Mejora de la eficiencia energética en instalaciones mediante el empleo de aerorefrigeradores por Josué Ros Gil

 

Josué Ros Gil

Responsable de Prescripción zona de Levante de Carrier España (Socio Protector de Atecyr)

Introducción

El diseño de instalaciones térmicas se ha basado tradicionalmente en criterios prescriptivos y prestacionales. Debido a la actual coyuntura económica y energética, los aspectos de seguridad, funcionalidad y confort han pasado a complementarse con criterios de ahorro y eficiencia energética. En este sentido, la utilización de aerorefrigeradores o dry-coolers como elemento de disipación de calor alternativo a la compresión mecánica está encontrando nuevas aplicaciones.

En instalaciones de confort, aunque la utilización de dry-coolers como sistema de free-cooling indirecto es prescriptiva según la IT 1.2.4.5.1.3 del RITE, las temperaturas de operación y las condiciones exteriores habituales limitan notablemente su aplicación. Su uso queda reducido básicamente a ser foco auxiliar de disipación de calor en plantas enfriadoras condensadas por agua cuando el foco principal no presenta demanda térmica.

Aunque en numerosas aplicaciones industriales el empleo de aerorefrigeradores permite cubrir total o parcialmente las necesidades de enfriamiento de procesos con mayor eficiencia energética que sistemas tradicionales, en numerosos casos no se han instalado, convirtiéndose en una posible medida de mejora.

Este artículo describe aspectos básicos de los dry-coolers e ilustra, mediante un caso práctico, ciertos condicionantes de diseño, así como ventajas energéticas y económicas obtenidas por el empleo de estos equipos.

Generalidades sobre aerorefrigeradores

Los aerorefrigeradores son intercambiadores de flujo cruzado formados por baterías refrigeradas por una corriente de aire forzada mediante ventiladores axiales. El fluido caloportador que circula por el interior de la batería cede calor al aire ambiente por intercambio sensible.

Por su geometría podemos encontrarnos aeros horizontales o en “V”. Estos últimos permiten aumentar la superficie de intercambio en relación con la huella ocupada por el equipo, adaptándose mejor en proyectos donde el espacio sea un factor limitante, o donde las potencias a disipar sean elevadas (Figura 1).

Figura 1: Aerorrefrigeradores horizontales y en “V”

El control de capacidad para adecuar la potencia disipada a la demanda del proceso se realiza variando el caudal de aire que atraviesa la batería por diferentes métodos:

  • Mediante etapas de ventilación
  • Regulación de velocidad de motores AC con variador de frecuencia
  • Regulación de velocidad de motores EC

Las baterías de los aeros pueden incorporar sistemas de nebulización para enfriamiento adiabático del aire. Así el equipo pasa a intercambiar con temperaturas inferiores a la temperatura seca del aire, consiguiéndose las siguientes ventajas:

  • Se amplía el rango de temperaturas de operación, pudiendo llegar a cubrir el 100% del funcionamiento, haciendo innecesaria la planta enfriadora
  • Se amplía la capacidad del equipo, pudiendo funcionar para una potencia dada con menor caudal de aire y, por tanto, menor consumo en ventiladores y presión sonora
  • Menor superficie de intercambio necesaria, permitiendo seleccionar equipos más pequeños y económicos

Los sistemas adiabáticos obligan a considerar ciertas precauciones en su diseño para que el funcionamiento y durabilidad sea el deseado. Su correcta ejecución pasa por el empleo de sistemas nebulización de alta presión, que permitan la evaporación del agua y el consiguiente enfriamiento del aire, no mojando la batería ni los componentes eléctricos/electrónicos. Es importante utilizar agua de alta calidad química (no incrustante ni corrosiva) y biológica (libre de microorganismos como Legionella).

Es posible que sea interesante incorporar sistemas de tratamiento físico-químico del agua. Si no se tienen en cuentas estas consideraciones, la instalación puede presentar los siguientes problemas:

  • Formación de incrustaciones en la batería, reduciéndose el paso de aire y la capacidad de disipación de calor
  • Corrosión de la batería, provocando reducción de la vida útil de este componente
  • Proyección de agua sobre componentes eléctricos y electrónicos con IP inadecuado
  • Gasto excesivo de agua por diseño incorrecto de la nebulización
  • Posibles riesgos sanitarios por desarrollo de Legionella

Todo ello, además de reducir la capacidad operativa y la eficiencia de la unidad, puede provocar problemas de seguridad y fiabilidad, o averías, reduciendo la vida útil del equipo.

Figura 2: Esquema proceso con aerorrefrigerador adiabático

Caso de estudio: refrigeración de proceso en industria metalúrgica

Se detecta la posibilidad de reducción del consumo eléctrico en el proceso de disipación de calor del circuito oleohidraulico de un equipo de extrusión de aluminio. Para ello se plantea la instalación de un aerorrefrigerador en paralelo con la enfriadora existente de forma que el control determine, en función de las condiciones exteriores, qué equipo debe disipar el calor bajo la premisa de minimizar coste energético.

