme el clima, particularidades de operación y ciertos parámetros

constructivos.

Almacenes frigoríficos:

General:

En el caso de los almacenes frigoríficos, el patrón no es tan tipificable y tiene

que ver con los momentos de carga y descarga de los productos, en manera

más directa que con la temperatura exterior. Existen sin embargo, medios

de aproximación al cálculo de la distribución de unidades de servicio a la

demanda, tales como:

Chico, comercial:

Ejemplo de criterio: Estos almacenes suelen distinguirse por ser de uso rudo,

demanda de potencia muy variante… Si la Qp es más del 30% de la demanda

nominal, se recomienda instalar dos unidades para Qd/2. Si Qd/2 es mayor a

2x Qmin podríamos llegar a recomendar 3xQd/3

Chico industrial:

Ejemplo de criterio: Las cámaras chicas en instalaciones industriales suelen ser

cámaras de tránsito de productos intermedios o cámaras de preenfriamiento

de producto. En el primer caso se recomiendan dos unidades de Qd/2 y en

el segundo una unidad de Qd (en las cámaras de preenfriamiento se saca el

producto una vez enfriado)




Grande:

Ejemplo de criterio: En el caso de las cámaras grandes no se da tanto

variaciones muy altas en la demanda y suelen ser curvas relativamente

suaves, por lo que se recomienda una unidad próxima a la demanda en

reposo (Qs) y una o dos unidades que complementen el Qd–Qs.

No es fácil centrar una receta general, pero la situación se mejora si se utilizan

más de un compresor o dotamos de un arrancador con variador de frecuencia a un

compresor o grupo de compresores. En este último caso se cuidarán las intensidades

de arranque y se preverá el problema de afectación al par motor y a la acumulación

de ondas armónicas que puedan conllevar fenómenos de resonancia.

7. Casos en los Que Conviene Unir Varios Espacios Distintos de Demanda en Una Demanda Conjunta

El ahorro o previsión menor del consumo de energía se logra por supuesto cuando

hablamos de varias cámaras o espacios climatizados que operan simultáneamente

a una condición de evaporación próxima del refrigerante. En este caso, la suma de

demandas no es lineal, sino vectorial, es decir, con una resultante de suma menor

que la suma de máximas demandas. La relación de la suma de incidencias a la suma

de máximos la conocemos como factor de coincidencia de demanda. Esta resultante

también pasa por un valor práctico de valor de cálculo, uno máximo y uno mínimo.

Es conveniente, bajo el punto de vista de ahorro de energía, de disponer de una

unidad compresora que soporte la posibilidad de largos períodos en requisito de

valores mínimos y distribuir el resto en dos a tres unidades de compresión, según

el caso.

En este caso, debemos de calcular: (Qt = demanda total)

Qtd = K . τQd,i




Qtmin < Qmin,i / K

K es el factor de coincidencia en el caso de varias demandas coincidentes, y,

normalmente sería un número entre 0.9 y 0.75 según criterio basado en el número,

tamaño y operación normal de los espacios refrigerados; es decir, la demanda

de diseño será menor que la suma algebraica de las demandas individuales y el

cálculo de la demanda mínima será mayor que la suma de las demandas mínimas

individuales.

Situación diferente es la de unidades de enfriamiento y/o congelación rápida, las que

trabajan a 100% o 0% de capacidad, por lo que pueden servir su demanda por una

sola unidad; aunque, para evitar el problema de falla mecánica que interrumpiría

la posibilidad de operar la totalidad de la potencia de producción, también quedan

sugeridas en ser divididas en dos o tres unidades en paralelo.

8. Conclusiones y comentarios

Hay que reconocer que parte del gasto excesivo de energía en los sistemas y equipos

de refrigeración y aire acondicionado radica en la “generosidad” (o insuficiencia)

del cálculo de la demanda o potencia frigorífica que se presupone; pero, además,

en el no considerar que esta se comporta en forma estocástica (sujeta a incidencias

probabilísticas), por lo que tenemos resultados específicos particulares según la

demanda puntual en cada momento. Esta demanda puede provocar situaciones

de mal aprovechamiento de los motores, arranques y paros y mal ejecución de los

controles en cada caso.

Hemos hecho recomendaciones sobre el número de unidades de servicio para la

demanda en cuanto al número y tamaño relativo de ellas, el arranque de sus motores

y el control en el funcionamiento.




De cierta manera, a pesar del costo más alto, se recomiendan los resultados

obtenidos con motores que tienen variadores de frecuencia; si bien no queremos

dejar de anotar que una cosa es el uso de variadores de frecuencia para arranque

de los motores y otro el uso de variadores de frecuencia para el control de ajuste de

la velocidad del motor con fines de balance de control de capacidad a la demanda

puntual.

Por otro lado, recordemos que no solo en el diseño de los compresores podemos

lograr las mejoras en el uso de energía, sino en cada uno de los elementos del ciclo

frigorífico y su interconexión.




Bibliografía

2009. ASHRAE (American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning

Engineers). Book of Fundamentals.

2008. FIDE-CFE “Apuntes diversos de los cursos de certificación y formación de

promotores de proyectos de ahorro de energía.”

2003. Lage, J.C.; “Avances en Ciencias y Técnicas del Frío-II.” Sociedad española de

Ciencias y Técnicas del Frío. ISBN 84-607-8645-5

1983. Pilatowsky, I.; Lage, J.C. et al. “Métodos de producción de frío.” UNAM,

Coordinación de la Investigación Científica. ISBN 968-36-2954-7

1979. Lage, J.C.; “Panorama sistemático de las aplicaciones de la tecnología de bajas

temperaturas a los alimentos.” UNAM, Coordinación de la Investigación Científica.

ISBN 968-36-0758-6




Tabla 3.1

POTENCIA NOMINAL

DEL MOTOR (EN KW)

IARRANQUE/IPLENA CARGA

DE 0.75 A 1.5 4.5DE 1.5 A 5 3.0DE 5 A 15 2.0

DE MÁS DE 15 1.5




Figura 3.1

Figura 3.2




Figura 3.3

Figura 3.4




Figura 3.5

Figura 3.6




Figura 3.7

Figura 3.8: Comparacion entre los diversos sistemas de arranque estudiados




Figura 6.1

Figura 6.2




Figura 6.3


Notes:




Date post:	04-Feb-2020
Category:	Documents
Upload:	others
View:	2 times
Download:	0 times

32nd Annual Meeting International Institute of Ammonia...

Documents