Forofrio Refrigeracion

Que son los aires acondicionados

2014-01-01T13:00:00.000-08:00

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Que son los aires acondicionados

En la antiguedad, los egipcios ya utilizaban sistemas y métodos para reducir el calor. Se utilizaba principalmente en el palacio del faraón, cuyas paredes estaban formadas por enormes bloques de piedra, con un peso superior a mil toneladas.

Durante la noche, tres mil esclavos desmantelaban las paredes y acarreaban las piedras al Desierto del Sahara. Como el clima desértico es extremoso y la temperatura disminuye a niveles muy bajos durante las horas nocturnas, las piedras se enfriaban notablemente.

Justo antes de que amaneciera, los esclavos acarreaban de regreso las piedras al palacio y volvían a colocarlas en su sitio. Se supone que el faraón disfrutaba de temperaturas alrededor de los 26° Celsius, mientras que afuera el calor subía hasta casi el doble.

Si entonces se necesitaban miles de esclavos para poder realizar la labor de acondicionamiento del aire, actualmente esto se efectúa fácilmente.

En 1842, Lord Kelvin inventó el principio del aire acondicionado. Con el objetivo de conseguir un ambiente agradable y sano, el científico creó un circuito frigorífico hermético basado en la absorción del calor a través de un gas refrigerante. Para ello, se basó en 3 principios:

El calor se transmite de la temperatura más alta a la más baja, como cuando enfriamos un café introduciendo una cuchara de metal a la taza y ésta absorbe el calor.
El cambio de estado del líquido a gas absorbe calor. Por ejemplo, si humedecemos la mano en alcohol, sentimos frío en el momento en que éste se evapora, puesto que absorbe el calor de nuestra mano.
La presión y la temperatura están directamente relacionadas. En un recipiente cerrado, como una olla, necesitamos proporcionar menor cantidad de calor para llegar a la misma temperatura que en uno abierto.

Un aparato de aire acondicionado sirve, tal y como indica su nombre, para el acondicionamiento del aire. Éste es el proceso más completo de tratamiento del ambiente en un local cerrado y consiste en regular la temperatura, ya sea calefacción o refrigeración, el grado de humedad, la renovación o circulación del aire y su limpieza, es decir, su filtrado o purificación.

En 1902, el estadounidense Willis Haviland Carrier sentó las bases de la refrigeración moderna y, al encontrarse con los problemas de la excesiva humidificación del aire enfriado, las del aire acondicionado, desarrollando el concepto de climatización de verano.

Por esa época, un impresor de Brooklyn, Nueva York, tenía serias dificultades durante el proceso de impresión, debido a que los cambios de temperatura y humedad en su taller alteraban ligeramente las dimensiones del papel, impidiendo alinear correctamente las tintas. El frustrado impresor no lograba imprimir una imagen decente a color.

Carrier, recién graduado de la Universidad de Cornell con una Maestría en Ingeniería, acababa de ser empleado por la Compañía Buffalo Forge, con un salario de 10 dólares semanales. El joven se puso a investigar con tenacidad cómo resolver el problema y diseñó una máquina que controlaba la temperatura y la humedad por medio de tubos enfriados, dando lugar a la primera unidad de aire acondicionado de la Historia.

El invento hizo feliz al impresor de Brooklyn, que por fin pudo tener un ambiente estable que le permitió imprimir a cuatro tintas sin ninguna complicación. El “Aparato para Tratar el Aire” fue patentado en 1906.

Aunque Willis Haviland Carrier es reconocido como el “padre del aire acondicionado”, el término “aire acondicionado” fue utilizado por primera vez por el ingeniero Stuart H. Cramer, en la patente de un dispositivo que enviaba vapor de agua al aire en las plantas textiles para acondicionar el hilo.

Las industrias textiles del Sur de los Estados Unidos fueron las primeras en utilizar el nuevo sistema de Carrier. Por ejemplo, la fábrica de Algodón Chronicle Mill en Belmont, Carolina del Norte, que tenía un gran problema. Debido a la ausencia de humedad, se creaba un exceso de electricidad estática, haciendo que las fibras de algodón se deshilacharan y fuera difícil tejerlas. El sistema Carrier elevó y estabilizó el nivel de humedad para acondicionar las fibras, resolviendo así la cuestión.

Debido a su calidad, un gran número de industrias se interesaron por el aparato de Carrier. La primera venta que realizó al extranjero fue en 1907, para una fábrica de seda en Yokohama, Japón.

En 1911, Carrier reveló su Fórmula Racional Psicométrica Básica a la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos. La fórmula sigue siendo hoy en día la base de todos los cálculos fundamentales para la industria del aire acondicionado.

El inventor dijo que recibió su “chispa de genialidad” mientras esperaba un tren. Era una noche brumosa y él estaba repasando mentalmente el problema del control de la temperatura y la humedad. Para cuando llegó el tren, ya había comprendido la relación entre temperatura, humedad y punto de condensación.

Las industrias florecieron con la nueva habilidad para controlar la temperatura y los niveles de humedad durante la producción. Películas, tabaco, carnes procesadas, cápsulas medicinales y otros productos obtuvieron mejoras significativas en su calidad gracias al aire acondicionado.

En 1915, entusiasmados por el éxito, Carrier y seis amigos ingenieros reunieron 32,600 dólares para formar la Compañía de Ingeniería Carrier, dedicada a la innovación tecnológica de su único producto, el aire acondicionado.

Durante aquellos años, su objetivo principal fue mejorar el desarrollo de los procesos industriales con máquinas que permitieran el control de la temperatura y la humedad. Por casi dos décadas, el uso del aire acondicionado estuvo dirigido a las industrias, más que a las personas.

En 1921, Willis Haviland Carrier patentó la Máquina de Refrigeración Centrífuga. También conocida como enfriadora centrífuga o refrigerante centrifugado, fue el primer método para acondicionar el aire en grandes espacios.

Las máquinas anteriores usaban compresores impulsados por pistones para bombear a través del sistema el refrigerante, a menudo amoníaco, tóxico e inflamable. Carrier diseñó un compresor centrífugo similar a las paletas giratorias de una bomba de agua. El resultado fue un enfriador más seguro y eficiente.

El nuevo sistema se estrenó en 1924 en la tienda departamental Hudson de Detroit, Michigan. Los asistentes a la popular venta de sótano se sentían mareados por el calor debido al pésimo sistema de ventilación, por lo que se instalaron tres refrigerantes centrifugados Carrier para enfriar el piso. Una multitud de compradores llenó “el almacén con aire acondicionado” y poco tiempo después fueron instalados aparatos en toda la tienda.

Su uso pasó de las tiendas departamentales a las salas de cine. La prueba de fuego se presentó en 1925, cuando el Teatro Rivoli de Nueva York solicitó a la joven empresa instalar un equipo de enfriamiento. Se realizó una gran campaña de publicidad, que provocó que se formaran largas colas de personas en la puerta del cine. Casi todas llevaban sus abanicos, por si acaso.

La película que se proyectó aquella noche fue olvidada, pero no el refrescante confort del aire acondicionado. La industria creció rápidamente. Muchos estadounidenses disfrutaron por primera vez la experiencia de no tener que sufrir en los cines por el calor, ya que los propietarios instalaron los equipos para incrementar la asistencia durante los cálidos y húmedos días de verano.

La industria creció rápidamente y cinco años después, alrededor de 300 salas de cine tenían instalado ya el aire acondicionado. El éxito fue tal, que inmediatamente se instalaron este tipo de máquinas en hospitales, oficinas, aeropuertos y hoteles.

En 1928, Willis Haviland Carrier desarrolló el primer equipo que enfriaba, calentaba, limpiaba y hacía circular el aire para casas y departamentos, pero la Gran Depresión en los Estados Unidos puso punto final al aire acondicionado en los hogares. Las ventas de aparatos para uso residencial no empezaron hasta después de la Segunda Guerra Mundial. A partir de entonces, el confort del aire acondicionado se extendió a todo el mundo.

El calor y el frío que sienten las personas no sólo dependen de la temperatura ambiental, sino también de la humedad y de la apropiada distribución del aire.

La climatización es el proceso de tratamiento del aire que controla simultáneamente su temperatura, humedad, limpieza y distribución para responder a las exigencias del espacio climatizado.

El calor es una forma de energía relacionada directamente con la vibración molecular. Cuando calentamos una sustancia, sus moléculas se mueven rápidamente, generando así una energía, el calor. Si la enfriamos, el movimiento molecular se detiene, bajando la temperatura.

La humedad se refiere a la cantidad de agua contenida en el aire y está directamente relacionada con la sensación de bienestar. El aire ambiente se controla para mantener la humedad relativa preestablecida mediante la humidificación o deshumidificación del aire ambiente.

Para obtener el confort deseado, es necesario que el aire sea distribuido y circule uniformemente por todo el recinto, sin producir corrientes desagradables.

Por último, la eliminación de las partículas de polvo es fundamental para la salud. Conseguir un adecuado filtrado de aire es una labor básica de un equipo de aire acondicionado.

Además de la comodidad que disfrutamos con el aire acondicionado en un día cálido y húmedo de verano, actualmente muchos productos y servicios vitales en nuestra sociedad dependen del control del clima interno, como los alimentos, la ropa y la biotecnología para obtener químicos, plásticos y fertilizantes.

El aire acondicionado juega un rol importante en la medicina moderna, desde sus aplicaciones en el cuidado de bebés y las salas de cirugía hasta sus usos en los laboratorios de investigación.

Sin el control exacto de temperatura y humedad, los microprocesadores, circuitos integrados y la electrónica de alta tecnología no podrían ser producidos. Los centros computacionales dejarían de funcionar.

Muchos procesos de fabricación precisa no serían posibles. El vuelo de aviones y de naves espaciales sería solo un sueño. Minerales valiosos no podrían ser extraídos desde la profundidad de la tierra y los arquitectos no podrían haber diseñado los enormes edificios que han cambiado la cara de las ciudades más grandes del mundo.

El aire acondicionado inventado por Willis Haviland Carrier ha hecho posible el desarrollo de muchas áreas tropicales y desérticas del mundo, que dependen de la posibilidad de controlar su medio ambiente.

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CAPACITORES

2014-01-01T12:47:00.003-08:00

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CAPACITORES

CAPACIDAD DE UN CONDUCTOR.

Cuando un conductor se carga, es decir, se le comunica una carga eléctrica, adquiere un cierto potencial, que depende de consideraciones geométricas (de su forma). Pues bien;
a la relación entre carga y potencial se le llama CAPACIDAD de ese conductor.

Podemos entonces definir una magnitud llamada CAPACITA NCIA o CAPACIDAD, como la relación entre la carga almacenada (Q) y la tensión a la que se encuentra (V)

Escribimos entonces:

C = Q / V

Un conductor que, con la misma carga que otro, adquiera menor potencial, tendrá más capacidad que el segundo, y viceversa.

La unidad de capacidad es el FARADIO. El faradio es una unidad tan sumamente grande que no resulta en absoluto práctica..

Los submúltiplos del Faradio son:

· El microfaradio (m F) = 0,000001 F. (10^-6 F )

· El nanofaradio (nF) = 0,000000001 F. (10^-9 F)

· El picofaradio (pF) = 0,000000000001 F. (10^-12 F)

Cuando se da la capacidad en "K", no quiere decir Kilofaradio, sino Kilopicofaradio (1000 picofaradios); y como 1000 picofaradios es igual a 1 nanofaradio, cuando alguien nos dice que un capacitor tiene 4K7, nos está diciendo que tiene 4,7 kilopicofaradio, que es lo mismo que decir 4,7 nanofaradio.

Recuerde: Los dispositivos que almacenan cargas eléctricas se denominan CAPACITORES.

En un Capacitor la relación carga / tensión es constante y se llama CAPACITANCIA, y su unidad es el Faradio.

Símbolos

TIPOS DE CAPACITORES:

CAPACITORES FIJOS

Estos capacitores tienen una capacidad fija determinada por el fabricante y su valor no se puede modificar. Sus características dependen principalmente del tipo de dieléctrico utilizado, de tal forma que los nombres de los diversos tipos se corresponden con los nombres del dieléctrico usado.

De esta forma podemos distinguir los siguientes tipos:

Cerámicos.
Plástico.
Mica.
Electrolíticos.
De doble capa eléctrica.

Capacitores cerámicos

El dieléctrico utilizado por estos capacitores es la cerámica, siendo el material más utilizado el dióxido de titanio. Este material confiere al capacitor grandes inestabilidades por lo que en base al material se pueden diferenciar dos grupos:

Grupo I: caracterizados por una alta estabilidad, con un coeficiente de temperatura bien definido y casi constante.

Grupo II: su coeficiente de temperatura no está prácticamente definido y además de presentar características no lineales, su capacidad varía considerablemente con la temperatura, la tensión y el tiempo de funcionamiento.
Las altas constantes dieléctricas características de las cerámicas permiten amplias posibilidades de diseño mecánico y eléctrico.

Las especificaciones de estos Capacitores son aproximadamente las siguientes:

· Capacitancias en la gama de 0,5 pF hasta 470 nF

· Tensión de trabajo desde 3 V. a 15.000 Volts o más.

· Tolerancia entre 1% y 5%

· Relativamente chicos en relación a la Capacitancia.

· Amplia banda de tensiones de trabajo.

· Son adecuados para trabajar en circuitos de alta frecuencia.

· Banda de tolerancia buena para aplicaciones que exigen precisión.

Capacitores cerámicos

Capacitores de plástico

Estos capacitores se caracterizan por las altas resistencias de aislamiento y elevadas temperaturas de funcionamiento.
Según el proceso de fabricación podemos diferenciar entre los de tipo k y tipo MK, que se distinguen por el material de sus armaduras (metal en el primer caso y metal vaporizado en el segundo).

Según el dieléctrico usado se pueden distinguir estos tipos comerciales:

KS: styroflex, constituidos por láminas de metal y poliestireno como dieléctrico.

KP: formados por láminas de metal y dieléctrico de polipropileno.

