Un enfriador es una máquina que elimina el calor de un refrigerante líquido mediante ciclos de compresión de vapor , refrigeración por adsorción 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 crea calor residual que debe expulsarse al ambiente o, para una mayor eficiencia, recuperarse para fines de calefacción. [1] Los enfriadores por compresión de vapor pueden utilizar cualquiera de los distintos tipos de compresores. Los más comunes en la actualidad son los compresores herméticos de espiral, de tornillo semihermético o centrífugos. El lado de condensación del enfriador puede enfriarse con aire o agua. Incluso cuando se enfría con líquido, el enfriador a menudo se enfría mediante una torre de enfriamiento de tiro inducido o forzado . Los enfriadores 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 a grande. Los enfriadores enfriados por agua pueden ser enfriados por líquido (a través de torres de enfriamiento), enfriados por aire o enfriados por evaporación. Los sistemas enfriados por agua o líquido pueden brindar ventajas en términos de eficiencia e impacto ambiental en comparación con los sistemas enfriados por aire. [4]
En los sistemas de aire acondicionado , el refrigerante enfriado, generalmente agua enfriada mezclada con etilenglicol , de un enfriador en una planta de aire acondicionado o enfriamiento se distribuye típicamente a intercambiadores de calor, o bobinas , en manejadores 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 enfriarse. Estas bobinas 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 capaces de enfriar hasta 21 MW (72 millones de BTU / h). [5] [6] Las temperaturas del agua enfriada (que sale del enfriador) generalmente varían de 1 a 7 °C (34 a 45 °F), según los requisitos de la aplicación. Normalmente, los enfriadores reciben agua a 12 °C (temperatura de entrada) y la enfrían a 7 °C (temperatura de salida). [7]
Cuando los enfriadores de los sistemas de aire acondicionado no funcionan o necesitan reparación o reemplazo, se pueden utilizar enfriadores de emergencia para suministrar agua fría. Los enfriadores de alquiler se montan en un remolque para que se puedan desplegar rápidamente en el lugar. Se utilizan grandes mangueras de agua fría para conectar los enfriadores de alquiler con los sistemas de aire acondicionado. [8]
En aplicaciones industriales, el agua helada 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. A menudo se utilizan 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, difracción de rayos X, fuentes de alimentación y centrales de generación de energía con turbinas de gas (consulte Refrigeración por aire de entrada de turbina n.º Enfriador por compresión de vapor ), equipos analíticos, semiconductores, aire comprimido y enfriamiento de gas. También se utilizan para enfriar artículos especializados de alta temperatura, como máquinas de resonancia magnética y láseres en hospitales, hoteles y campus.
Los enfriadores para aplicaciones industriales pueden ser centralizados, donde un solo enfriador atiende 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 enfriadores centralizados y descentralizados, especialmente si los requisitos de enfriamiento son los mismos para algunas aplicaciones o puntos de uso, pero no todos.
El agua helada se utiliza para enfriar y deshumidificar el aire en instalaciones comerciales, industriales e institucionales (CII) de tamaño mediano a grande. Los enfriadores de líquido pueden ser enfriados por líquido, enfriados por aire o enfriados 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, que es más alta, a veces mucho más alta. Los enfriadores enfriados por evaporación ofrecen eficiencias más altas que los enfriadores enfriados por aire, pero más bajas que los enfriadores enfriados por líquido.
Los enfriadores refrigerados por líquido generalmente están diseñados para su instalación y funcionamiento 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.
Los enfriadores enfriados por aire y por evaporación están diseñados para su instalación y funcionamiento en exteriores. Las máquinas enfriadas por aire se enfrían directamente mediante la circulación mecánica del aire ambiente 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 niebla de agua sobre el serpentín del condensador para ayudar a enfriar el condensador, lo que hace que la máquina sea más eficiente que una máquina enfriada por aire tradicional. Por lo general, no se requiere una torre de enfriamiento remota con ninguno de estos tipos de enfriadores enfriados por aire o por evaporación.
