Un enfriador es una máquina que elimina el calor de un refrigerante líquido mediante ciclos de compresión de vapor , refrigeración por absorción o refrigeración por absorción . Luego, este líquido puede circular a través de un intercambiador de calor para enfriar el equipo u otra corriente de proceso (como aire o agua de proceso). Como subproducto necesario, la refrigeración genera calor residual que debe evacuarse al ambiente o, para mayor eficiencia, recuperarse para fines de calefacción. [1] Los enfriadores por compresión de vapor pueden utilizar cualquiera de varios tipos diferentes de compresores. Los más comunes hoy en día son los compresores scroll herméticos, de tornillo semiherméticos o centrífugos. El lado de condensación del enfriador puede ser enfriado por aire o por agua. Incluso cuando se enfría con líquido, el enfriador a menudo se enfría mediante una torre de enfriamiento de tiro inducido o forzado . Las enfriadoras de absorción y adsorción requieren una fuente de calor para funcionar. [2] [3]
El agua helada se utiliza para enfriar y deshumidificar el aire en instalaciones comerciales, industriales e institucionales de tamaño mediano y grande. Los enfriadores enfriados por agua pueden ser enfriados por líquido (a través de torres de enfriamiento), enfriados por aire o por evaporación. Los sistemas enfriados por agua o líquido pueden proporcionar ventajas de eficiencia e impacto ambiental sobre los sistemas enfriados por aire. [4]
En los sistemas de aire acondicionado , el refrigerante enfriado, normalmente agua enfriada mezclada con etilenglicol , procedente de un enfriador de una planta de aire acondicionado o refrigeración, normalmente se distribuye a intercambiadores de calor o serpentines en unidades de tratamiento de aire u otros tipos de dispositivos terminales que enfrían el aire en sus respectivos espacios. Luego, el agua se recircula al enfriador para volver a enfriarla. Estos serpentines de enfriamiento transfieren calor sensible y calor latente del aire al agua enfriada, enfriando y generalmente deshumidificando la corriente de aire. Un enfriador típico para aplicaciones de aire acondicionado tiene una potencia nominal de entre 50 kW (170 mil BTU / h ) y 7 MW (24 millones de BTU/h), y al menos dos fabricantes (York International y LG) pueden producir enfriadores con capacidad de hasta 21 MW. (72 millones de BTU/h) refrigeración. [5] [6] Las temperaturas del agua enfriada (que sale del enfriador) generalmente oscilan entre 1 y 7 °C (34 a 45 °F), [7] dependiendo de los requisitos de la aplicación. [8] Comúnmente, los enfriadores reciben agua a 12°C (temperatura de entrada) y la enfrían a 7°C (temperatura de salida). [7] [9]
Cuando los enfriadores de los sistemas de aire acondicionado no funcionan o necesitan reparación o reemplazo, se pueden usar enfriadores de emergencia para suministrar agua helada. Los enfriadores de alquiler se montan en un remolque para que puedan trasladarse rápidamente al sitio. Se utilizan grandes mangueras de agua enfriada para conectar enfriadores de alquiler y sistemas de aire acondicionado. [10]
En aplicaciones industriales, el agua enfriada u otro líquido refrigerante del enfriador se bombea a través de equipos de proceso o de laboratorio. Los enfriadores industriales se utilizan para el enfriamiento controlado de productos, mecanismos y maquinaria de fábrica en una amplia gama de industrias. Se utilizan a menudo en las industrias del plástico, moldeo por inyección y soplado, aceites de corte para metalurgia, equipos de soldadura, fundición a presión y máquinas herramienta, procesamiento químico, formulación farmacéutica, procesamiento de alimentos y bebidas, procesamiento de papel y cemento, sistemas de vacío, rayos X. difracción, fuentes de alimentación y estaciones de generación de energía con turbinas de gas (ver Enfriamiento del aire de entrada de la turbina#Enfriador por compresión de vapor ), equipos analíticos, semiconductores, aire comprimido y enfriamiento de gas. También se utilizan para enfriar artículos especializados que generan altas temperaturas, como máquinas de resonancia magnética y láseres en hospitales, hoteles y campus.
Los enfriadores para aplicaciones industriales pueden ser centralizados, donde un solo enfriador satisface múltiples necesidades de enfriamiento, o descentralizados, donde cada aplicación o máquina tiene su propio enfriador. Cada enfoque tiene sus ventajas. También es posible tener una combinación de enfriadoras centralizadas y descentralizadas, especialmente si los requisitos de refrigeración son los mismos para algunas aplicaciones o puntos de uso, pero no para todos.