MKP: dieléctrico de polipropileno y armaduras de metal vaporizado.

MKY: dieléctrico de polipropileno de gran calidad y láminas de metal vaporizado.

MKT: láminas de metal vaporizado y dieléctrico de teraftalato de polietileno (poliéster).

MKC: makrofol, metal vaporizado para las armaduras y policarbonato para el dieléctrico.

A nivel orientativo estas pueden ser las características típicas de los capacitores de plástico:

TIPO	CAPACIDAD	TOLERANCIA	TENSION	TEMPERATURA
KS	2pF-330nF	+/-0,5% +/-5%	25V-630V	-55ºC-70ºC
KP	2pF-100nF	+/-1% +/-5%	63V-630V	-55ºC-85ºC
MKP	1,5nF-4700nF	+/-5% +/-20%	0,25KV-40KV	-40ºC-85ºC
MKY	100nF-1000nF	+/-1% +/-5%	0,25KV-40KV	-55ºC-85ºC
MKT	680pF-0,01mF	+/-5% +/-20%	25V-630V	-55ºC-100ºC
MKC	1nF-1000nF	+/-5% +/-20%	25V-630V	-55ºC-100ºC

Capacitores de mica

El dieléctrico utilizado en este tipo de capacitores es la mica o silicato de aluminio y potasio y se caracterizan por bajas pérdidas, ancho rango de frecuencias y alta estabilidad con la temperatura y el tiempo.

Capacitores electrolíticos

En estos capacitores una de las armaduras es de metal mientras que la otra está constituida por un conductor iónico o electrolito. Presentan unos altos valores capacitivos en relación al tamaño y en la mayoría de los casos son polarizados.

Podemos distinguir dos tipos:

Electrolíticos de aluminio: la armadura metálica es de aluminio y el electrolito de tetraborato armónico.
Electrolíticos de tántalo: el dieléctrico está constituido por óxido de tántalo y nos encontramos con mayores valores capacitivos que los anteriores para un mismo tamaño. Por otra parte las tensiones nominales que soportan son menores que los de aluminio y su costo es algo más elevado.

Las principales características de los capacitores electrolíticos son:

Capacitor electrolítico: Tiene polaridad, normalmente se marca el negativo con el signo - . El terminal negativo es el de menor longitud.

Hay que asegurarse de no conectar el capacitor entre dos puntos del circuito cuya tensión supere la máxima que soporta el capacitor.

- Capacitancia en la gama de 1uF a 220.000 uF.
- Tensiones de trabajo entre 2 y 1.000 V.
- Tolerancia entre –20% y +50%, generalmente.
- La corriente de fuga es relativamente alta o sea que la aislamiento no es excelente.
- Son polarizados, se debe respetar la polaridad.
- La capacidad aumenta a medida que el capacitor envejece.
- Tienen una duración limitada.
- La Capacitancia varía ligeramente con la tensión.
- Los capacitores electrolíticos no se usan en circuitos de alta frecuencia, se usan en circuitos de baja frecuencia, uso general y corriente continua.

Capacitores de doble capa eléctrica

Estos capacitores también se conocen como supercapacitores o CAEV debido a la gran capacidad que tienen por unidad de volumen. Se diferencian de los capacitores convencionales en que no usan dieléctrico por lo que son muy delgados. Las características eléctricas más significativas desde el punto de su aplicación como fuente acumulada de energía son: altos valores capacitivos para reducidos tamaños, corriente de fugas muy baja, alta resistencia serie, y pequeños valores de tensión.

CAPACITORES VARIABLES Y AJUSTABLES

Estos capacitores presentan una capacidad que podemos variar entre ciertos límites. Igual que pasa con las resistencias podemos distinguir entre capacitores variables, su aplicación conlleva la variación con cierta frecuencia (por ejemplo sintonizadores); y capacitores ajustables o trimmers, que normalmente son ajustados una sola vez (aplicaciones de reparación y puesta a punto).
La variación de la capacidad se lleva a cabo mediante el desplazamiento mecánico entre las placas enfrentadas. La relación con que varían su capacidad respecto al ángulo de rotación viene determinada por la forma constructiva de las placas enfrentadas, obedeciendo a distintas leyes de variación, entre las que destacan la lineal, logarítmica y cuadrática corregida.

Capacitor Ajustable: Trimmer Capacitor Variable: Tandem

Ambos Capacitores poseen dieléctrico de aire.

IDENTIFICACIÓN DE CAPACITORES

Vamos a disponer de un código de colores, cuya lectura varía según el tipo de condensador, y un código de marcas, particularizado en los mismos. Primero determinaremos el tipo de condensador (fijo o variable) y el tipo concreto dentro de estos.
Las principales características que nos vamos a encontrar en los capacitores van a ser la capacidad nominal, tolerancia, tensión y coeficiente de temperatura, aunque dependiendo de cada tipo traerán unas características u otras.
En cuanto a las letras para la tolerancia y la correspondencia número-color del código de colores, son lo mismo que para resistencias. Debemos destacar que la fuente más fiable a la hora de la identificación son las características que nos proporciona el fabricante.

Capacitores cerámicos tipo placa, grupo 1 y 2.

Capacitores cerámicos tipo disco, grupo 1.

Capacitores cerámicos tipo disco, grupo 2.

Capacitores cerámicos tubulares.

CÓDIGO DE COLORES

CÓDIGO DE MARCAS

Capacitor de 100 nF con diferentes códigos Capacitor de 22 nF con diferentes códigos.

Capacitores de plástico.

CÓDIGO DE COLORES

CÓDIGO DE MARCAS

Capacitores electrolíticos

Estos capacitores siempre indican la capacidad en microfaradios y la máxima tensión de trabajo en voltios. Dependiendo del fabricante también pueden venir indicados otros parámetros como la temperatura y la máxima frecuencia a la que pueden trabajar.
Tenemos que poner especial atención en la identificación de la polaridad. Las formas más usuales de indicación por parte de los fabricantes son las siguientes:

Capacitores de tantalio

Actualmente estos capacitores no usan el código de colores (los más antiguos, si). Con el código de marcas la capacidad se indica en microfaradios y la máxima tensión de trabajo en voltios. El terminal positivo se indica con el signo +:

Estos capacitores electrolíticos de tantalio, tienen un costo más elevado, debido a que poseen mejores características y tienen mayor precisión y estabilidad.

LECTURA DE CONDENSADORES

Uno de los mayores problemas entre los principiantes en el área de la electrónica, sin duda es la lectura del "enigmático" mundo de los capacitores. Ya hemos vistos como muchos montajes han sido afectados por este inconveniente que ocaciona aveces un mal funcionamiento debido justamente a la utilización de valores errados en capacitores cerámicos, y todo gracias a la mala lectura de sus códigos.

En la lectura de valores de capacitores se usan diferentes submúltiplos de la unidad básica denominada Farad (F) la cual es la unidad de capacidad.

Los submúltiplos más comúnes son:

- El microfarad (uF) equivalente a la millonésima parte de un Farad, es decir, 10^-6F (0.000001 F).

- El nanofarad (nF) equivalente a la billonésima parte de un Farad, es decir, 10^-9F (0.000000001 F).

- El picofarad (pF) equivalente a la trillonésima parte de un Farad, es decir, 10^-12F (0.000000000001 F).

Para convertir una unidad en otra podemos consultar la siguente tabla:

Para convertir	en	multiplique por:
microfarad	nanofarad	1000
nanofarad	picofarad	1000
microfarad	picofarad	1 000 000
nanofarad	microfarad	0.001
picofarad	nanofarad	0.001
picofarad	microfarad	0.000 001

Los capacitores cerámicos, de poliéster y de polipropileno pueden venir en capacidades que van desde 1 pF hasta 1 uF. Existen varios tipos de marcación sobre la superficie del capacitor.

En capacitores con valores pequeños, el valor dado sería en picofarads y va desde 1 pF hasta 4700pF. Ej.:

Fig. (a)	Fig. (b)	Fig. (c)

47pF - 5%

4.7 pF - 20%

4700 pF - 100%

La "letra" representa la tolerancia, pero debemos tener cuidado con la letra k, pues en este caso la "K" mayúscula significa "kilo" o x 1000.

Letra	Tolerancia
F	1%
H	3%
k	10%
S	+50%/-20%
P	+100%/-0%
G	2%
J	5%
M	20%
Z	+80%/-20%

En algunos capacitores aveces se consiguen letras adicionales referidas a características de temperatura y variación máxima de capacidad.

Estas características normalmente se representan con tres letras y estan debajo de la capacidad.

Hay otras formas posibles de marcado de capacidad en un capacitor cerámico, por ejemplo usted puede conseguir la expresión directa del valor seguido de la letra "n" la cual indíca el submúltiplo nanofarad. La letra seguida a la "n" es la tolerancia. Por ejemplo, 22nZ sería 22 nanofarad y 80% de tolerancia, aveces podemos conseguir seguido de este valor otro que indíca la tensión de trabajo del capacitor, por ejemplo 50V (fig. d).

Fig. (d)	Fig. (e)	Fig. (f)

22 nF - 1%

0.01 uF 32 Voltios

0.05 uF 50 Voltios

El código más confuso para los lectores es el de tres cifras (figuras g, h, i). Para esta configuración la tercera cifra indica la cantidad de ceros que debemos agregar o lo que es lo mismo, el factor de multiplicación. Por ejemplo, para la fig. (g) el valor corresponde a 220000 pF. Para la fig. (h) el valor es 100000 pF. Para la fig. (i) el valor es 3300 pF.

Fig. (g)	Fig. (h)	Fig. (i)

220000 pF - 80%

100000 pF - 80%

3300 pF

ASOCIACION DE CAPACITORES

Los capacitores se pueden conectar en serie, en paralelo o en asociación mixta.

Asociación de capacitores en serie.

Si, del negativo de la batería, fluyen hacia la armadura de la derecha, por ejemplo, tres electrones, estos inducen en la placa enfrentada a ella tres cargas positivas, es decir, la abandonan tres electrones, que irán a parar a la armadura siguiente, que, a su vez, inducirá una carga de +3 en la siguiente, étc.
La conclusión final es que la CARGA que adquieren los capacitores es LA MISMA para todos.

q₁ = q₂ = q₃ = q

Las DIFERENCIAS DE POTENCIAL, en cambio, al estar en serie se SUMAN, y dicha suma será igual al potencial V de la batería.

V = V₁ + V₂ + V₃

Teniendo en cuenta que la relación entre la carga q y la tensión V de un condensador es su capacidad C

C = q / V

diremos que el potencial V que adquiere un condensador es:

V = q / C

por lo que diremos que en nuestro circuito tendremos:

V₁ = q₁ / C₁

V₂ = q₂ / C₂

V₃ = q₃ / C₃

pero como ya hemos dicho que:

V = V₁ + V₂ + V₃ = q₁ / C₁+ q₂ / C₂+ q₃ / C₃

como quiera que las cargas de los tres capacitores en serie es la misma q = q₁ = q₂ = q₃

V = q x[ 1/ C₁+ 1 / C₂+ 1 / C₃]

por lo que:

V / q = 1/ C_T= 1/ C₁+ 1 / C₂+ 1 / C₃

Asociación de capacitores en paralelo.

En este caso, lo que es igual para todos los capacitores es, obviamente, la DIFERENCIA DE POTENCIAL, impuesta por el generador.

V = V₁ + V₂ + V₃

En cambio, la CARGA TOTAL entregada por este debe ser igual a la SUMA de las cargas almacenadas en los capacitores

q_T = q₁ + q₂ + q₃

Como quiera que q = C x V y V = V₁ + V₂ + V₃ tendremos para cada uno de los capacitores:

q₁ = C₁x V

q₂ = C₂x V

q₃ = C₃x V

Así pues:

q_T = q₁ + q₂ + q₃ = C₁x V + C₂x V + C₃x V = V x ( C₁+ C₂ + C₃)

q_T / V = C_T = C₁+ C₂ + C₃

CAPACIDAD DE UN CONDUCTOR

Cuando un conductor se carga, es decir, se le comunica una carga eléctrica, adquiere un cierto potencial, que depende de consideraciones geométricas ( de su forma). Pues bien;
a la relación entre carga y potencial se le llama CAPACIDAD de ese conductor.

C = Q / V

Un conductor que, con la misma carga que otro, adquiera menor potencial, tendrá más capacidad que el segundo, y viceversa.

La unidad de capacidad es el FARADIO. El faradio es una unidad tan sumamente grande que no resulta en absoluto práctica..

Los submúltiplos del Faradio son:

· El microfaradio (m F) = 0,000001 F. (10^-6 F )

· El nanofaradio (nF) = 0,000000001 F. (10^-9 F)

· El picofaradio (pF) = 0,000000000001 F. (10^-12 F)

Cuando se da la capacidad en "K", no quiere decir Kilofaradio, sino Kilopicofaradio (1000 picofaradios); y como 1000 picofaradios es igual a 1 nanofaradio, cuando alguien nos dice que un condensador tiene 4K7, nos está diciendo que tiene 4,7 kilopicofaradio, que es lo mismo que decir 4,7 nanofaradio.

En algunos textos antiguos se representa el picofaradio (pF) como mmF (micro-microfaradio).

CONDENSADORES

Es sabido que cargas del mismo signo se repelen, y de signo contrario se atraen. Debido a ello, un conductor puede cargarse por influencia de otro, como indica la figura:

FIG. 1

Aproximando al conductor A, (previamente cargado con carga positiva), el conductor B (descargado, es decir que sus cargas negativas son las mismas que las positivas), las cargas negativas de éste se ven atraídas por el potencial positivo del A, concentrándose éstas en el extremo izquierdo. Esta "fuga" de cargas negativas hacia el lado izquierdo deja el extremo derecho cargado positivamente.

FIG. 2

Si el conductor B, en vez de estar aislado, como en la figura 1, estuviera conectado a tierra, como en la figura 2, la carga positiva del extremo derecho se descargaría a tierra (es decir, fluirían electrones de tierra al conductor B, neutralizando su carga positiva, con lo que dicho conductor B quedaría cargado negativamente.