La instalación planteada es de tipo indirecto, empleando agua como fluido calorportador, que intercambia calor a través de un serpentín con el aceite de proceso (Figura 3).

Figura 3: Esquema proceso de disipación de calor en industria metalúrgica

Criterios de diseño

Un aspecto clave para dimensionar aerorefrigeradores secos es su “acercamiento” de diseño, entendido como la diferencia de temperatura entre la salida del fluido calorportador del intercambiador y la temperatura seca ambiente. A mayor aproximación (<dT), mayor es la superficie de intercambio necesaria para una misma potencia térmica, permitiendo disipar la carga en condiciones ambientales más extremas y siendo, por tanto, mayor el número de horas de operación del equipo.

La temperatura exterior de diseño considerada corresponde a la del percentil más restrictivo (0,4%) dada por IDAE para la estación climática más próxima. Se incrementa dicho valor en 3K, siguiendo el espíritu de la IT 1.2.4.1.3.3 del RITE.

Se han estudiado 4 escenarios con diferentes acercamientos. Mediante simulación horaria se determinará el ahorro de energía obtenido en cada caso y el retorno de la inversión.

La Figura 4 muestra las frecuencias de las condiciones exteriores para las 8.760 h del año (en rojo). Sobre dicho diagrama se representan también las horas de operación del aero diseñado con un acercamiento de 5K (en amarillo) y las horas de funcionamiento de la planta enfriadora (en azul). Acercamientos mayores desplazarían la recta del límite de enfriamiento con aero (en verde) hacia la derecha, aumentando el número de horas de operación del mismo.

Figura 4: Condiciones de funcionamiento con acercamiento de diseño 5K

Equipos seleccionados

Debido a que la disponibilidad de espacio no es un factor limitante se han seleccionado aerorefrigeradores horizontales de un solo circuito frente a equipos en “V”.

Para minimizar la inversión se escogen equipos con 8 motores AC de velocidad fija. El sistema de control dispone de 4 salidas digitales, lo que permite 4 etapas de regulación de capacidad controlando los ventiladores por pares.

Simulación energética

El modelo de simulación considera las curvas de capacidad frigorífica-consumo eléctrico de los aeros y de la planta enfriadora, en función de la temperatura exterior (OAT). Se introduce también la curva de carga de la instalación, que opera a pleno rendimiento de 8:00 a 19:00h todos los días del año.

El modelo tiene en cuenta las 4 etapas de capacidad de los aeros seleccionados, secuenciadas por el sistema de control para adecuar la disipación de calor a las demandas del proceso según las condiciones exteriores (Figura 5).

Figura 5: Regulación de capacidad dry-cooler Carrier 09PE

La simulación del caso base de la instalación, considerando sólo la planta enfriadora, durante las 4.015 h/año de operación muestra un consumo de 352.598 kWhe/año, incluyendo compresores, ventiladores y consumos auxiliares. La Tabla 1 resume los resultados de las simulaciones de instalaciones mixtas compuestas por enfriadora + aerorrefrigerador para los 4 acercamientos (“A”) considerados.

Adiseño (K)OATmáx aero (ºC)Fcto. aero (h/año)Fcto. enfriadora (h/año)Consumo aero+enfriadora (kWhe/año)Ahorro energía anualAhorro Año 0 (€)Inversión (€)PB simple (años)
5293,72129495,51773%30,85037,4991.2
7273,401614112,37268%28,82732,7461.1
9253,129886129,69663%26,74830,0411.1
11232,7971,218159,46455%23,17626,9871.2
Tabla 1: Resultado de simulaciones con diferentes acercamientos (A) de diseño

Conclusiones

Se extraen las siguientes conclusiones:

  1. Procesos de disipación de calor con niveles térmicos medios en climatologías cálidas son compatibles con el empleo de aerorefrigeradores como elemento de enfriamiento durante un gran número de horas al año.
  2. El tiempo de operación del aero dependerá, además de la climatología, del acercamiento de diseño, de forma que mayores acercamientos (<dT) suponen mayor número de horas de operación. En el caso estudiado, con un acercamiento de 5K, el aero cubre el 93% de la demanda de la instalación.
  3. El incremento de inversión en el aero crece de forma lineal a medida que el acercamiento aumenta. En el ejemplo estudiado el incremento de inversión se amortiza rápidamente por el aumento de ahorro obtenido, llegando a reducirse el consumo eléctrico un 73% respecto al caso base (sólo enfriadora).
  4. La implementación de variadores de frecuencia en motores AC, o el empleo de motores EC, permitiría mejorar los ahorros obtenidos, requiriéndose simulación energética para cuantificarlos.
  5. La incorporación de sistemas de enfriamiento adiabático permitiría aumentar el dT aire-fluido calorportador, reduciendo el caudal de aire y por tanto el consumo eléctrico, permitiendo además incrementar el número de horas de operación. La cuantificación de los ahorros adicionales requeriría simulación horaria.
  6. La sencillez de estos equipos supone una elevada fiabilidad de funcionamiento, unida a una gran simplicidad de mantenimiento y reparación, en caso de avería.

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