{"id":1502,"date":"2020-04-24T11:41:40","date_gmt":"2020-04-24T09:41:40","guid":{"rendered":"https:\/\/www.atecyr.org\/blog\/?p=1502"},"modified":"2021-06-11T10:05:08","modified_gmt":"2021-06-11T08:05:08","slug":"mejora-de-la-eficiencia-energetica-en-instalaciones-mediante-el-empleo-de-aerorefrigeradores-por-josue-ros-gil","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.atecyr.org\/blog\/2020\/04\/24\/mejora-de-la-eficiencia-energetica-en-instalaciones-mediante-el-empleo-de-aerorefrigeradores-por-josue-ros-gil\/","title":{"rendered":"Mejora de la eficiencia energ\u00e9tica en instalaciones mediante el empleo de aerorefrigeradores por Josu\u00e9 Ros Gil"},"content":{"rendered":"\n
\"\"<\/figure>
\n

Josu\u00e9 Ros Gil<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Responsable de Prescripci\u00f3n zona de Levante de Carrier Espa\u00f1a (Socio Protector de Atecyr)<\/p>\n\n\n\n

<\/p>\n<\/div><\/div>\n\n\n\n

Introducci\u00f3n<\/strong><\/p>\n\n\n\n

El dise\u00f1o de instalaciones t\u00e9rmicas se ha basado tradicionalmente en criterios prescriptivos y prestacionales. Debido a la actual coyuntura econ\u00f3mica y energ\u00e9tica, los aspectos de seguridad, funcionalidad y confort han pasado a complementarse con criterios de ahorro y eficiencia energ\u00e9tica. En este sentido, la utilizaci\u00f3n de aerorefrigeradores o dry-coolers como elemento de disipaci\u00f3n de calor alternativo a la compresi\u00f3n mec\u00e1nica est\u00e1 encontrando nuevas aplicaciones.<\/p>\n\n\n\n

En instalaciones de confort, aunque la utilizaci\u00f3n de dry-coolers como sistema de free-cooling indirecto es prescriptiva seg\u00fan la IT 1.2.4.5.1.3 del RITE, las temperaturas de operaci\u00f3n y las condiciones exteriores habituales limitan notablemente su aplicaci\u00f3n. Su uso queda reducido b\u00e1sicamente a ser foco auxiliar de disipaci\u00f3n de calor en plantas enfriadoras condensadas por agua cuando el foco principal no presenta demanda t\u00e9rmica.<\/p>\n\n\n\n

Aunque en numerosas aplicaciones industriales el empleo de aerorefrigeradores permite cubrir total o parcialmente las necesidades de enfriamiento de procesos con mayor eficiencia energ\u00e9tica que sistemas tradicionales, en numerosos casos no se han instalado, convirti\u00e9ndose en una posible medida de mejora.<\/p>\n\n\n\n

Este art\u00edculo describe aspectos b\u00e1sicos de los dry-coolers e ilustra, mediante un caso pr\u00e1ctico, ciertos condicionantes de dise\u00f1o, as\u00ed como ventajas energ\u00e9ticas y econ\u00f3micas obtenidas por el empleo de estos equipos.<\/p>\n\n\n\n

Generalidades sobre aerorefrigeradores<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Los aerorefrigeradores son intercambiadores de flujo cruzado formados por bater\u00edas refrigeradas por una corriente de aire forzada mediante ventiladores axiales. El fluido caloportador que circula por el interior de la bater\u00eda cede calor al aire ambiente por intercambio sensible.<\/p>\n\n\n\n

Por su geometr\u00eda podemos encontrarnos aeros horizontales o en \u201cV\u201d. Estos \u00faltimos permiten aumentar la superficie de intercambio en relaci\u00f3n con la huella ocupada por el equipo, adapt\u00e1ndose mejor en proyectos donde el espacio sea un factor limitante, o donde las potencias a disipar sean elevadas (Figura 1).<\/p>\n\n\n\n

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Figura 1: Aerorrefrigeradores horizontales y en \u201cV\u201d<\/em><\/strong><\/em><\/strong><\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