Este es el principio del CONDENSADOR: dos conductores próximos, llamados armaduras, separados por un dieléctrico (aislante).

Este conjunto, sometido a una diferencia de potencial V, adquiere en cada armadura una carga Q, lo que supone la existencia de una capacidad

C = Q / V

Esta capacidad se denomina CAPACIDAD DEL CONDENSADOR, que es mayor que la que posee un solo conductor.

Los condensadores se utilizan para almacenar carga eléctrica.

CAPACIDAD DE UN CONDENSADOR PLANO

El condensador plano está formado, como se ve en la figura 3, por dos armaduras metálicas (A y B) cada una con una superficie S, separadas por un dieléctrico (que puede ser aire u otro) de espesor d y constante dieléctrica e. Cuando se trata del aire, la constante dieléctrica es e_o). La capacidad resulta ser:

C = e x S / d

Lo que quiere decir que:

· cuanto más alta se la constante dieléctrica e (también llamada permitividad dieléctrica) mayor será la capacidad.

· cuanto más superficie S tengan las armaduras mayor capacidad

· cuanto más separadas (d más grande) estén las armaduras, menor capacidad

FIG. 3

TIPOS DE CONDENSADORES. LIMITACIONES. CODIGO DE COLORES

Se diferencian unos condensadores de otros por el dieléctrico. Así, hay condensadores de aire, papel, mica, styroflex, electrolíticos, tantalio, policarburo, cerámicos.
Por la forma exterior: tubulares, cilíndricos, planos, de lenteja, de perla, pin-up, pasachasis.
Hay además otra clasificación: fijos, variables y ajustables.
Condensadores fijos son aquellos cuya capacidad se fija en fábrica. Hay ocasiones en que se precisan condensadores cuya capacidad pueda ser regulada. Cuando disponen de un mando mecánico fácilmente accesible para tal fin, se llaman variables. Condensadores ajustables son un tipo especial de condensadores variables, generalmente de pequeña capacidad, cuyo mando mecánico es menos manejable, ya que, una vez ajustados no suelen volverse a retocar. Incluso se fija el ajuste por medio de una gota de lacre o cera. Se les llama generalmente padders y trimmers.
Para conseguir que un condensador se de capacidad variable, se puede hacer que varie cualquiera de las tres magnitudes de la que depende la capacidad como son: la superficie enfrentada de sus armaduras, la separación entre ellas o el dieléctrico (permitividad). Generalmente se varia la superficie, enfrentando más o menos las armaduras, por medio de un mando giratorio, aunque algunos padders varían la distancia.

LIMITACIONES

En un condensador, las armaduras están separadas por un aislante, lo que imposibilita el paso de la corriente eléctrica (excepto en casos particulares, como se verá más adelante). No obstante, no existe el aislante perfecto; por tanto, todo condensador llevará asociada una RESISTENCIA DE FUGAS, que dará idea de su mayor o menor calidad. Será tanto mejor cuanto menos fugas o pérdidas tenga (cuanto mayor sea su resistencia de fugas). Esta orientación se suele dar por medio de la TANGENTE DEL ANGULO DE PERDIDAS, cuyo concepto se ampliará en el estudio de la corriente alterna.

De otro parte, el grosor del dieléctrico condicionará la máxima tensión que puede soportar el condensador entre sus armaduras antes de que se perfore el mismo (la perforación se produce cuando salta una chispa entre las armaduras; una característica de cada aislante en particular es su campo de ruptura, expresado en tensión / distancia; por ejemplo, el campo de ruptura del aire seco es de unos 30000 V/cm. Esto quiere decir que para que salte una chispa a 1 cm. de distancia se necesita una diferencia de potencial de 30000 voltios. Por lo tanto, el espesor y tipo de dieléctrico determinarán la máxima tensión admisible). Esta orientación, para cada condensador en particular, nos la proporciona el fabricante, indicándonos cuál es su TENSIÓN DE TRABAJO.

Las variaciones de temperatura alteran el comportamiento del dieléctrico, de tal manera que la capacidad varía, aunque poco, con la temperatura. En aplicaciones en las que se requiera alta precisión habrá que tener este punto en consideración. Así pues, otra característica de un condensador es, el COEFICIENTE DE TEMPERATURA, que expresa la variación relativa de la capacidad sobre su valor nominal a temperatura ambiente por cada grado de temperatura.

En los condensadores ELECTROLITICOS, debido al proceso químico de formación del dieléctrico, habrá que considerar, además, que tienen POLARIDAD: el polo positivo del condensador debe ir conectado al positivo del circuito y, el negativo, al negativo del circuito.

CODIGO DE COLORES EN LOS CONDENSADORES

Al igual que ocurría con los resistores, algunos tipos de condensadores llevan su valor impreso en la envoltura (principalmente los electrolíticos y los cilíndricos), pero la mayoría utilizan un código de colores que, en lo que se refiere al valor de la capacidad (expresada en PICOFARADIOS, como ya se dijo) y a la tolerancia, sigue el mismo criterio que aquellos. Algunos condensadores de alta calidad llevan, además, otras franjas de color para expresar el COEFICIENTE DE TEMPERATURA y la TANGENTE DEL ANGULO DE PERDIDAS, según un determinado código.

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Generalidades Climatización

2014-01-01T12:44:00.003-08:00

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Generalidades Climatización

Tanto para obtener calor como frío, las necesidades térmicas de un edificio son similares. La climatización de un ambiente considera de forma indistinta la generación de frío o calor.
Cuando tratamos el enfriamiento, la unidad es la frigoría.
En el caso de generación de calor, la unidad es la kilocaloría.
En principio deben considerarse una serie de factores que inciden en la temperatura interior, tales como las condiciones de aislamiento térmico, la orientación del edificio.
Para el estudio de la refrigeración tendrán que considerarse ciertos aspectos que inciden para la elección del sistema y el cálculo correspondiente; veamos cuales son:

Radiación Solar

La energía solar ingresa por radiación dentro del edificio penetrando por ventanas y cristaleras; ello genera una gran cantidad de calor que se eliminará mediante refrigeración. Para controlar estas radiaciones, se puede contar con cortinas exteriores y parasoles, destinadas a atenuar el paso de luz y calor.
Para refrigerar un edificio, siempre costará más enfriar una fachada orientada al sur en verano (aunque en invierno será más cálido y agradable, fácil de entibiar por la influencia de la radiación solar).

Iluminación Interior

Las luminarias no solo producen luz, sino también calor; por ello debe tenerse en cuenta este aspecto.

Ocupación por Superficie

También las personas desprenden calor, por esta razón se debe diferenciar entre un auditorio o un cine, donde puede reunirse una gran cantidad de personas por m², muy diferente de una sala de exposiciones, por ejemplo.
Ciertos parámetros inciden negativamente para la refrigeración de espacios en verano, pero ayudan para calefaccionar en invierno.
Teniendo en cuenta todos estos datos, y otros más, de acuerdo a las características del edificio y al destino, podrá efectuarse el cálculo de necesidades térmicas.

Circuito Térmico

Un sistema de climatización funciona moviendo el calor entre el ámbito interior y el exterior. En verano extraen calor del interior hacia el exterior, y en invierno extraen calor del exterior para introducirlo al interior. Por ello, ese movimiento, lo realizan bombas de calor.
Básicamente un circuito térmico esta compuesto de tres elementos:

La unidad evaporadora.
La unidad condensadora.
El fluido térmico.

Condensación y Evaporación

Cuando un líquido pasa al estado gaseoso, absorbe calor. De esta manera reacciona el cuerpo humano para refrigerarse, cuando la temperatura ambiente se eleva, las glándulas sudoríparas expelen sudor, éste se evapora porque se calienta al contacto con la piel, y es entonces que pasa al estado gaseoso por evaporación.
En un sistema de refrigeración, el fluido térmico circula a presión (por lo general es una mezcla de gases con porcentaje mayor de gas freón). En el momento en que el fluido llega a la Unidad Evaporadora Interior, disminuye su presión, pasando del estado líquido al gaseoso y absorbiendo calor del recinto.
Con la ayuda de una bomba, el gas de la instalación circula hasta la Unidad Exterior donde será sometido a presión por un compresor, para expulsar el calor adquirido antes.

Inversión del Proceso (Reversibilidad)

Casi todas estas bombas admiten la inversión del proceso, de manera que pueden realizar la evaporación en el exterior y la condensación en el interior.
A éstas bombas se las denomina Bombas de Calor, las cuales pueden transmitir calor del ambiente hacia el ámbito acondicionado.
Pero, por debajo de los 4ºC en el exterior, estas bombas presentan problemas de rendimiento por efecto de la condensación y la escarcha; motivo por el cual no son adecuadas en climas continentales donde las temperaturas alcanzan marcas bajo cero.

Sistemas de Generación de Aire Acondicionado

Equipos compactos: constan de una sola unidad
Equipos partidos: formados por dos o más unidades.

Equipos Unitarios: equipos independientes en cada dependencia con descarga directa de frío o calor.
Equipos Individuales: un solo equipo atiende al conjunto del local con descarga indirecta a través de una red de conductos de aire.

La mayor parte de los modelos que se indican, se fabrican con o sin incorporación de Bomba de Calor.

Equipos Autónomos

Los equipos autónomos, individuales, son los más antiguos. Su colocación se realiza en muros y ventanas, con la cara interna con comandos en el interior del edificio y otra que queda al exterior; con el inconveniente de tener que perforar las paredes para su instalación o disminuir la entrada de luz al ubicarlo en ventana.
En ese equipo está integrada la unidad evaporadora (interior) y la unidad condensadora (al exterior). Generalmente estos aparatos solo dan frío (aunque existen frío-calor) y sirven para el acondicionamiento de una sola habitación por su bajo rendimiento.
Su gama de potencias va desde los 2.000 a los 7.000 W, con una potencia eléctrica demandada de 900 -

Equipos Partidos

Split o Multi-Split

Este sistema suele utilizarse en pequeños comercios, viviendas o despachos.
Estos equipos poseen una unidad evaporadora al interior y otra condensadora que se sitúa al exterior, las mismas se conectan por tuberías que contienen fluido térmico.
El hueco necesario para unir la unidad interior y la exterior es muy pequeño. Así, un hueco de menos de 10 cm de diámetro es suficiente para pasar los dos tubos del refrigerante, el tubo de condensación de la unidad evaporadora y el cable de conexión eléctrica.
La unidad interior tiene un ventilador que sirve para impulsar el caudal de aire enfriado directamente al ambiente; ésta se instala en la pared o empotrada en falso techo.
La unidad exterior tiene el compresor y es la parte que posee la maquinaria más pesada; por lo general se ubica en el exterior del edificio sobre la pared o apoyada en el suelo de balcones o patios, de este modo no se trasmiten las vibraciones por la pared a la estructura del edificio.
La gama de potencias es la siguiente:
Refrigeración: 2.300 - 7.500 W (potencia eléctrica: 1.000 - 3.000 W) Calefacción: 2.500 - 8.000 W (potencia eléctrica: 1.000 - 2.900 W).
Si se requiere mayor potencia,se recurre a otros sistemas.

Equipo Partido Individual

Es también un equipo de descarga indirecta, mediante red de conductos y emisión de aire a través de rejillas en pared o difusores en techo. Al igual que los equipos partidos unitarios, está formado por dos unidades: el compresor y el condensador se sitúan en la unidad exterior, mientras que la unidad evaporadora se instala en el interior, conectada a la red de conductos. Ambas unidades se conectan mediante las líneas de refrigerante. Como en el caso anterior, se suele instalar un equipo para toda la vivienda o local. El control es individual por equipo y se realiza de acuerdo con las condiciones de confort de la dependencia más representativa. Para asegurar una correcta ventilación de los espacios acondicionados, la unidad interior precisa una toma de aire exterior. Esta unidad suele ser, en general, de tipo horizontal, para facilitar su colocación oculta por un falso techo. Su gama de potencias es similar al caso anterior.

Equipo Compacto Individual

El equipo compacto individual es un equipo de descarga indirecta, mediante red de conductos y emisión de aire a través de rejillas en pared o difusores en techo.
Generalmente se instala un equipo para toda la vivienda o local.
El control es individual por equipo y, en locales divididos, se realiza de acuerdo con las condiciones de confort de la dependencia más representativa (la de mayores necesidades de frío o calor).
El equipo necesita una toma de aire exterior, por lo cual suele situarse próximo a un cerramiento del local (fachada o cubierta); interiormente se puede colocar en un falso techo o en un armario.
Existen modelos horizontales y verticales adaptados a las posibilidades de instalación.
La gama de potencias es:
Refrigeración: 7.000 - 17.000 W (potencia eléctrica: 3.000 - 7.000 W).
Calefacción: 7.500 - 18.000 W (potencia eléctrica: 3.000 - 6.500 W).

Multievaporadores

Los multievaporadores son equipos partidos que cuentan con una unidad exterior y varias unidades interiores funcionando al mismo tiempo.
Estos sistemas pueden llegar a potencias del orden de las 25.000 frigorías, aunque lo usual es que lleguen a 10.000.
Poseen una gran capacidad de regulación ya que cada unidad interior tiene control individual. Tal es el grado de independencia, que una unidad puede estar dando frío y otra calor, ya que la unidad externa comanda y maneja el flujo de calor al sistema.
El mayor inconveniente es que requiere de personal especializado para su instalación ya que es compleja, además es un sistema de alto coste.

Instalaciones Centralizadas

Las instalaciones centralizadas tienen un sector del sistema ubicado en el exterior, por lo general en la parte más alta del edificio (cubierta, azotea) y desde allí, su distribución por los ambientes del edificio.
Este tipo de instalaciones responden a diseños donde deben servirse a grandes superficies como por ejemplo centros comerciales, grandes tiendas, etc.
Las plantas exteriores tienen las unidades evaporadoras y condensadoras integradas, desde donde parte un entramado de tubos, los conductos de fluido térmico (aire, agua o gas).
Esta es una instalación que requiere un estudio donde deberá considerarse:

Peso de la Instalación:

Las unidades exteriores pueden superar los 300 kg , deben ser aisladas de las superficies de las cubiertas, instaladas sobre bancadas con una estructura que no transmita las vibraciones.