El agua helada se utiliza para enfriar y deshumidificar el aire en instalaciones comerciales, industriales e institucionales (CII) de tamaño mediano y grande. Los enfriadores de líquido pueden ser enfriados por líquido, por aire o por evaporación. Los enfriadores enfriados por agua o líquido incorporan el uso de torres de enfriamiento que mejoran la efectividad termodinámica de los enfriadores en comparación con los enfriadores enfriados por aire. Esto se debe al rechazo de calor a la temperatura de bulbo húmedo del aire o cerca de ella, en lugar de a la temperatura de bulbo seco más alta, a veces mucho más alta. Los enfriadores enfriados por evaporación ofrecen eficiencias más altas que los enfriadores enfriados por aire, pero menores que los enfriadores enfriados por líquido.
Los enfriadores enfriados por líquido generalmente están diseñados para instalación y operación en interiores y se enfrían mediante un circuito de agua de condensador separado y se conectan a torres de enfriamiento exteriores para expulsar el calor a la atmósfera.
Las enfriadoras enfriadas por aire y por evaporación están diseñadas para instalación y funcionamiento en exteriores. Las máquinas enfriadas por aire se enfrían directamente mediante el aire ambiente que circula mecánicamente directamente a través del serpentín del condensador de la máquina para expulsar el calor a la atmósfera. Las máquinas enfriadas por evaporación son similares, excepto que implementan una neblina de agua sobre el serpentín del condensador para ayudar en el enfriamiento del condensador, lo que hace que la máquina sea más eficiente que una máquina tradicional enfriada por aire. Por lo general, no se requiere una torre de enfriamiento remota con ninguno de estos tipos de enfriadores compactos enfriados por aire o por evaporación.
Cuando esté disponible, el agua fría fácilmente disponible en cuerpos de agua cercanos podría usarse directamente para enfriar, reemplazar o complementar las torres de enfriamiento. El sistema de refrigeración de aguas profundas de Toronto, Ontario , Canadá , es un ejemplo. Utiliza agua fría de lago para enfriar los enfriadores, que a su vez se utilizan para enfriar los edificios de la ciudad a través de un sistema de refrigeración de distrito . El agua de retorno se utiliza para calentar el suministro de agua potable de la ciudad, algo deseable en este clima frío. Siempre que el rechazo de calor de una enfriadora pueda utilizarse con fines productivos, además de la función de refrigeración, es posible una eficacia térmica muy alta.
Un enfriador por compresión de vapor normalmente utiliza uno de los cuatro tipos de compresor: la compresión alternativa , la compresión espiral , la compresión accionada por tornillo y la compresión centrífuga son todas máquinas mecánicas que pueden funcionar con motores eléctricos , turbinas de vapor o de gas . El uso de motores eléctricos en una configuración semihermética o hermética es el método más común para accionar los compresores, ya que el refrigerante puede enfriar los motores eléctricos de manera fácil y efectiva, sin requerir suministro de combustible o ventilación de escape y no se requieren sellos de eje, ya que el motor puede operan en el refrigerante, lo que reduce el mantenimiento, las fugas, los costos operativos y el tiempo de inactividad, aunque a veces se utilizan compresores abiertos. Producen su efecto de enfriamiento a través del ciclo Rankine inverso , también conocido como compresión de vapor. Con el rechazo de calor del enfriamiento evaporativo , sus coeficientes de rendimiento (COP) son muy altos; normalmente 4,0 o más.
La tecnología actual de enfriadoras por compresión de vapor se basa en el ciclo de "Rankine inverso" conocido como compresión de vapor. Consulte el diagrama adjunto que describe los componentes clave del sistema de refrigeración.
Componentes clave del enfriador:
Los compresores de refrigeración son esencialmente una bomba de gas refrigerante. La capacidad del compresor y, por tanto, la capacidad de refrigeración del enfriador, se mide en kilovatios de entrada (kW), caballos de fuerza de entrada (HP) o flujo volumétrico (m 3 /h, pies 3 /h). El mecanismo para comprimir el gas refrigerante difiere entre compresores y cada uno tiene su propia aplicación. Los compresores de refrigeración comunes incluyen alternativos, scroll, de tornillo o centrífugos. Estos pueden funcionar con motores eléctricos, turbinas de vapor o turbinas de gas. Los compresores pueden tener un motor integrado de un fabricante específico, o ser de accionamiento abierto, permitiendo la conexión a otro tipo de conexión mecánica. Los compresores también pueden ser herméticos (cerrados soldados) o semiherméticos (atornillados).