Cuando sea posible, el agua fría que se encuentra fácilmente en los cuerpos de agua cercanos se puede utilizar directamente para enfriar, reemplazando o complementando las torres de enfriamiento. El sistema de enfriamiento con fuente de agua profunda en Toronto, Ontario , Canadá , es un ejemplo. Utiliza agua fría del lago para enfriar los enfriadores, que a su vez se utilizan para enfriar los edificios de la ciudad a través de un sistema de enfriamiento de distrito . El agua de retorno se utiliza para calentar el suministro de agua potable de la ciudad, lo cual es deseable en este clima frío. Siempre que el rechazo de calor de un enfriador se pueda utilizar para un propósito productivo, además de la función de enfriamiento, es posible lograr una efectividad térmica muy alta.
Un enfriador de compresión de vapor generalmente utiliza uno de cuatro tipos de compresores: la compresión reciprocante , la compresión de espiral , la compresión impulsada por tornillo y la compresión centrífuga son todas máquinas mecánicas que pueden ser impulsadas por motores eléctricos , turbinas de vapor o de gas . El uso de motores eléctricos en una configuración semihermética o hermética es el método más común de impulsar los compresores, ya que los motores eléctricos pueden enfriarse de manera efectiva y fácil con el refrigerante, sin requerir suministro de combustible o ventilación de escape y no se requieren sellos de eje ya que el motor puede operar 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 de Rankine inverso , también conocido como compresión de vapor. Con el rechazo de calor de enfriamiento por evaporación , sus coeficientes de rendimiento (COP) son muy altos; típicamente 4.0 o más.
La tecnología actual de enfriadores por compresión de vapor se basa en el ciclo de "Rankine inverso", conocido como compresión de vapor. Vea el diagrama adjunto, que describe los componentes clave del sistema de enfriadores.
Componentes clave del enfriador:
Los compresores de refrigeración son esencialmente una bomba para gas refrigerante. La capacidad del compresor, y por lo tanto la capacidad de enfriamiento del enfriador, se mide en kilovatios de entrada (kW), caballos de fuerza de entrada (HP) o flujo volumétrico (m3 / h, ft3 / h). El mecanismo para comprimir el gas refrigerante difiere entre compresores, y cada uno tiene su propia aplicación. Los compresores de refrigeración más comunes incluyen los alternativos, de espiral, de tornillo o centrífugos. Estos pueden ser accionados por 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, lo que permite la conexión a otro tipo de conexión mecánica. Los compresores también pueden ser herméticos (cerrados por soldadura) o semiherméticos (atornillados entre sí).
En los últimos años, la aplicación de la tecnología de accionamiento de velocidad variable (VSD) ha aumentado la eficiencia de los enfriadores de compresión de vapor. El primer VSD se aplicó a los enfriadores de compresores centrífugos a fines de la década de 1970 y se ha convertido en la norma a medida que el costo de la energía ha aumentado. Ahora, los VSD se están aplicando a los compresores de tornillo rotativo y de tecnología de espiral.
Los condensadores pueden ser enfriados por aire, enfriados por líquido o evaporativos. 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 costo de material diferente y varían en términos de eficiencia. Con los condensadores de enfriamiento por evaporación, sus coeficientes de rendimiento (COP) son muy altos; típicamente 4.0 o más. Los condensadores enfriados por aire se instalan y operan 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 su vez a menudo se enfría mediante una torre de enfriamiento .
El dispositivo de expansión ( TEV ) o dispositivo dosificador de refrigerante (RMD) restringe el flujo del refrigerante líquido, lo que provoca una caída de presión que vaporiza parte del refrigerante; esta vaporización absorbe el calor del refrigerante líquido cercano. El RMD está ubicado inmediatamente antes del evaporador para que el gas frío del evaporador pueda absorber el calor del agua del evaporador. Hay un sensor para el RMD en el lado de salida del evaporador que permite que el RMD regule 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 un enfriador de absorción es impulsado por una fuente de calor; este calor se entrega generalmente al enfriador a través de vapor, agua caliente o combustión. En comparación con los enfriadores eléctricos, un enfriador de absorción tiene requisitos de energía eléctrica muy bajos: muy rara vez supera los 15 kW de consumo combinado tanto para la bomba de solución como para la bomba de refrigerante. Sin embargo, sus requisitos de entrada de calor son grandes y su COP a menudo es de 0,5 (efecto simple) a 1,0 (efecto doble). Para la misma capacidad de enfriamiento, un enfriador de absorción requiere una torre de enfriamiento mucho más grande que un enfriador de compresión de vapor. Sin embargo, los enfriadores de absorción, desde el punto de vista de la eficiencia energética, sobresalen donde hay calor barato y de baja calidad o calor residual fácilmente disponible. [9] En climas extremadamente soleados, se ha utilizado energía solar para operar enfriadores de absorción.