Vibraciones y Ruidos:

De no ser modelos que cuenten con corrección acústica de fábrica, debe preverse un apantallamiento para aislar del ruido a las viviendas aledañas.

Aspecto Estético:

La ubicación del equipo en la cubierta debe ser contemplada por su impacto estético. Pueden instalarse pantallas decorativas que oculten dichos equipos.

Tuberías de Distribución:

Los tubos de fluido deben disponerse en sitios proyectados a tal fin, que permitan su correcta instalación y la posibilidad de acceder a personal técnico para su mantenimiento.
Estas tuberías atraviesan todas las plantas desde su parte más alta hasta el sótano. Pueden aprovecharse estos pasos de instalaciones para fontanería o líneas eléctricas, aunque es preferible dejarlos previstos en la fase de proyecto.

Acondicionador de Aire Portátil

Es un equipo unitario, compacto o partido, de descarga directa y transportable de un lugar a otro.
Para su instalación sólo requiere una sencilla abertura en el marco o el cristal de la ventana o balcón. Resuelve de forma adecuada las necesidades mínimas de acondicionamiento, generalmente frío, en pequeñas estancias.
Su gama de potencias es la siguiente: Refrigeración: 1.600 - 3.800 W (potencia eléctrica: 700 - 1.700 W) Calefacción: 2.500 - 3.500 W (potencia eléctrica: 1.000 - 1.300 W)

Distribución de Fluidos: Sistemas

Veamos los distintos sistemas de distribución:

Distribución por Agua

Cuando la unidad evaporadora está en el exterior, y su planta integrada en la cubierta, el frío se distribuye mediante tuberías de agua. Estas unidades se denominan Fan-Coil.
La unidad evaporadora produce agua fría, de transporte mas sencillo; las tuberías de agua fría circulan hasta unidades interiores de disipación, en donde un ventilador impulsa el aire entre los conductos que la contienen. Así el aire se enfría, trasmitiendo el calor al agua que en su circuito retorna a la unidad evaporadora.

Distribución por Gas

El transporte de calor entre la unidad evaporadora y la condensadora se realiza por medio de tuberías de gas. Dichas tuberías por lo general son de cobre y se encuentran aisladas en todo su recorrido con espumas elastoméricas para no ceder calor o frío a los materiales y ambientes por donde discurre.

Distribución por Aire

Este es uno de los sistemas más difundidos: distribución de frío o calor por aire.
Desde la unidad térmica, generadora de frío, con la ayuda de un ventilador, se impulsa el aire por un sistema de conductos que llegan a distintos ambientes. Por lo general, discurren disimulados por falso techo.
Estos conductos son de material aislante para mantener la temperatura hasta llegar al punto de servicio. En edificios los conductos se realizan con paneles de fibra de vidrio, recubiertos de papel aluminio para impedir la pérdida de fibras.
En construcciones industriales o aparcamientos, se realizan en chapa de acero galvanizado con recubrimiento interno de fibra de vidrio.
Esta distribución se efectúa por la entrada del aire en las habitaciones mediante rejillas llamadas difusores, cuya función es distribuirlo de manera uniforme para que no enfoque directamente sobre las personas.
La velocidad de salida no supera los 0,25 m/s. Cuanto mayor es la velocidad, más ruidosa resulta, además no conviene ya que puede afectar la salud de las personas (puede originar catarros o contracturas musculares). El aire impulsado entonces retorna a la máquina cerrando el circuito.
Para retorno se instalan rejillas de retorno en sitios estratégicos para conseguir un buen barrido del volumen refrigerado.
Antes de volver a ser impulsado, el aire se filtra pues regresa sucio por elementos en suspensión, humo de tabaco y otros elementos contaminantes. Estos filtros requieren ser limpiados periódicamente.
Es importante el aporte de aire exterior al sistema para lograr una buena calidad de aire en circulación dentro de los ambientes, como mínimo un aporte del 10%.

Composición del Aire

La composición volumétrica del aire puro se establece dentro de los siguientes parámetros:

Oxígeno ................... 20,99%

Anhídrido Carbónico... 0,44%

Nitrógeno ................. 78,03%

Vapor de Agua ......... variable

Otros Gases ............ 0,04%

Tener en Cuenta

Cualquier instalación de aire acondicionado total debe contemplar las condiciones enunciadas a continuación:

Temperatura ambiente (calefacción y refrigeración).

Contenido de humedad ambiental.

Circulación del aire.

Filtrado del aire.

Ventilación (por aporte de aire exterior).

La eficiencia de una instalación de aire acondicionado depende del criterio de elección de los equipos y el diseño de la instalación.
Como guía para una buena elección y correcta aplicación, enunciamos los siguientes factores:

Tipo de local y destino del mismo.

Características del ambiente natural.

Instalaciones existentes de ventilación.

Arquitectura, características.

Costos.

Por lo expuesto vemos que en estas instalaciones deben considerarse no solo las necesidades generales de cada local, por sus dimensiones, orientación, destino, etc., sino que también han de tenerse en cuenta las condiciones de cerramiento.
Frente a estas variables existen ciertas deficiencias en las instalaciones centralizadas que envían el aire en condiciones similares para todo el edificio.
En estos casos deben proponerse soluciones denominadas multizonas.
Realizando instalaciones independientes de acuerdo a cada zona en particular y enviando aire o agua a ellas en las condiciones exigidas para su confort.
En instalaciones no centralizadas (individuales) se recurre a unidades compactas de distintos tipos, condensadas por agua o aire, distribuyendo el aire con un sistema similar a la calefacción por aire caliente.

Condensación

Al hacer circular el aire por unas tuberías más frías que éstas, el vapor de agua contenido en el aire, se condensa en la superficie de las tuberías. Esto sucede en las unidades evaporadoras cuando se genera frío.
El agua que aparece entonces, debe evacuarse en forma adecuada contamplándose en estos casos un desagüe para cada unidad.
En épocas invernales también se producirá condensación en el exterior de las unidades condensadoras. Por este motivo, se proveen conexiones a los desagües pluviales del edificio a fin de evitar daños a la cubierta.

Humedad

Uno de los componentes del aire es el vapor de agua; aunque su peso no supera el 5% del aire, las variaciones de humedad pueden influir en la salud de las personas.
Los sistemas de climatización siempre deben controlar el contenido de humedad ambiente, que deberá ser lo suficientemente alta.

Temperatura

En trabajo sedentario, la temperatura adecuada para el ambiente es de aproximadamente 21ºC en invierno y 24ºC en verano. Estos límites deberán ser respetados para no consumir más energía de la debida y para que los equipos puedan funcionar correctamente.

Síndrome del Edificio Enfermo

La calidad de aire es de radical importancia para lograr ambientes climatizados sanos.
Cuando la ventilación es insuficiente o los filtros no funcionan correctamente, o no se limpian peródicamente, la calidad del aire disminuye, se enrarece, y las personas que permanecen en esos ambientes pueden contraer enfermedades respiratorias, alergias, erupciones cutáneas y problemas oculares.

Composición de Instalaciones de Aire Acondicionado

Las Instalaciones de Aire Acondicionado funcionan a partir de dos elementos que la integran:
1) La Central Frogorífica o Calorífica: son las unidades o sistemas productores de frío y calor;
2) El Sistema Impulsor de Aire.

Instalación Centralizada de Enfriamiento

En las Instalaciones Centralizadas de Enfriamiento, la central frigorífica (o sistema productor de frío), se compone de una o varias unidades frigoríficas que funcionan por compresión, aunque también los hay por absorción.
La Unidad Frigorífica por Compresión es una Bomba de Calor que toma el calor del ambiente, lo cede a un fluido exterior (aire o agua, o una mezcla de los dos).
Una Unidad Frigorífica está compuesta por los siguientes elementos:

Compresor.

Evaporador.

Condensador.

Sistema de Expansión.

Controles.

Según sea el condensador empleado, las instalaciones centrales podrán ser:
1.- Unidades Condensadas por Agua.
2.- Unidades Condensadas por Aire.
3.- Unidades Condensadas Mediante Sistema Evaporativo.
Las Unidades Condensadas por Agua son las más difundidas. Tienen la ventaja de ser equipos compactos de buen rendimineto, con la posibilidad de ser montadas y probadas en fábrica.
En estas unidades suelen utilizarse Torres de Recuperación o llamadas Torres de Enfriamiento que, aunque se incrementa el coste inicial de la instalación, se reduce el consumo elevado de agua y se emplean unidades montadas en fábrica, probadas antes de su instalación.

Instalación Central Calorífica

En las Instalaciones Centrales Caloríficas se utilizan diversos tipos de calderas para producción de agua caliente, por lo general a presión atmosférica.
En menor proporción también se emplean instalaciones con agua sobrecalentada, por lo general con temperaturas que no superan los 110ºC y centrales, mediante la producción de vapor de agua a baja presión.
En estos casos se recomienda que la combustión se realice en forma automática para que el operador solo ponga en marcha el quemador al arranque diario de la instalación, automatizando los períodos de paro y marcha del quemador y el encendido del mismo.

Tratamiento del Aire y Sistema de Impulsión

Para el tratamiento del aire y el sistema de impulsión, desde las centrales productoras de calor y frío, podemos enviar a las plantas el agua fría o caliente, la cual será transformada en aire frío o caliente mediante cámaras o fan-coils, o también, convertir el agua fría o caliente en aire frío o caliente y enviarlo así tratado a las plantas.
En el sistema convencional y multizona, el aire transporta frío, calor, humedad y deshumidificación, del mismo modo sucede en el sistema a doble conducto.
En el sistema fan-coil se impulsa y recicla el aire, realizando su acondicionamiento tratándolo dentro del mismo local con el trabajo de un ventilador que recibe agua fría o caliente según el caso.
El sistema a inducción reemplaza el ventilador por una corriente de aire recibida desde la central a alta presión, provocando la inducción del aire interior a circular.

Normativa y Bibliografía

Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios. (RITE)

NTE.- Instalaciones.

Normas Básicas de Edificación. NBE-CT-79, NBE-CA-88 y NBE-CPI-96.

Normativa del Ayuntamiento y Compañía Suministradora de Energía correspondiente.

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El equipo básico en los almacenes frigoríficos

2014-01-01T12:42:00.004-08:00

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El equipo básico en los almacenes frigoríficos

El equipo básico de un almacén frigorífico lo constituyen bandejas de carga y montacargas elevadores de horquilla (figura 1), que permiten apilar los productos hasta una altura de 7 metros. Cuando los productos son sólidos o se hallan contenidos en envases consistentes (mantequilla en barriles, aves en cajones, carne en bloques), las bandejas o plataformas no necesitan contar con apoyos en los ángulos, sino que se colocan directamente sobre las capas de mercancía. En los productos contenidos en envases poco sólidos o con los productos congelados y sin envasar es necesario, en cambio, utilizar piezas de apoyo que se adosan a las bandejas. Mientras que las dimensiones de las bandejas han sido fijadas internacionalmente en 800mm x 1,200 mm, existen muchas diferencias en lo referente a altura de carga de las mismas. Ello es resultado del deseo de acomodar la altura de las pilas a la altura útil de las naves. La altura de carga de una bandeja está fijada en el Standard en 1250mm bruto, lo que corresponde a la altura de capas de cajas estandarizadas más la altura de la bandeja. Últimamente se utilizan bandejas de 1650mm de altura (6 pisos de cajas), que se adaptan de manera óptima para aprovechar el volumen de carga de los vehículos de transporte y vagones frigoríficos.

Para el almacenado de productos intermedios (frutas y verduras congeladas y sin envasar) se utilizan contenedores de bandejas. En algunos países se fabrican estos contenedores en forma de cajones de madera con base que corresponde a una bandeja. Utilizando estos contenedores no es preciso emplear los reforzamientos de las pilas normales. Antes de ser cargados, los contenedores se cubren generalmente con un saco de polietileno de dimensiones adecuadas. La capacidad de una bandeja oscila entre 600 y 1,200 kg (media de 750 kg).

También se utilizan con frecuencia creciente fundas de hoja encogible en las unidades de carga de bandejas. Con ello se han construido a tal fin túneles especiales de encogido. La aplicación del calor necesario para lograr la retracción de la lámina se realiza en pocos segundos (exclusivamente por convección). No se registra ningún aumento de la temperatura del artículo congelado.

Actualmente se acentúa la tendencia a sustituir las bandejas de madera por bandejas de plástico. Estas bandejas tienen diversas ventajas. Son inertes a las acciones externas (humedad, sol), no absorben olores, se pueden limpiar con facilidad y tienen peso constante. Si se tiene en cuenta la carestía de madera en general y las ventajas mencionadas, hay que contar en el futuro con el empleo creciente de bandejas de plástico.

Con el sistema de bandejas se acorta sustancialmente el tiempo de maniobra de mercancías. Además, este procedimiento tiene la ventaja (aparte de la racionalización de las operaciones de carga y apilado) de una gran unidad de carga está mucho menos expuesta al peligro de un aumento de temperatura durante las maniobras de las mercancías, tanto por la menor duración de los trabajos, como por la mayor densidad alcanzada por los artículos en dicha unidad de carga. Así mismo merece destacarse el hecho de limitarse sustancialmente las operaciones manuales a bajas temperaturas. La altura máxima de las bandejas cargadas no debe ser superior a 1,940mm (altura de las puertas de los vagones).

En los almacenes frigoríficos en superficie, el sistema de bandejas se aplica a todos los artículos envasados. Colocando en bandejas los cuartos y medias canales de carne, disminuye el aprovechamiento del volumen de depósito. El apilado de la carne a granel utilizando el adecuado equipo auxiliar, particularmente en alturas sobre los 5m, no ofrece ningún peligro, pero requiere mucha mano de obra.