En los últimos años, la aplicación de la tecnología de accionamiento de velocidad variable (VSD) ha aumentado la eficiencia de los enfriadores por compresión de vapor. El primer VSD se aplicó a enfriadoras de compresores centrífugos a finales de la década de 1970 y se ha convertido en la norma a medida que ha aumentado el costo de la energía. Actualmente, los VSD se están aplicando a compresores de tornillo rotativo y de tecnología scroll.
Los condensadores pueden ser enfriados por aire, por líquido o por evaporación. El condensador es un intercambiador de calor que permite que el calor migre del gas refrigerante al agua o al aire. Los condensadores enfriados por aire se fabrican con tubos de cobre (para el flujo de refrigerante) y aletas de aluminio (para el flujo de aire). Cada condensador tiene un coste de material diferente y varían en términos de eficiencia. Con los condensadores de enfriamiento evaporativo, sus coeficientes de rendimiento (COP) son muy altos; normalmente 4,0 o más. Los condensadores enfriados por aire se instalan y funcionan al aire libre y se enfrían con aire exterior, que a menudo se fuerza a través del condensador mediante ventiladores eléctricos . Los condensadores enfriados por agua o líquido se enfrían con agua que a menudo a su vez es enfriada por una torre de enfriamiento .
El dispositivo de expansión ( TEV ) o dispositivo dosificador de refrigerante (RMD) restringe el flujo del refrigerante líquido provocando una caída de presión que vaporiza parte del refrigerante; esta vaporización absorbe calor del refrigerante líquido cercano. El RMD está ubicado inmediatamente antes del evaporador para que el gas frío en el evaporador pueda absorber calor del agua en el evaporador. Hay un sensor para el RMD en el lado de salida del evaporador que permite al RMD regular el flujo de refrigerante según los requisitos de diseño del enfriador.
Los evaporadores pueden ser de placas o de carcasa y tubos. El evaporador es un intercambiador de calor que permite que la energía térmica migre de la corriente de agua al gas refrigerante. Durante el cambio de estado del líquido restante a gas, el refrigerante puede absorber grandes cantidades de calor sin cambiar la temperatura.
El ciclo termodinámico de una enfriadora de absorción está impulsado por una fuente de calor; Este calor generalmente se entrega al enfriador mediante vapor, agua caliente o combustión. En comparación con los enfriadores eléctricos, un enfriador de absorción tiene requisitos de energía eléctrica muy bajos: muy raramente supera los 15 kW de consumo combinado tanto para la bomba de solución como para la bomba de refrigerante. Sin embargo, sus necesidades de aporte de calor son grandes y su COP suele ser de 0,5 (efecto simple) a 1,0 (efecto doble). Para la misma capacidad de enfriamiento, un enfriador por absorción requiere una torre de enfriamiento mucho más grande que un enfriador por compresión de vapor. Sin embargo, los enfriadores de absorción, desde el punto de vista de la eficiencia energética, destacan cuando se dispone fácilmente de calor barato y de baja calidad o calor residual. [11] En climas extremadamente soleados, la energía solar se ha utilizado para operar enfriadores de absorción.
El ciclo de absorción de efecto simple utiliza agua como refrigerante y bromuro de litio como absorbente. Es la fuerte afinidad que estas dos sustancias tienen entre sí lo que hace que el ciclo funcione. Todo el proceso ocurre casi en un vacío total.