El ciclo de absorción de efecto simple utiliza agua como refrigerante y bromuro de litio como absorbente. La fuerte afinidad que tienen estas dos sustancias entre sí es lo que hace que el ciclo funcione. Todo el proceso se produce en un vacío casi absoluto.
Los enfriadores industriales suelen venir como sistemas completos, empaquetados y de circuito cerrado, que incluyen la unidad enfriadora, el condensador y la estación de bombeo con bomba de recirculación, válvula de expansión, apagado por falta de flujo y control interno de agua fría. Los compresores pueden ser de dos tipos: de espiral y de tornillo, según el presupuesto y el rendimiento esperado de un enfriador. 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 de acondicionamiento a una temperatura y presión constantes para aumentar la estabilidad y reproducibilidad de las máquinas e instrumentos enfriados por agua. El agua fluye desde el enfriador hasta el punto de uso de la aplicación y viceversa. [ cita requerida ]
Si las diferencias de temperatura del agua entre la entrada y la salida son altas, se utilizaría un tanque de agua externo de gran tamaño para almacenar el agua fría. En este caso, el agua helada 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 que regresa de la aplicación vuelve al tanque externo, no al enfriador. [ cita requerida ]
Los enfriadores industriales de circuito abierto, menos comunes, controlan la temperatura de un líquido en un tanque o sumidero abierto mediante su recirculación constante. El líquido se extrae del tanque, se bombea a través del enfriador y regresa 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 que se enfría mediante una torre de enfriamiento . Este desarrollo permite una reducción de los requisitos de energía en más del 15% y también permite una reducción significativa del tamaño del enfriador, debido a la pequeña superficie del condensador a base de agua y la ausencia de ventiladores. Además, la ausencia de ventiladores permite reducir significativamente los niveles de ruido. [ cita requerida ]
La mayoría de los enfriadores industriales utilizan refrigeración como medio de enfriamiento, pero algunos dependen de técnicas más simples, como el aire o el agua que fluye 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). [11]
Las especificaciones importantes a tener en cuenta 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, el nivel de ruido, los materiales de las tuberías internas, la cantidad de compresores, el tipo de compresor, la cantidad de circuitos del refrigerador, los requisitos de refrigerante, la temperatura de descarga del fluido y el COP (la relación entre la capacidad de enfriamiento en RT y la energía consumida por todo el enfriador en kW). Para enfriadores medianos a grandes, esto debería oscilar entre 3,5 y 7,0, donde los valores más altos significan una mayor eficiencia. En los EE. UU., la eficiencia del enfriador a menudo se especifica en kilovatios por tonelada de refrigeración (kW/RT).
Las especificaciones de la bomba de proceso que es importante tener en cuenta incluyen el caudal del proceso, la presión del proceso, el material de la bomba, el material del sello mecánico y del elastómero 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, se debe 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 tener en cuenta al seleccionar entre enfriadores industriales incluyen el panel de control local, el panel de control remoto, indicadores de falla, indicadores de temperatura e indicadores de presión.
Las características adicionales incluyen alarmas de emergencia, derivación de gas caliente, conmutación de agua de la ciudad y ruedas. [10]
Los enfriadores desmontables también son una opción para su implementación en áreas remotas y donde las condiciones pueden ser cálidas y polvorientas. [12]
Si los niveles de ruido del enfriador son acústicamente inaceptables, los ingenieros de control de ruido implementarán atenuadores de sonido para reducir los niveles de ruido del enfriador. Los enfriadores más grandes generalmente requerirán una serie de atenuadores de sonido, a veces conocidos como bancos 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, es necesario que coincidan 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.
Existen varios factores ambientales que afectan a los refrigerantes y también a su disponibilidad futura para aplicaciones de enfriadores. Esta es una consideración clave en aplicaciones intermitentes en las que un enfriador grande puede durar 25 años o más. Es necesario considerar el potencial de agotamiento de la capa de ozono (ODP) 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 (teniendo en cuenta que muchos de estos refrigerantes son altamente inflamables y/o tóxicos): [13]
R12 es la referencia ODP. CO2 es la referencia GWP
Los refrigerantes utilizados en los enfriadores vendidos en Europa son principalmente R410a (70%), R407c (20%) y R134a (10%). [16]
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