En la actualidad entra la técnica de apilado en una nueva etapa, caracterizada por los depósitos hasta de 7-10m de altura. En estos casos hay que utilizar apiladoras especiales con mástil telescópico y horquilla giratoria capaz de funcionar en un pasillo de 1.7m de anchura. Las naves-almacenes de estas alturas se utilizan exclusivamente para depositar grandes cantidades de mercancías de la misma clase.

Dada la actual mecanización del transporte en el interior de los almacenes frigoríficos, tiene gran importancia la correcta ordenación de las puertas. En un moderno almacén frigorífico, el número de puertas es muy inferior al existente en las edificaciones tradicionales de esta clase; sin embargo, las especificaciones de estas puertas son mucho más exigentes. Particularmente prácticas son las puertas correderas de dos hojas. Las puertas de funcionamiento mecánico deben contar con marcos calentados, para estar siempre en buen servicio. El sistema de calentamiento suele gobernarse con un termostato. El claro de la puerta debe tener una altura que permita el tránsito sin impedimento de la vagoneta de horquilla con la carga de bandejas. Como mínimos se citan 1.8m de anchura y 3.0m de altura.

Actualmente se vienen utilizando puertas con corredera de dos hojas (Figura 2). La experiencia hasta ahora acumulada indica que los más adecuados son los sistemas automáticos electrificados, gobernados independientemente para cada puerta (gran velocidad de deslizamiento, estabilidad frente a oscilaciones considerables de temperatura, escasa inercia). Los sistemas automáticos hidráulicos y neumáticos son menos útiles. En las puertas con aislamiento que dan acceso a locales con baja temperatura se utiliza generalmente un sistema de calentamiento eléctrico, regulado con termostato, de la superficie de contacto puerta-marco, para evitar la formación de hielo y congelación de la puerta.

Tiene cierta utilidad en la disminución de las pérdidas de calor la instalación adicional de puertas suspendidas de hoja de plástico, de tiras colgantes de tela, etc. Estos ingenios tienen un evidente efecto protector cuando se abren las puertas, pero ocasionan también algún embarazo en el servicio (limitan la visibilidad, ensucian las mercancías, desarrollan efectos de roce, etc.)

Cuando el tránsito de mercancías es grande, la mejor solución está en las llamadas “barreras ó cortinas” de aire (figuras 3a y 3b). Estas barreras de aire reducen en un 60 a 70% la entrada de aire caliente con las puertas abiertas (permitiendo a la vez una visibilidad y seguridad de movimientos completas), su uso, eficacia y confiabilidad están ampliamente probados debido en gran parte a su bajo costo y excelente desempeño lo que garantiza la retención de la temperatura en el almacén frigorífico.

La creciente proporción del transporte de mercancías en vehículos especiales y contenedores refrigerados (figura 4) han inducido a inventar nuevas soluciones en forma de mamparas de carga extensibles (telescópicas) que comunican de forma inmediata y hermética las naves de manipulación del almacén frigorífico con la puerta de carga del vehículo hasta una distancia de 5 metros y ser mantenidas en la posición deseada. La anchura y altura de las mamparas, fabricadas en serie, alcanzan hasta 3 metros. Este sistema permite también refrigerar de forma inmediata y económica el espacio destinado a la carga del vehículo de transporte a expensas del frío del almacén frigorífico.

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La Refrigeración de Manzanas y las Cámaras de Atmósfera Controlada

2014-01-01T12:41:00.000-08:00

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La Refrigeración de Manzanas y las Cámaras de Atmósfera Controlada

El método más corriente de refrigerar manzanas y peras consiste en exponer los recipientes que las contienen al aire frío que circula en una cámara apropiada. La fruta, una vez enfriada, permanece en el mismo sitio, evitando así la necesidad de una doble manipulación. En la cámara frigorífica el calor se rebaja escalonadamente, presentando cada fase una temperatura más baja que la precedente. Al principio, el calor eliminado por el producto, el que penetra a través de la estructura del edificio y el que produce el ventilador que mueve el aire, son recogidos por el propio aire frío para soltarlos en la superficie del refrigerador, que a través de las paredes de los conductos los cederá al refrigerante que circula a menor temperatura. El volumen de aire en movimiento deberá ser suficiente para que descienda la temperatura de la fruta. El ritmo de enfriamiento del producto almacenado depende del chorro de aire, del tipo de recipiente empleado, de la forma de apilar la mercancía y de la diferencia de temperatura existente entre el ambiente y la fruta. Para que el aire frío tenga efectividad deberá ser distribuido suavemente por los pasillos que dejan las hacinas de envases, las cuales carecerán de brechas que faciliten la formación de remolinos aprovechando la línea de mínima resistencia. Si el aire no se distribuye uniformemente por toda la cámara, la temperatura del producto puede variar ampliamente de un lugar a otro y al cabo de cierto tiempo de almacenamiento la calidad de la fruta es inconstante. Se ha dicho que el ritmo de renovación de aire deberá ser adecuado pero no excesivo porque recargaría el trabajo de los ventiladores. Por ejemplo, para obtener un aumento del 50% en la circulación de aire habría que incrementar la potencia de los ventiladores en un 350%, pero con esta medida del traslado de calor acrecentaría un 30%. El aumento de la circulación de aire tiene un límite económico o porque cuando se refrigera sin excesiva capacidad de ventilación hay que conformase con mantener el ritmo fijado de extracción de calor. Experimentalmente se ha demostrado que para conservar fruta resulta adecuado renovar 40 veces por hora el volumen de aire correspondiente a la cámara vacía, lo que supone hacer circular aproximadamente 2.3m³por minuto y tonelada de producto contra una resistencia equivalente a una presión estática de unos 12.5 mm. Conviene que el aire se mueva entre las pilas de envases por lo que la unidad de refrigeración y el ventilador deberían estar colocados verticalmente y dotados de succión a nivel del suelo con descarga de aire al espacio existente entre la cima de los montones y el techo de la cámara (figura 1 anexa). Si el local es grande y rectangular y su capacidad mayor de 100Tm conviene acoplar al techo simples conductos cónicos agujereados a intervalos para que distribuyan el aire uniformemente a toda la cámara. El ventilador y su motor pueden estar alojados en el revestimiento del refrigerador si se dispone de una trampilla de acceso para facilitar su mantenimiento, en la bóveda de la cámara o en otro lugar idóneo como el propio muro del edificio, a la altura del techo.

Cuando la temperatura de la fruta ha descendido hasta el nivel de conservación, el calor se filtra por las paredes disminuye a la quinta parte aproximadamente y ya no se precisa activar la circulación, por lo que el ventilador puede mantenerse a media marcha. Este proceder reduce el movimiento de aire casi a la mitad y exige menos potencia puesto que la planta refrigerante tiene que eliminar menos calor. Sin embargo, el cuadro eléctrico que controla el funcionamiento del ventilador permitirá que el aparato trabaje a plena capacidad siempre que la planta lo exija. Si se olvidan estas necesidades se corre el riesgo de que se lesione la fruta por encontrarse demasiado baja la temperatura ambiental.

Cámaras de Atmósfera Controlada

Como ya vimos previamente, los principales factores ambientales que más directamente influyen sobre el ritmo de respiración de la fruta son la temperatura de conservación del producto y la riqueza de la cámara en dióxido de carbono y oxígeno:

Las instalaciones que permiten regular estos factores reciben la denominación de cámaras de atmósfera controlada (AC) La conservación bajo condiciones de AC sólo puede tener éxito si todas las superficies del local son realmente herméticas frente a las filtraciones de oxígeno y dióxido de carbono por haber sido previamente revestidas con algún producto impermeable a estos gases. Para conservar manzanas Bramley’s Seedling entre 3.3 y 3.9º C en un ambiente cuya concentración de dióxido de carbono se mantenga por debajo del 10%, el revestimiento deberá ser lo bastante efectivo como para limitar su escape a un máximo de 1.1m³por día y por tonelada de fruta almacenada, lo que representa aproximadamente la mitad de la producción efectiva correspondiente a esta variedad. Para mantener un buen control debería instalarse un depósito accionado manualmente con ayuda de válvulas acopladas a los conductos de ventilación. Para conservar manzanas bajo una tensión del 2.0-2.5% de oxígeno y en consecuencia virtual de dióxido de carbono, las exigencias son incluso más rigurosas porque la concentración de oxígeno entre las atmósferas interior y exterior de la cámara presenta una diferencia del 18%, casi el doble que la del dióxido de carbono procedente de las manzanas.

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EN SISTEMAS DE AIRE ACONDICIONADO: uso correcto, resultados eficientes

2014-01-01T12:38:00.003-08:00

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EN SISTEMAS DE AIRE ACONDICIONADO: uso correcto, resultados eficientes

Todas las personas adoran sentirse cómodas en sus hogares; en ambientes agradables gracias al entorno confortable que puede proporcionar un sistema de calefacción o aire acondicionado. En un día muy caluroso, no hay nada mejor que estar en la habitación de una casa con una temperatura que haga olvidar el intenso calor que trae consigo el verano.

Evidentemente, un ambiente cómodo es sumamente deseable pero no el momento de pagar el recibo por consumo de energía eléctrica o agua (dependiendo del tipo de sistema). Todo se convierte en un dolor de cabeza y la opción al final es pasar días, tardes y noches calurosas, para evitar el desembolso de sumas de dinero considerables que golpean a la economía doméstica.

Lo desconocido para las personas que adquieren equipos de aire acondicionado o calefacción para el hogar es cómo lograr esa eficiencia energética, ya que no se trata únicamente de instalar el sistema de aire acondicionado y esperar que ocurra el ahorro de dinero en el próximo recibo.

Trane -empresa especializada en sistemas de aire acondicionado- comenta que existen otros factores que influyen fuertemente para conseguir un uso eficiente del aire acondicionado o calefacción como:

Tamaño del lugar a acondicionar: Ya sea que se trate de unidades por ha-bitación o sistemas centrales, no siempre es buena decisión conside-rar el aire acondicionado más grande por pensar que enfriará más y a mayor velocidad. Más bien esto pudiera generar que el aire no se des-humidifique adecuadamente, teniendo entonces una habitación fría pero con sensación húmeda y sudorosa. Por lo tanto, es recomendable recibir la asesoría de expertos acerca del cálculo de la capacidad de enfriamiento que posee un equipo, con respecto al espacio que se pretende acondicionar y la eficiencia esperada.

Prácticas de utilización: Para la mayoría resulta evidente que un aire acondicionado o calefacción no desempeñará óptimamente sus funciones y no será eficiente si en el lugar hay puertas y ventanas abiertas por periodos muy largos; por esto se mantienen las puertas y ventanas cerradas. Pero, ¿eso es realmente suficiente? La respuesta es no. El aire acondicionado enfría pero también deshumidifica el aire del ambiente. Cuando se abren las puertas y ventanas sucede una nueva humidificación de la habitación, al igual que pasa cuando se apaga y se pone en funcionamiento el sistema. Es deseable no apagarlo y prenderlo cons-tantemente y también tener un completo sellado de ventanas y puertas, porque por las ranuras se pierde enfriamiento y se gana humedad. La colocación de termostatos en las habitaciones para regular la temperatura del sistema es el perfecto aliado para ahorrar dinero y determinar las condiciones de la habitación por horarios, hábitos o cuando se entra o sale de un espacio. De igual forma, en los sistemas centrales es importante cerciorarse del aislamiento y sellado de los ductos porque pueden ser responsables de la pérdida de un 30% de la eficiencia. También se recomienda colocar cortinas que impidan el paso del calor a través de las ventanas y considerar los dispositivos de calor que se dispongan en los espacios a acondicionar, tales como hornos, computadoras o microondas; ya que durante su funcionamiento se generan emanaciones caloríficas que influyen en el ambiente interno de una habitación.

Mantenimiento: Aunque actualmente hay empresas fabricantes cuyos equipos requieren de mantenimiento no tan seguido, gracias a los altos estándares de calidad con los cuales trabajan para facilitarle la vida a los usuarios, los sistemas HVAC al igual que sucede con otros productos requieren de revisiones y limpieza. De ahí que se deban limpiar o reemplazar con determinada periodicidad los filtros, el ventilador, los ductos, el compresor y demás piezas. Igualmente, se debe reparar o cambiar componentes cuando el sistema no esté funcionando apropiadamente.

Estos tres aspectos y las características estructurales del espacio como ubicación, diseño y materiales de construcción, ejercen influencia en la optimización del funcionamiento del sistema HVAC en los hogares; por lo tanto es importante apegarse a las recomendaciones y prevenir los costos excesivos a causa del desaprovechamiento de la eficiencia.

ASISTENCIA DE LOS EXPERTOS

Es normal que las personas no comprendan todo sobre operación o el equipo idóneo de acuerdo a los metros cuadrados y composición del espacio que desean acondicionar.

Para ello, Trane pone al servicio de sus clientes la experiencia para realizar la implementación exitosa de un sistema de climatización en casa, a fin de encontrar un equilibrio entre confort, ultra-eficiencia y calidad. Todo esto gracias a que disponen del personal experimentado y actualizado, así como la tecnología para desarrollar análisis estructurales de cada hogar para entonces evaluar junto con los usuarios la gama de posibilidades para obtener la mejor solución.

La solución es colocar el sistema de acuerdo a la estructura del hogar y dar instrucciones sobre el mantenimiento del sistema y la configuración del termostato. A esto se le añade la seguridad que proporcionan las soluciones de alta eficiencia energética que reducirán costos de los recibos de servicios públicos como electricidad o agua; contribuyendo con el bolsillo del consumidor y siendo amigables con el medio ambiente.