El control de capacidad para adecuar la potencia disipada a la demanda del proceso se realiza variando el caudal de aire que atraviesa la bater\u00eda por diferentes m\u00e9todos:<\/p>\n\n\n\n

  • Mediante etapas de ventilaci\u00f3n<\/li>
  • Regulaci\u00f3n de velocidad de motores AC con variador de frecuencia<\/li>
  • Regulaci\u00f3n de velocidad de motores EC<\/li><\/ul>\n\n\n\n

    Las bater\u00edas de los aeros pueden incorporar sistemas de nebulizaci\u00f3n para enfriamiento adiab\u00e1tico del aire. As\u00ed el equipo pasa a intercambiar con temperaturas inferiores a la temperatura seca del aire, consigui\u00e9ndose las siguientes ventajas:<\/p>\n\n\n\n

    • Se ampl\u00eda el rango de temperaturas de operaci\u00f3n, pudiendo llegar a cubrir el 100% del funcionamiento, haciendo innecesaria la planta enfriadora<\/li>
    • Se ampl\u00eda la capacidad del equipo, pudiendo funcionar para una potencia dada con menor caudal de aire y, por tanto, menor consumo en ventiladores y presi\u00f3n sonora<\/li>
    • Menor superficie de intercambio necesaria, permitiendo seleccionar equipos m\u00e1s peque\u00f1os y econ\u00f3micos<\/li><\/ul>\n\n\n\n

      Los sistemas adiab\u00e1ticos obligan a considerar ciertas precauciones en su dise\u00f1o para que el funcionamiento y durabilidad sea el deseado. Su correcta ejecuci\u00f3n pasa por el empleo de sistemas nebulizaci\u00f3n de alta presi\u00f3n, que permitan la evaporaci\u00f3n del agua y el consiguiente enfriamiento del aire, no mojando la bater\u00eda ni los componentes el\u00e9ctricos\/electr\u00f3nicos. Es importante utilizar agua de alta calidad qu\u00edmica (no incrustante ni corrosiva) y biol\u00f3gica (libre de microorganismos como Legionella<\/em>).<\/p>\n\n\n\n

      Es posible que sea interesante incorporar sistemas de tratamiento f\u00edsico-qu\u00edmico del agua. Si no se tienen en cuentas estas consideraciones, la instalaci\u00f3n puede presentar los siguientes problemas:<\/p>\n\n\n\n

      • Formaci\u00f3n de incrustaciones en la bater\u00eda, reduci\u00e9ndose el paso de aire y la capacidad de disipaci\u00f3n de calor<\/li>
      • Corrosi\u00f3n de la bater\u00eda, provocando reducci\u00f3n de la vida \u00fatil de este componente<\/li>
      • Proyecci\u00f3n de agua sobre componentes el\u00e9ctricos y electr\u00f3nicos con IP inadecuado<\/li>
      • Gasto excesivo de agua por dise\u00f1o incorrecto de la nebulizaci\u00f3n<\/li>
      • Posibles riesgos sanitarios por desarrollo de Legionella<\/em><\/li><\/ul>\n\n\n\n

        Todo ello, adem\u00e1s de reducir la capacidad operativa y la eficiencia de la unidad, puede provocar problemas de seguridad y fiabilidad, o aver\u00edas, reduciendo la vida \u00fatil del equipo.<\/p>\n\n\n\n

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        Figura 2: Esquema proceso con aerorrefrigerador adiab\u00e1tico<\/em><\/strong><\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

        Caso de estudio: refrigeraci\u00f3n de proceso en industria metal\u00fargica<\/strong><\/p>\n\n\n\n

        Se detecta la posibilidad de reducci\u00f3n del consumo el\u00e9ctrico en el proceso de disipaci\u00f3n de calor del circuito oleohidraulico de un equipo de extrusi\u00f3n de aluminio. Para ello se plantea la instalaci\u00f3n de un aerorrefrigerador en paralelo con la enfriadora existente de forma que el control determine, en funci\u00f3n de las condiciones exteriores, qu\u00e9 equipo debe disipar el calor bajo la premisa de minimizar coste energ\u00e9tico.<\/p>\n\n\n\n