Los enfriadores industriales generalmente vienen como sistemas completos, empaquetados y de circuito cerrado, que incluyen la unidad de enfriamiento, el condensador y la estación de bombeo con bomba de recirculación, válvula de expansión, cierre por falta de flujo y control interno de agua fría. El tanque interno ayuda a mantener la temperatura del agua fría y evita que se produzcan picos de temperatura. Los enfriadores industriales de circuito cerrado recirculan un refrigerante limpio o agua limpia con aditivos acondicionadores a una temperatura y presión constantes para aumentar la estabilidad y reproducibilidad de las máquinas e instrumentos refrigerados por agua. El agua fluye desde el enfriador hasta el punto de uso de la aplicación y viceversa. [ cita necesaria ]
Si las diferencias de temperatura del agua entre la entrada y la salida son altas, entonces se utilizaría un tanque de agua externo grande para almacenar el agua fría. En este caso, el agua enfriada no va directamente del enfriador a la aplicación, sino que va al tanque de agua externo que actúa como una especie de "amortiguador de temperatura". El tanque de agua fría es mucho más grande que el agua interna que va del tanque externo a la aplicación y el agua caliente de retorno de la aplicación regresa al tanque externo, no al enfriador. [ cita necesaria ]
Los enfriadores industriales de circuito abierto menos comunes controlan la temperatura de un líquido en un tanque abierto o sumidero recirculándolo constantemente. El líquido se extrae del tanque, se bombea a través del enfriador y de regreso al tanque. En los enfriadores de agua industriales se utiliza refrigeración por agua en lugar de refrigeración por aire. En este caso el condensador no enfría el refrigerante caliente con aire ambiente, sino que utiliza agua enfriada por una torre de refrigeración . Este desarrollo permite una reducción de los requerimientos energéticos en más de un 15% y también permite una importante reducción del tamaño de la enfriadora, debido a la pequeña superficie del condensador de base acuosa y a la ausencia de ventiladores. Además, la ausencia de ventiladores permite reducir significativamente los niveles de ruido. [ cita necesaria ]
La mayoría de los enfriadores industriales utilizan refrigeración como medio de enfriamiento, pero algunos dependen de técnicas más simples, como el flujo de aire o agua sobre serpentines que contienen el refrigerante para regular la temperatura. El agua es el refrigerante más utilizado en los enfriadores de procesos, aunque con frecuencia se emplean mezclas de refrigerantes (principalmente agua con un aditivo refrigerante para mejorar la disipación del calor). [13]
Las especificaciones importantes a considerar al buscar enfriadores industriales incluyen el costo total del ciclo de vida, la fuente de energía, la clasificación IP del enfriador, la capacidad de enfriamiento del enfriador, la capacidad del evaporador, el material del evaporador, el tipo de evaporador, el material del condensador, la capacidad del condensador, la temperatura ambiente, el tipo de ventilador del motor, nivel de ruido, materiales de las tuberías internas, número de compresores, tipo de compresor, número de circuitos de refrigeración, requisitos de refrigerante, temperatura de descarga del fluido y COP (la relación entre la capacidad de refrigeración en RT y la energía consumida por todo el enfriador en kW). Para enfriadoras medianas y grandes, esto debería oscilar entre 3,5 y 7,0; valores más altos significan una mayor eficiencia. En EE. UU., la eficiencia de los enfriadores suele especificarse en kilovatios por tonelada de refrigeración (kW/RT).
Las especificaciones de la bomba de proceso que es importante considerar incluyen el flujo del proceso, la presión del proceso, el material de la bomba, el elastómero y el material del sello mecánico del eje, el voltaje del motor, la clase eléctrica del motor, la clasificación IP del motor y la clasificación de la bomba. Si la temperatura del agua fría es inferior a -5 °C, entonces es necesario utilizar una bomba especial para poder bombear las altas concentraciones de etilenglicol. Otras especificaciones importantes incluyen el tamaño y los materiales del tanque de agua interno y la corriente de carga completa.
Las características del panel de control que se deben considerar al seleccionar entre enfriadores industriales incluyen el panel de control local, el panel de control remoto, los indicadores de fallas, los indicadores de temperatura y los indicadores de presión.
Las características adicionales incluyen alarmas de emergencia, derivación de gas caliente, conmutación de agua de la ciudad y ruedas. [12]
Los enfriadores desmontables también son una opción para implementar en áreas remotas y donde las condiciones pueden ser calurosas y polvorientas. [14]
Si los niveles de ruido de la enfriadora son acústicamente inaceptables, los ingenieros de control de ruido implementarán atenuadores de sonido para reducir los niveles de ruido de la enfriadora. Los enfriadores más grandes normalmente requerirán una serie de atenuadores de sonido, a veces conocidos como banco de silenciadores.
Un enfriador por compresión de vapor utiliza un refrigerante internamente como fluido de trabajo. Hay muchas opciones de refrigerantes disponibles; Al seleccionar un enfriador, se deben combinar los requisitos de temperatura de enfriamiento de la aplicación y las características de enfriamiento del refrigerante. Los parámetros importantes a considerar son las temperaturas y presiones de funcionamiento.
Hay varios factores ambientales que afectan a los refrigerantes y que también afectan la disponibilidad futura para aplicaciones de refrigeración. Esta es una consideración clave en aplicaciones intermitentes donde un enfriador grande puede durar 25 años o más. Es necesario considerar el potencial de agotamiento de la capa de ozono (PAO) y el potencial de calentamiento global (GWP) del refrigerante. Datos de ODP y GWP para algunos de los refrigerantes de compresión de vapor más comunes (tenga en cuenta que muchos de estos refrigerantes son altamente inflamables y/o tóxicos): [15]
R12 es la referencia ODP. El CO 2 es la referencia del GWP
Los refrigerantes utilizados en las enfriadoras vendidas en Europa son principalmente R410a (70%), R407c (20%) y R134a (10%). [18]
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