Si se desea mejorar el acondicionamiento de un hogar es recomendable ir directamente con el personal de Trane o con técnicos y profesio-nales certificados en buenas prácticas de sistemas de aire acondicionado y calefacción que tengan conocimiento de su tecnología. De esta forma, se pueden implementar adecuadamente sistemas de aire acondicionado y calefacción que tengan una buena operación desde el comienzo de su utilización, para que desde los primeros meses de su puesta en marcha presenten ahorros que le demuestren al usuario la importancia del establecimiento de un nexo con una organización que vela por el bienestar de sus clientes. Ya sea una casa particular, condominio o conjunto residencial, los sistemas de aire acondicionado y calefacción para los hogares de Trane se adaptan a los requerimientos de la situación, ofreciendo la posibilidad no sólo de disponer de un sistema de aire acondicionado en un sitio que no tenga, sino actualizar sistemas antiguos; mejorando enormemente el ambiente de los usuarios, logrando la premisa de uso correcto y resultados eficientes en una atmosfera de bienestar, ahorro y compromiso sustentable.

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Edificios de alto desempeño

2013-02-14T07:58:00.004-08:00

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Edificios de alto desempeño

La adopción del concepto “edificio de alto desempeño” puede reducir los gastos energéticos y de operación entre 20 y 50 por ciento a lo largo del ciclo de vida de un edificio, que, por lo general, es de 50 a 75 años. Los edificios de alto desempeño utilizan menos recursos, tienen un menor impacto ambiental y ofrecen un mejor lugar para trabajar, visitar y vivir.

Los conceptos de construcción de alto desempeño crean un ambiente seguro, cómodo y eficaz que permite a ocupantes ser más productivos.

El concepto “edificio de alto desempeño” (HPB, por sus siglas en inglés) ha estado presente desde la década de 1990. Dos décadas después, los principios de alto desempeño se aplican en todo tipo de estructuras, como edificios para hospitales, hoteles, centros de transportación, plantas industriales, edificios históricos, gubernamentales y otro tipo de instalaciones.
En la actualidad, los propietarios de edificios y los operadores han comenzado a adoptar tecnologías de alto desempeño y prácticas de construcción que ahorran energía, reducen los costos operativos y mejoran la relación con el ambiente. Los conceptos de construcción de alto desempeño crean, además, un ambiente seguro, cómodo y eficaz que permite a los ocupantes del edificio ser más productivos y ayuda a las organizaciones a lograr sus objetivos de negocio.
Estudios han demostrado que los edificios de alto desempeño utilizan menos recursos, tienen un menor impacto ambiental y ofrecen un mejor lugar para trabajar, visitar y vivir. Además, este tipo de edificios tienden a tener mejores tasas de ocupación, así como un valor más alto que otros de su mismo tipo en el mismo mercado inmobiliario.
En este sentido, es lógico que cada vez se estén diseñando más edificios nuevos para mejorar su desempeño en dimensiones como la eficiencia energética y de agua, el impacto ambiental y la seguridad de servicio. Mientras tanto, los propietarios y operadores de edificios ya existentes están utilizando nuevas tecnologías y prácticas para convertir sus instalaciones más viejas en edificios de alto desempeño.
En México, particularmente, se está iniciando una fase de documentación y medición de los sistemas de alto desempeño; sin embargo, desde hace años ha habido herramientas disponibles y sistemas instalados en diferentes mercados, como el industrial y el comercial, que son los que muestran mayor conciencia por el desarrollo de proyectos de alto desempeño.
Enfoque sobre los costos del ciclo de vida total
El proceso para diseñar y construir un edificio de alto desempeño representa una fracción pequeña –entre 5 y 10 por ciento– de los costos del ciclo de vida total de una típica construcción, de acuerdo con el National Institute of Building Sciences (NIBS) y la International Facilities Management Association (IFMA).
Los costos de adquisición, renovación y disposición oscilan típicamente entre 5 y 35 por ciento de los costos del ciclo de vida. La operación de un edificio a lo largo de extensas décadas de vida habitada cuenta con la mayor proporción hasta el momento, representando entre 60 y 85 por ciento de los ciclos de vida totales.
Por ello, es importante tener en cuenta todos los costos, no sólo los iniciales, cuando se busca la manera de maximizar el retorno de la enorme inversión pública y privada que las empresas hacen en los edificios, y que son cruciales para el logro de su misión.
De hecho, el costo adicional de la construcción de una escuela perfectamente funcional de alto desempeño o un edificio de oficinas es relativamente pequeño y, en muchos casos, puede que no haya costo de construcción adicional. En nuestro país, por ejemplo, existen algunos casos en los que se ha conseguido un retorno de inversión (ROI, por sus siglas en inglés) de dos años, lo cual es muy bueno, pues a partir del segundo año todo es positivo; sin embargo, cada edificio requiere de un estudio particular y una auditoría energética.
Estos ahorros permiten a las organizaciones reducir su energía, operación y el mantenimiento de sus presupuestos, así como la redistribución de sus recursos financieros, cada vez más escasos, a otras prioridades que benefician directamente a los grupos de interés.
Alto desempeño de por vida
Es un hecho que un servicio eficaz y una estrategia de mantenimiento son esenciales para establecer y mantener altos estándares de desempeño a través de una vida útil del edificio ocupado, que puede llegar hasta 50, 75 o incluso una mayor cantidad de años. En este sentido, las innovaciones y cambios del juego están alterando la forma en que los diseñadores de edificios, los administradores, los propietarios y los proveedores de servicios de energía conciben su trabajo para mantener los sistemas del edificio en funcionamiento efectivo y durante un largo plazo de operación.
Los enfoques de servicio y mantenimiento más efectivos son integrales, basados en tecnología y conocimiento, centrados en algo que va más allá de reparar fallas, con mantenimiento predictivo y estrategias basadas en tareas. La oferta de servicios que apoyan toda la gama de edificios de alto rendimiento utiliza procesos robustos y probados, modelos informáticos, pruebas de diagnóstico, tecnologías predictivas y otras técnicas más avanzadas.
Un servicio eficaz y una estrategia de mantenimiento contribuyen significativamente a la consecución de un mejor desempeño de la construcción en su clase. Mejorar la eficiencia reduce los costos del ciclo de vida, por lo que una organización puede invertir en otras prioridades. En última instancia, un edificio de alto desempeño se convierte en un activo estratégico que ayuda a la organización a cumplir su misión primaria, y se paga muchas veces por sí mismo durante su vida de utilización.
Qué es un edificio de alto desempeño
Los edificios de alto desempeño (HPB, por sus siglas en inglés) son los que cumplen con las normas específicas para uso de energía y agua, tiempo de funcionamiento, cumplimiento ambiental, así como la seguridad y confort de los ocupantes. Este tipo de edificios ayuda a los propietarios y ocupantes a ser más productivos para alcanzar sus misiones empresariales, mediante el uso de diseños y estándares de operación creados, medidos y validados para ofrecer resultados establecidos en de tolerancias específicas.
Ante nuevas regulaciones ambientales para la reducción de gases de efecto invernadero, representantes de Gobierno, académicos, asociaciones de la industria y el sector privado buscan estar alineados con la Nueva Ley General de Cambio Climático, aumentando la eficiencia energética y reduciendo las emisiones de gases de efecto invernadero.
Es importante aclarar que: • Los edificios de alto desempeño tienen normas que se crean, miden y validan continuamente para obtener resultados específicos establecidos dentro de las tolerancias • Las normas se establecen regularmente para el consumo de energía y agua, la confiabilidad del sistema, el cumplimiento ambiental, la calidad del aire interior y la salud; la seguridad y el confort del ocupante. Además, éstas deben establecer las prioridades de acuerdo con la misión principal de la organización y los factores clave de éxito en mente • Las normas deben ser suficientemente altas, de manera que el edificio se encuentre entre el mejor desempeño de los edificios de su clase, en comparación con las normas establecidas y puntos de referencia
Aspectos principales
Mientras que la eficiencia energética y las buenas prácticas ambientales son características de los edificios de alto desempeño, es importante reconocer la distinción entre los HPB con programas tales como Liderazgo en Energía y Diseño Ambiental (LEED, por sus siglas en inglés), desarrollado por el Green Building Council de los Estados Unidos (USGBC), y el programa Energy Star, patrocinado por el Departamento de Energía (DOE, por sus siglas en inglés) y la Agencia de Protección Ambiental (EPA, por sus siglas en inglés), ambas de EUA.
El LEED es un sistema de verificación de terceros respetado internacionalmente. Como su nombre lo indica, se centra en las prioridades de energía y medioambiente, la medición de la construcción y el rendimiento a lo largo de cinco dimensiones: el desarrollo sostenible del lugar, el uso del agua, la eficiencia energética, los materiales y recursos utilizados, y la calidad del aire interior. De acuerdo con el Green Building Council, alrededor de 3 por ciento de todos los nuevos proyectos de construcción han solicitado ser considerados para la certificación LEED.
Por otro lado, Energy Star es un programa, respaldado por el Gobierno de EUA, que ayuda a las empresas y los consumidores a elegir productos y prácticas eficientemente energéticas. Energy Star comenzó en la década de 1990, como un programa voluntario de etiquetado de producto. Hoy en día, ofrece guías y recomendaciones para el uso de energía en hogares, edificios y productos.
El concepto de los edificios de alto desempeño incorpora elementos de ambos programas; sin embargo, el concepto va mucho más allá de la energía y los parámetros ambientales que definen estos dos programas de gran éxito. Abarca todos los principales atributos de los edificios de alto desempeño, incluyendo la eficiencia energética, la durabilidad, el ciclo de vida y la productividad de los ocupantes.
Es posible decir que un edificio de alto desempeño que está específicamente diseñado, bien construido y operado puede ser uno de los activos más valiosos de una organización, capaz de hacer una contribución significativa a la eficacia y la eficiencia de las personas dentro de él.
Sistemas HVAC para edificios de alto desempeño
Una búsqueda de las palabras “edificios de alto desempeño” en internet muestra más de 10 millones de resultados, incluyendo información útil sobre el tema, referenciada por gobiernos, universidades, industrias y otras fuentes. Pero la construcción de un modelo de negocio convincente para un enfoque de edificios de alto desempeño, con una estructura nueva o existente, requiere la recolección y análisis de los datos específicos del proyecto.

Tipo de edificio	Categoría	Costo de fallas
Centro escolar	Salud y bienestar	Costos totales por un día de invierno ante la falla de sistemas HVAC (salarios de profesores, ingresos por asistencia de estudiantes, costo de transporte, etc.)
Instalación industrial	Fiabilidad y tiempo de actividad	Costos totales por cierre de una hora en una línea de ensamble (salarios de los trabajadores, incumplimiento de plazos, costos de reanudación, etc.)
Centro comercial	Fiabilidad y tiempo de funcionamiento	El costo total por hora de cierre de tienda (pérdida de ingresos, salarios de los empleados, pérdida de clientes, lealtad, etc.)
Edificio de Gobierno	Salud y bienestar	El costo total por hora del ausentismo de los empleados debido a la mala calidad del aire interior (salarios de empleados, pérdida de productividad, riesgo de daño a la reputación, etc.)
*Tabla 1*