        La instalaci\u00f3n planteada es de tipo indirecto, empleando agua como fluido calorportador, que intercambia calor a trav\u00e9s de un serpent\u00edn con el aceite de proceso (Figura 3).<\/p>\n\n\n\n

        \"\"
        Figura 3: Esquema proceso de disipaci\u00f3n de calor en industria metal\u00fargica<\/em><\/strong><\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

        Criterios de dise\u00f1o<\/em><\/strong><\/p>\n\n\n\n

        Un aspecto clave para dimensionar aerorefrigeradores secos es su \u201cacercamiento\u201d de dise\u00f1o, entendido como la diferencia de temperatura entre la salida del fluido calorportador del intercambiador y la temperatura seca ambiente. A mayor aproximaci\u00f3n (<dT), mayor es la superficie de intercambio necesaria para una misma potencia t\u00e9rmica, permitiendo disipar la carga en condiciones ambientales m\u00e1s extremas y siendo, por tanto, mayor el n\u00famero de horas de operaci\u00f3n del equipo.<\/p>\n\n\n\n

        La temperatura exterior de dise\u00f1o considerada corresponde a la del percentil m\u00e1s restrictivo (0,4%) dada por IDAE para la estaci\u00f3n clim\u00e1tica m\u00e1s pr\u00f3xima. Se incrementa dicho valor en 3K, siguiendo el esp\u00edritu de la IT 1.2.4.1.3.3 del RITE.<\/p>\n\n\n\n

        Se han estudiado 4 escenarios con diferentes acercamientos. Mediante simulaci\u00f3n horaria se determinar\u00e1 el ahorro de energ\u00eda obtenido en cada caso y el retorno de la inversi\u00f3n.<\/p>\n\n\n\n

        La Figura 4 muestra las frecuencias de las condiciones exteriores para las 8.760 h del a\u00f1o (en rojo). Sobre dicho diagrama se representan tambi\u00e9n las horas de operaci\u00f3n del aero dise\u00f1ado con un acercamiento de 5K (en amarillo) y las horas de funcionamiento de la planta enfriadora (en azul). Acercamientos mayores desplazar\u00edan la recta del l\u00edmite de enfriamiento con aero (en verde) hacia la derecha, aumentando el n\u00famero de horas de operaci\u00f3n del mismo.<\/p>\n\n\n\n

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        Figura 4: Condiciones de funcionamiento con acercamiento de dise\u00f1o 5K<\/em><\/strong><\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

        Equipos seleccionados<\/em><\/strong><\/em><\/p>\n\n\n\n

        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 \u201cV\u201d.<\/p>\n\n\n\n

        Para minimizar la inversi\u00f3n 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 regulaci\u00f3n de capacidad controlando los ventiladores por pares.<\/p>\n\n\n\n

        Simulaci\u00f3n energ\u00e9tica<\/em><\/strong><\/em><\/p>\n\n\n\n

        El modelo de simulaci\u00f3n considera las curvas de capacidad frigor\u00edfica-consumo el\u00e9ctrico de los aeros y de la planta enfriadora, en funci\u00f3n de la temperatura exterior (OAT). Se introduce tambi\u00e9n la curva de carga de la instalaci\u00f3n, que opera a pleno rendimiento de 8:00 a 19:00h todos los d\u00edas del a\u00f1o.<\/p>\n\n\n\n

        El modelo tiene en cuenta las 4 etapas de capacidad de los aeros seleccionados, secuenciadas por el sistema de control para adecuar la disipaci\u00f3n de calor a las demandas del proceso seg\u00fan las condiciones exteriores (Figura 5).<\/p>\n\n\n\n

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        Figura 5: Regulaci\u00f3n de capacidad dry-cooler Carrier 09PE<\/em><\/strong><\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

        La simulaci\u00f3n del caso base de la instalaci\u00f3n, considerando s\u00f3lo la planta enfriadora, durante las 4.015 h\/a\u00f1o de operaci\u00f3n muestra un consumo de 352.598 kWhe<\/sub>\/a\u00f1o, 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 (\u201cA\u201d) considerados.<\/p>\n\n\n\n