Para comenzar a construir un modelo de negocio, se debe identificar lo que es más importante para el éxito de la organización. Es preciso tener en cuenta factores como servicio al cliente, producto o calidad del servicio, productividad del empleado, estudiante o maestro; volumen de producción y otros factores. Se debe considerar cómo un edificio de alto desempeño afecta la capacidad de la organización para tener éxito en cada categoría identificada. Por ejemplo, el impacto financiero de una falla mecánica u otro tipo de problema que irrumpa en las operaciones normales de los sistemas HVAC puede resultar en lo que se expresa en la tabla 1.
Con esta información de cada uno de los factores críticos para el éxito de la organización, los administradores y profesionales de las instalaciones pueden trabajar con expertos experimentados para determinar cómo justificar los costos iniciales ligeramente más altos, asociados a un proyecto de construcción de alto desempeño en un edificio nuevo o existente.
Auditoría de los sistemas de construcción crítica
Una auditoría de los sistemas críticos (CSA, por sus siglas en inglés) es una herramienta valiosa para determinar el nivel actual de rendimiento de los sistemas de construcción críticos, como climatización, agua, luz, electricidad, controles mecánicos y de instrumentación. Se puede contratar a un tercero para ayudar con un CSA a fondo o se puede elegir al personal interno calificado para llevar a cabo una autoevaluación.
Hoy en día los sistemas avanzados de automatización de edificios ofrecen una amplia gama de capacidades, incluyendo una red habilitada para cuadros de mando que facilitan más que nunca al equipo de auditoría la recolección, acceso y la utilización de información pertinente para analizar el rendimiento de los sistemas de construcción.
Las nuevas tecnologías de modelado predictivo permiten comparar el sistema operativo y las características de los componentes con la información agregada de muchos sistemas similares para evaluar su rendimiento. Otras innovaciones permiten a los técnicos buscar más allá de los componentes de HVAC, descubrir problemas potenciales y predecir cuándo se producirá un error en los componentes y con mayor precisión que nunca.
Automatizar la detección de fallas y diagnósticos (FDD, por sus siglas en inglés) en los sistemas de HVAC es otro cambio potencial en el juego de tecnología. La FDD puede detectar y reportar fallas significativas en el tratamiento de aire, sistemas de agua helada, calderas, torres de refrigeración y otros componentes críticos de HVAC para ayudar a encontrar y aislar los problemas en los que actualmente se desperdicia energía, a la vez que proporciona advertencias de posibles fallas.
La autoevaluación o resultados de la auditoría proporcionan una imagen clara de la información sobre la salud y la condición física de la construcción en general, que se puede utilizar para desarrollar un edificio de alto desempeño a partir de la proyección de datos precisos y específicos.
Para un edificio existente, es importante conocer los costos actuales de operación y compararlos con los costos proyectados por operar un edificio de alto desempeño más eficiente. Una compañía de servicios de energía puede ayudar a analizar el uso de ésta durante un período de varios años.
El Green Building Council estima que los edificios de alto desempeño son entre 20 y 50 por ciento más eficientes energéticamente que los edificios convencionales. En el caso de un edificio existente, un especialista en ingeniería de energía puede proporcionar mayor precisión mediante la comparación de las estimaciones de una estructura particular con los puntos de referencia estándares de la industria.
La disponibilidad de esta información y el uso de herramientas de análisis de energía permitirán a los operadores comparar los perfiles de rendimiento energético de su edificio con el promedio de la industria y el mejor desempeño en su clase para edificios comparables. La gráfica 1 muestra el uso real de energía de un edificio en particular, en comparación con el promedio de la industria de los tipos de edificios similares y una instalación de primera clase.
Diseño de herramientas
La eficiencia energética es un objetivo básico de los edificios de alto desempeño. En cada etapa del ciclo de vida de construcción, las tecnologías están disponibles para ayudar en el diseño y construcción de equipos de administración para lograr la mayor eficiencia posible.
El modelo de energía y el análisis de herramientas proporcionan un análisis detallado y preciso de los impactos energéticos y económicos de las características de construcción. Las últimas herramientas de análisis y modelado usan algoritmos sofisticados para rastrear con precisión las demandas más complejas de los proyectos de construcción.
El diseñador del edificio o el ingeniero de energía utilizan el programa de modelado para desarrollar un modelo virtual del edificio. El software analiza las diversas zonas y sistemas para simular patrones de consumo de energía del edificio y, a continuación, crea una imagen total del consumo energético, incluyendo un desglose del consumo por tipo de combustible, tarea y componente de la construcción.
Las herramientas avanzadas de modelos energéticos incorporan, hasta el día de hoy, los códigos de energía y recomendaciones incluidas en la Sociedad de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado (ASHRAE, por sus siglas en inglés). Las últimas aplicaciones también tienen la flexibilidad de manejar los datos para la construcción de sistemas en distintas etapas del ciclo de vida del edificio.
Tecnologías para edificios de alto desempeño
Los avances en las tecnologías de climatización han mejorado en gran medida la comodidad y la flexibilidad en los edificios, disminuyendo su consumo energético. Por ejemplo, la eficiencia de los enfriadores ha mejorado dramáticamente en la última década.
Las tecnologías HVAC también ayudan a ganar puntos LEED que se otorgan para las estrategias como capacidad de control de sistemas del edificio y la comodidad térmica. Las siguientes tecnologías de energías renovables son cada vez más rentables, siendo soluciones viables para muchos tipos de proyectos de construcción:
1. Solar fotovoltaica. Es la tecnología más accesible y eficaz entre la variedad más amplia de aplicaciones de la actualidad. Se trata de una fuente de energía limpia que captura la energía del Sol para generar electricidad.
La integración de paneles fotovoltaicos en los edificios es uno de los segmentos de mayor crecimiento de la industria solar. El Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL, por sus siglas en inglés) lleva a cabo investigaciones sobre la integración de paneles fotovoltaicos en los edificios para mejorar la estética y la fiabilidad del sistema, al igual que para reducir los costos y pérdidas de servicios públicos de transmisión.
2. Geotérmica. Es un recurso limpio y renovable que utiliza el calor del interior de la Tierra. Hoy en día, esta tecnología avanza y el conocimiento de aplicaciones de geotermia es una solución altamente eficiente para edificios modernos; además, se ha vuelto más eficiente debido al bombeo mejorado y tecnologías de HVAC.
3. Cogeneración. Llamada también “calor y energía combinados” (CHP, por sus siglas en inglés), implica la generación simultánea de dos formas de energía: calor y electricidad, en una sola. Las plantas de electricidad típicas pierden una gran parte de la energía disponible en forma de calor, y la CHP capta este exceso, incrementando en gran medida la capacidad de potencia.
Las tecnologías de cogeneración, adecuadas especialmente para edificios de gran altura y grandes complejos de departamentos, son utilizadas ampliamente en los países europeos y ahora se están afianzando en América con el fin de disminuir los crecientes costos de energía y ayudar en la creación de edificios sostenibles.
4. Soluciones de almacenamiento de hielo. Son cada vez más utilizadas para diversos tipos de proyectos de edificios, incluso en las zonas urbanas. El sistema produce hielo o agua fría en la noche, durante las horas en que utilizar la energía es más barato, y aprovecha el derretimiento de ese hielo para poder generar el aire fresco durante las horas de mayor actividad. Las soluciones de almacenamiento de hielo son igual de eficientes y competitivas que los sistemas convencionales de aire acondicionado.
Operación y mantenimiento
Las tecnologías para el mantenimiento preventivo y predictivo han recorrido un largo camino para solucionar los posibles problemas e ineficiencias, así como recopilar datos sobre tendencias. Las siguientes tecnologías de diagnóstico y de prueba son ahora muy asequibles y accesibles:
Termografía infrarroja. Crea imágenes que muestran las variaciones de temperatura de la superficie de los objetos. Detecta condiciones o factores de estrés que potencialmente pueden afectar la funcionalidad de componentes. Esto hace que sea posible diagnosticar problemas, como las restricciones de tubos, tuberías, bloqueos de fricción excesiva, el aire y los patrones de descarga de agua.
Análisis ultrasónicos. Permiten identificar problemas relacionados con el desgaste de los componentes, así como con fugas de líquido, fugas de vacío y fallas en trampa de vapor. El ultrasonido es una tecnología simple y de bajo costo que proporciona información de diagnóstico muy útil en equipos, como calderas, condensadores, intercambiadores de calor, tuberías, válvulas, ventiladores, compresores, bombas y mucho más.
Transductores de vibración. Permiten detectar la rugosidad o la suavidad de una máquina que está funcionando, por lo que el técnico puede evaluar el estado de la máquina. El monitoreo de la vibración y el análisis ayudan al técnico a diagnosticar problemas en la rotación del equipo, como una mala alineación, inestabilidad mecánica o puntos débiles.
Logro de un desempeño superior
Las tecnologías que hacen posibles los edificios de alto desempeño han avanzado de manera espectacular en las últimas décadas. Enfocadas en costos, eficiencia energética y sostenibilidad, se han vuelto una forma de vida de las personas involucradas en diseño, construcción y operación de edificios.
El verdadero potencial del edificio de alto desempeño requiere un enfoque integral de construcción y del ciclo de vida. Este enfoque pone mayor énfasis en el costo total de propiedad, sobre el de un edificio ocupado, así como en los costos iniciales.
El costo de operación de un edificio a lo largo de su ciclo de vida total es muchas veces mayor que el costo de diseño y construcción; sin embargo, muchos propietarios de edificios y operadores consideran poco los costos de energía, mantenimiento, servicio y otros factores que pueden elevar hasta en 80 por ciento los costos del ciclo de vida total.
Los edificios nuevos, como los existentes deben tener en la mira el costo total de operación durante la vida útil del edificio. Existen edificios cuyas instalaciones se basan en el costo inicial; sin embargo, los principales costos representan siempre la suma de los generados durante la vida útil. Se cuenta con sistemas de análisis financiero preciso, ligados a sistemas de análisis de energía y de cargas térmicas, que permiten decisiones documentada sobre la tasa de ROI y sus periodos.
Una verdadera operación de alto desempeño se puede lograr si un edificio es reconocido como un sistema integrado muy complejo, que debe gestionarse proactivamente y continuamente, para mantenerlo funcionando al máximo desempeño.
Los edificios de alto desempeño son energéticamente eficientes, duraderos, ambientalmente responsables y mucho más. No son sólo gastos generales para las organizaciones que los ocupan; son activos con potencial para mejorar la productividad de quienes los habitan y contribuir al logro del éxito de su misión.

Gas Cooling

2013-02-14T07:56:00.002-08:00

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Gas Cooling

El renacimiento de la utilización del gas natural como combustible primario en sistemas de HVACR ofrece obtener gran eficiencia energética, lo que conlleva al desarrollo de una solución amigable que favorece la conservación del medioambiente a través de su aplicación en complejos industriales y edificios sustentables

Por Luis Fraustro

La gran oferta que representa la tendencia a extraer gas no asociado en todo el mundo, así como la drástica reducción en emisiones de CO₂, hace del gas natural el energético de transición para los próximos 20 años.

E l sistema de gas cooling es la generación de agua helada a partir de chillers base gas natural no eléctricos; por tanto, podría decirse que las tecnologías tradicionales eléctricas operan bajo el concepto de electric cooling. Si bien la solución gas cooling ha estado presente en la industria HVACR por mucho tiempo, el objetivo de este artículo es explicar con claridad cómo la solución renace en la industria con un gran impacto y alinea la alta rentabilidad y la sustentabilidad con la edificación inteligente.
Las enfriadoras de líquido tipo gas cooling que se encuentran en la mente de los colegas de la industria, en general, son los chillers de absorción. Se diferencia de otras tecnologías de refrigeración por tres principales características: 1) su ciclo de refrigeración está libre de compresores y su consumo eléctrico es casi despreciable, además de que utilizan calor para la generación de frío mediante el proceso de absorción, en el cual se requiere de una sal, usualmente bromuro de litio, y simple agua, que hace las veces de refrigerante (es preciso recordar que a presiones muy bajas se evapora debido al cambio en su punto de ebullición, con lo que se obtiene el efecto de refrigeración); 2) los coeficientes de desempeño (COP, por sus siglas en inglés) varían entre 0.75 para equipos de una etapa y 1.1 por ciento para equipos de dos etapas con generación simultánea de frío y calor, y 3) su generación de agua helada está limitada a 4 °C (39.2 °F): la sal utilizada en el proceso de refrigeración impide operar por debajo de esta temperatura, en cuyo caso se tiene el riesgo de daño mayor al equipo por cristalización.

Tabla 1
TECNOLOGÍAS DE GAS COOLING	TIPO DE CICLO DE REFRIGERACIÓN	COP NOMINAL/COP MÁXIMO/ COP PROMEDIO	TEMPERATURA MÍNIMA DE AGUA HELADA O GLICOLADA
Absorción 1 etapa – vapor	Absorción	0.72 / 0.75 / 0.72	4 °C (39.2 °F)
Absorción 2 etapas – vapor	Absorción	0.90 / 1.1 / 1.0	4 °C (39.2 °F)
Fuego directo	Absorción	0.90 / 1.1 / 1.0	4 °C (39.2 °F)
Multienergía	Absorción	0.90 / 1.1 / 1.0	4 °C (39.2 °F)
Gas-Engine-Driven (GED)	Compresión de Vapor	1.70 / 3.0 / 2.3	-5 °C (23 °F)*
*Existen aplicaciones de refrigeración con amoniaco @ 20 °F (-6.6 °C)

Existe una tecnología adicional de gas cooling muy poco conocida y hasta un tanto olvidada en el mercado de HVACR en México y Latinoamérica: los chillers tipo gas engine driven o GED, cuya principal característica es la generación de agua helada por el ciclo típico de compresión de vapor mediante la energía mecánica transmitida a través de un motor de combustión interna. Se demostrará en este artículo la viabilidad técnico-económica y sustentable de esta tecnología que está marcando una firme tendencia en la construcción y operación eficiente de edificios. A su vez, se redefinirá el concepto de cogeneración y se explicará cómo puede aplicarse desde una planta de agua helada, no necesariamente desde una planta eléctrica. La tabla 1 muestra las diferentes tecnologías de gas cooling con sus eficiencias respectivas.
Por qué utilizar gas natural para sistemas de HVACR
El gas natural es un energético muy conocido y empleado en México. En tiempos no muy lejanos, su utilización dependía de la no disponibilidad de un combustible más barato, sin importar el impacto ecológico que éste tuviese, del requerimiento energético de la tecnología utilizada y, en muy pocas ocasiones, de su beneficio económico. Su costo estaba asociado directamente con el precio del petróleo y su volatilidad resultaba sumamente problemática cada vez que pasaba un huracán y arrasaba con las plataformas marítimas de extracción, o cada vez que había un conflicto bélico o político en algún país líder en su producción.
Hoy en día, la perspectiva hacia el gas natural ha cambiado drásticamente y habrá que entenderlo para aprovechar todos sus beneficios. La extracción de gas no asociado o shale gas, a través de la recientemente inventada tecnología de fractura hidráulica (EUA 2008), ha disparado las reservas mundiales de gas natural por los siguientes 200 años, provocando un desplome récord en sus precios internacionales. La gran oferta que representa la tendencia a extraer gas no asociado en todo el mundo, así como la drástica reducción en emisiones de CO₂ en pro del medioambiente, comparada con el resto de los combustibles fósiles⁽¹⁾, hacen del gas natural el energético de transición para los próximos 20 años, según los especialistas, tiempo en el que, de acuerdo con las estimaciones, tardarían las energías de generación limpia en volverse económicamente viables. Actualmente, se ubica el precio del gas natural entre 4.5 y 5 dólares por millón de BTUs, costo sumamente competitivo contra los eléctricos y los de otros combustibles.
⁽¹⁾El Panel Intergubernamental de Cambio Climático de las Naciones Unidas (IPCC) ha incluido entre sus recomendaciones incrementar el uso del gas natural como fuente de energía.
Esto representa una gran noticia para la industria de HVAC, así como para los centenares de usuarios que mes con mes enfrentan los constantes incrementos en energía eléctrica, de altos costos de inversión en infraestructura e interconexión eléctrica, de interrupciones y de mala calidad de energía.
La industria y el comercio, principalmente, han reconocido la oportunidad de utilizar el gas natural con visión a corto, mediano y largo plazo, detonando un sinnúmero de proyectos relacionados con su distribución, utilización en generación eléctrica, cambio de equipos base combustóleo o diesel, así como en sistemas electromecánicos, como el aire acondicionado, la calefacción, la refrigeración y el aire comprimido.
Cogeneración a partir del HVAC

Figura 1. Diagrama cogeneración eléctrica-térmica

Figura 2. Diagrama cogeneración mecánica-térmica

El término cogeneración se refiere, en términos prácticos, a la generación simultánea de dos energías útiles (mecánica y/o térmica y/o eléctrica), a partir de una sola fuente de energía primaria. La mayoría de las veces, se emplea combustible en cualquiera de sus formas: gas natural, gas LP, diesel, carbón, combustóleo, biomasa, etcétera.
Hay que identificar dos tipos principales de cogeneración:
1. Cogeneración Eléctrica-Térmica (Figura 1)
2. Cogeneración Mecánica-Térmica (Figura 2)
La primera y más conocida busca aprovechar el calor de rechazo a partir de la generación eléctrica a través de una turbina o un generador eléctrico. Dependiendo de la tecnología de generación, se obtendrá energía eléctrica en una proporción de entre 25 y 42 por ciento, y energía térmica en una proporción de entre 40 y 60 por ciento.
En el segundo tipo de cogeneración, se busca recuperar el mayor calor de rechazo producido por el aprovechamiento de energía mecánica, la cual es generada por la combustión de un motor, en cuyo caso se transmite su energía motriz a un compresor de vapor de refrigerante, tipo tornillo o centrífugo comúnmente. De esta manera, para un chiller GED de 400 toneladas de refrigeración (T.R.), por ejemplo, se pueden producir 960 galones por minuto de agua helada a 6.6 °C (44 °F) y cogenerar, simultáneamente, 60 galones por minuto a 100 °C (212 °F), calor equivalente a una caldera de 30 caballos.