        Adise\u00f1o<\/sub><\/strong> (K)<\/strong><\/td>OATm\u00e1x<\/sub> aero (\u00baC)<\/strong><\/td>Fcto.<\/strong> aero<\/strong> (h\/a\u00f1o)<\/strong><\/td>Fcto. enfriadora (h\/a\u00f1o)<\/strong><\/td>Consumo aero+enfriadora (kWhe\/a\u00f1o)<\/strong><\/td>Ahorro<\/strong> energ\u00eda<\/strong> anual<\/strong><\/td>Ahorro<\/strong> A\u00f1o 0 (\u20ac)<\/strong><\/td>Inversi\u00f3n (\u20ac)<\/strong><\/td>PB simple (a\u00f1os)<\/strong><\/td><\/tr>
        5<\/td>29<\/td>3,721<\/td>294<\/td>95,517<\/td>73%<\/td>30,850<\/td>37,499<\/td>1.2<\/td><\/tr>
        7<\/td>27<\/td>3,401<\/td>614<\/td>112,372<\/td>68%<\/td>28,827<\/td>32,746<\/td>1.1<\/td><\/tr>
        9<\/td>25<\/td>3,129<\/td>886<\/td>129,696<\/td>63%<\/td>26,748<\/td>30,041<\/td>1.1<\/td><\/tr>
        11<\/td>23<\/td>2,797<\/td>1,218<\/td>159,464<\/td>55%<\/td>23,176<\/td>26,987<\/td>1.2<\/td><\/tr><\/tbody><\/table>
        Tabla 1: Resultado de simulaciones con diferentes acercamientos (A) de dise\u00f1o<\/em><\/strong><\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

        Conclusiones<\/em><\/strong><\/p>\n\n\n\n

        Se extraen las siguientes conclusiones:<\/p>\n\n\n\n

        1. Procesos de disipaci\u00f3n de calor con niveles t\u00e9rmicos medios en climatolog\u00edas c\u00e1lidas son compatibles con el empleo de aerorefrigeradores como elemento de enfriamiento durante un gran n\u00famero de horas al a\u00f1o.<\/li>
        2. El tiempo de operaci\u00f3n del aero depender\u00e1, adem\u00e1s de la climatolog\u00eda, del acercamiento de dise\u00f1o, de forma que mayores acercamientos (<dT) suponen mayor n\u00famero de horas de operaci\u00f3n. En el caso estudiado, con un acercamiento de 5K, el aero cubre el 93% de la demanda de la instalaci\u00f3n.<\/li>
        3. El incremento de inversi\u00f3n en el aero crece de forma lineal a medida que el acercamiento aumenta. En el ejemplo estudiado el incremento de inversi\u00f3n se amortiza r\u00e1pidamente por el aumento de ahorro obtenido, llegando a reducirse el consumo el\u00e9ctrico un 73% respecto al caso base (s\u00f3lo enfriadora).<\/li>
        4. La implementaci\u00f3n de variadores de frecuencia en motores AC, o el empleo de motores EC, permitir\u00eda mejorar los ahorros obtenidos, requiri\u00e9ndose simulaci\u00f3n energ\u00e9tica para cuantificarlos.<\/li>
        5. La incorporaci\u00f3n de sistemas de enfriamiento adiab\u00e1tico permitir\u00eda aumentar el dT aire-fluido calorportador, reduciendo el caudal de aire y por tanto el consumo el\u00e9ctrico, permitiendo adem\u00e1s incrementar el n\u00famero de horas de operaci\u00f3n. La cuantificaci\u00f3n de los ahorros adicionales requerir\u00eda simulaci\u00f3n horaria.<\/li>
        6. La sencillez de estos equipos supone una elevada fiabilidad de funcionamiento, unida a una gran simplicidad de mantenimiento y reparaci\u00f3n, en caso de aver\u00eda.<\/li><\/ol>\n\n\n\n

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