Figura 3. Eficiencia de un chiller GED de 400 T.R., aprovechando el calor de la chaqueta de enfriamiento del motor

Figura 4. Eficiencia de un chiller GED de 400 T.R., aprovechando el calor de la chaqueta y de los gases de escape del motor

En un balance térmico más sencillo, en la figura 3 se muestra cómo se utilizan 3 mil 52 MBtu/h de energía contenida en el gas natural para producir 4 mil 800 MBtu/h de enfriamiento (400 T.R.); adicionalmente, se obtienen 960 MBtu/h como subproducto en forma de calor, resultando un COP nominal de 1.88. La figura 3 representa el balance termodinámico de un chiller GED, con recuperación de calor de la chaqueta de enfriamiento del propio motor de combustión interna; sin embargo, es posible recuperar aún más calor, en caso de ser necesario, de los gases de escape del motor (65 por ciento adicional, aproximadamente), según se muestra en la figura 4, con lo que se maximiza el rendimiento del equipo a un COP de 2.1 nominal.
Se debe recordar que un motor de combustión interna no alcanza su rendimiento óptimo o de mayor eficiencia a carga plena; al poder operar como variador de velocidad a cargas parciales, encontrará su mejor relación entre el consumo de gas y la generación de frío-calor en rangos de operación de entre 50 y 75 por ciento de su carga, los cuales coinciden con la operación promedio en la mayoría de los sistemas de aire acondicionado; de esta forma, se pueden llegar a alcanzar COP del orden de 2.5 a 3.1.
El agua caliente resultado de la cogeneración de una planta de agua helada con chillers GED no necesariamente sirve para aquellas aplicaciones con carga constante de calor, como es el caso de hospitales y hoteles en donde el aprovechamiento de calor es directo, sino que el agua caliente, al ser energía útil, puede ser empleada en otras aplicaciones donde no hay un requerimiento de calefacción per se. El calor de rechazo de una planta de gas cooling también se puede utilizar para “jugar” con las presiones de vapor de agua en sistemas de absorción, separando el agua o refrigerante del bromuro de litio para completar el ciclo de refrigeración por absorción, de cuyo efecto se obtendrá más agua helada.

Otra aplicación de recuperación de calor, pero utilizada para deshumidificar el aire, se encuentra en la tecnología de Líquido Desecante, con la que se utiliza el calor para deshumidificar y acondicionar el aire de un complejo. En este caso, el calor es requerido para regenerar el cloruro de litio, un agente desecante que, en su saturación de humedad, necesita elevar la presión del vapor de agua mediante la acción de calor para lograr liberar nuevamente dicha humedad y recuperar su capacidad desecante. En la Figura 5, se muestra el proceso del equipo Ducool con sus dos opciones de deshumidificación: eléctrica y térmica.

Figura 6. Opciones de cogeneración mecánica-térmica con chillers GED

Se puede entender el concepto de cogeneración a partir de una planta de agua helada tipo gas cooling, cuyo calor de rechazo se puede utilizar en tres principales aplicaciones:
1. Generación adicional de agua helada con chillers de absorción de agua caliente
2. Deshumidificación y acondicionamiento de espacios con sistemas desecantes líquidos o sólidos (ruedas y cubos entálpicos)
3. Ahorro de combustible o electricidad precalentando agua

Figura 7. Diagrama de chiller GED con recuperación de calor

Atributos técnicos de chillers GED
Un chiller GED utiliza el mismo ciclo de refrigeración de cualquier chiller eléctrico, con la importante excepción de que, en lugar de utilizar un motor eléctrico para hacer girar un compresor de vapor de refrigerante, utiliza un motor de combustión interna tipo reciprocante o de pistón (ver Figura 7), diseñado especialmente para operar con gas natural. Los más empleados en el mercado de HVAC utilizan un compresor tipo tornillo y operan con refrigerante R-134a. Sus capacidades oscilan en un rango de 150 y 400 T.R., y son enfriados por agua; pueden alcanzar un COP de hasta 3.0 cuando se utiliza el 100 por ciento del calor de rechazo para cogenerar (ver Tabla 2 para especificaciones por capacidad de equipo y sus parámetros de operación).

Tabla 2. Especificaciones técnicas chillers GED Tecogen
SERIE		STX			DTx
MODELO	CH-150X		CH-200X	CH-300X	CH-350X	CH-400x
Eficiencia
Capacidad (T.R.)	150		200	300	350	400
Número de compresores	1		1	2	2	2
IPLV COP	2.6		2.6	2.6	2.6	2.6
COP a carga plena	1.7		1.6	1.7	1.7	1.6
COP con recuperación de calor	2.1		1.9	2	2	1.9
Consumo de gas (Mbtu/h)	1032		1526	2157	2529	2052
Calor de recuperación de chaqueta de motor (Mbtu/h)	323		480	720	840	960
Calor de recuperación con gases de escape (Mbtu/h)	517		768	1152	1344	1536
Presión de gas (in W.C)	7.-28		13-28	7.-28	13-28	13-28
Requerimiento eléctrico
Acometida eléctrica				208-230/1/60
Amperaje		30			40
Potencia requerida para arranque (kW)		2.2			2.7
Niveles de ruido
Sin cubierta acústica (dBa @ 3 ft)	85		89	88	87	92
Con cubierta acústica (dBa @ 3 ft)	92		96	95	96	99
Dimensiones y peso
Largo		13’10’’			14’3’’
Ancho		4’4’’			7’0’’
Alto		6’9’’			7’7’’
Peso de embarque (lb)		10,450			24,675
Peso de operación (lb)		11,250			28,175

El diseño e instalación de una planta de agua helada de gas cooling con chillers GED es prácticamente idéntica a la de una planta de agua helada con chillers eléctricos, como se puede apreciar en la figura 7, con la salvedad de que se puede diseñar un subsistema de recuperación de calor para aprovechar al máximo la energía de rechazo del sistema.
Un factor importante en la producción de agua helada con chillers GED es la presión de gas para operar el equipo, pues prácticamente requiere la misma presión que la estufa de un hogar (hasta 250 milibares: 0.25 kgf/cm²), lo que hace muy versátil y económica su instalación, así como muy segura su operación, comparado con otros sistemas que requieren una presión de al menos 7 kgf/cm² para operar, como es el caso de las turbinas eléctricas.
Una característica de interés para cualquier tipo de inmueble es que el complejo no tiene que lidiar más con arranques eléctricos y cargas eléctricas variables, ya que se aumenta la calidad eléctrica, maximizando el factor de potencia de todo el sistema eléctrico, al tiempo que se genera agua helada con suma eficiencia.
LEED y ventajas ambientales
Respecto del medioambiente, un chiller GED base gas natural puede ser un gran aliado para la reducción de la huella de carbono en la mayoría de los países latinoamericanos. En México, por ejemplo, más de 50 por ciento de la energía eléctrica se genera de manera ineficiente con combustibles fósiles muy sucios, como el carbón o el combustóleo. El gas natural produce dos veces menos emisiones de CO² que el carbón y 2.5 veces menos que el combustóleo, por lo que un complejo que genere su agua helada con chillers GED estará contribuyendo a la reducción de gases de efecto invernadero.

Tabla 3. Emisiones de chillers GED base gas natural
	Nivel 1 sin catalizador [g/bhp-h]	Nivel 2 con catalizador [g/bhp-h]
NOx	1.5	0. 1.5
CO	1.5	0.60
NMHC	1.5	0.15

En la Tabla 3, se pueden observar los dos niveles de emisión de gases de combustión; la marca de chillers GED Tecogen cuenta con dos niveles de emisión de gases, con y sin control de emisiones.
En lo referente a proyectos LEED (Leadership in Energy and Environmental Design), del USGBC, la tecnología de HVAC GED base gas natural puede aportar muchos puntos en aras de obtener la certificación LEED más alta. Las tecnologías base gas natural ofrecen tres grandes beneficios energéticos y ambientales:
1. Operan con energía más limpia que la recibida por el suministro eléctrico nacional (México)
2. Alta eficiencia operativa y alta recuperación de calor útil (cogeneración mecánica-térmica)
3. Refrigerante ecológico libre de cloro (R-134a)
Además, se complementa perfectamente con otras tecnologías innovadoras de HVACR para maximizar la eficiencia, no sólo energética, sino operacional, e inclusive se maximiza la eficiencia de edificación de un complejo. En sistemas que utilizan vigas frías, por ejemplo, en donde el control de la humedad es determinante para el correcto funcionamiento del sistema, es posible deshumidificar el aire de retorno o de renovación con la tecnología desecante líquido Ducool de Advantix Systems, la cual inclusive purifica el aire a una equivalencia MERV 8 y abate simultáneamente la carga latente y sensible. De manera que, a partir de la recuperación de calor, se abate carga sensible (aire acondicionado), latente (deshumidificación) y se purifica el aire (calidad de aire), todo al mismo tiempo. La combinación de estas tres tecnologías es sin duda uno de los sistemas de HVAC más eficientes del mercado actual.
Para cualquier proyecto LEED, en combinación con otras tecnologías de aprovechamiento de calor residual y distribución de aire aplicados a los diferentes estándares, se pueden alcanzar hasta 25 puntos en las siguientes categorías:

Energía y atmósfera
Innovación tecnológica
Calidad de Ambiente Interior
Eficiencia de agua

Impacto del sistema HVAC tradicional en el sistema eléctrico
Por increíble que parezca, en la gran mayoría de los proyectos de edificios nuevos o en remodelación, pocas veces se integra dentro de la comparativa de tecnologías de HVAC el impacto que tienen en otros sistemas operativos del complejo, principalmente en la partida eléctrica. Por lo general, no hay sistema dentro de un complejo comercial que impacte más en los costos iniciales y operativos que el aire acondicionado. Es tal su impacto en la partida eléctrica, que la mayoría de los inmuebles dedican una o dos subestaciones sólo a este sistema, e integran el resto de los sistemas que utilizan electricidad en una subestación aparte, la cual suele tener menos de la mitad de tamaño que la del aire acondicionado.
En la medida en que se controlen las cargas eléctricas de un inmueble a través de la reducción de compresores eléctricos, también se estará optimizando sustancialmente la calidad eléctrica del complejo. Los arranques de los compresores eléctricos del aire acondicionado suelen ser los principales causantes de los picos de demanda, distorsiones y ruido eléctrico, armónicas, variaciones en la frecuencia y voltaje en un inmueble.
Por otro lado, ante el evento de una interrupción eléctrica por fallas en el suministro o por catástrofes naturales, son muy pocos los complejos y aplicaciones en los que se invierte en una planta de emergencia para energizar el sistema de aire acondicionado ante falla eléctrica, por lo que el AA queda fuera de operación, sacrificando el confort de las personas. Los chillers con motores de combustión interna pueden ser una gran solución para un sinnúmero de aplicaciones que demandan aire acondicionado ininterrumpidamente, como hoteles, hospitales, data centers, laboratorios, centros de convenciones, auditorios, oficinas corporativas, cines, plantas de procesos industriales, de procesos de deshumidificación, entre otros.

Figura 8. Impacto del AA en el sistema eléctrico de un complejo

Como se observa en la figura 8, solamente los compresores eléctricos de un equipo tradicional pueden llegar a representar hasta 50 por ciento de la carga eléctrica total de un complejo y, por ende, la misma proporción en los costos totales de instalación e interconexión eléctrica. Entonces, ¿Cuántas veces como contratistas, diseñadores o consultores se hace el análisis completo y se evalúa el impacto neto del aire acondicionado sobre los costos de inversión y operativos del sistema eléctrico? La mayoría de las veces ni el contratista ni el ingeniero eléctrico suelen tener experiencia en HVAC para detallar acertadamente sobre el impacto de las diferentes propuestas en los tiempos en los que requeriría un proyecto tradicional, ni el contratista o diseñador de HVAC se encuentra en condiciones de dimensionar realmente cuánto podría estar cargando la partida eléctrica en toda su conformación, dada la tecnología que recomienda (contrato por kVA, acometida eléctrica, subestaciones, interruptores, cableado, etcétera). Esta información “se pierde” en las diferentes fases de la mayoría de los proyectos y comúnmente nadie se cuestiona los sobrecostos ocultos.
El primer paso como expertos en HVAC e inexpertos eléctricos es comprender claramente cómo y dónde repercute el diseño en los costos eléctricos del complejo. Es fácil anticipar que puede haber sistemas de HVAC que aparentemente tienen un costo-beneficio muy atractivo en inversión inicial y eficiencia; sin embargo, al evaluar su impacto en los costos eléctricos de todo el complejo, podría haber una alteración negativa en la concepción del costo-beneficio e inclusive se podrían reevaluar otras alternativas de HVAC que originalmente parecían ser más costosas. Por lo general, un complejo comercial o industrial debe considerar los siguientes costos antes y durante su construcción:
1.         Aportación por subestación reductora (costo por kVA contratado)
2.         Contrato con CFE (acometida eléctrica)
3.         Transformador y cableado secundario
4.         Interruptores termomagnéticos
5.         Instalación eléctrica de alimentación para equipos (cableado, canalización, alimentador)
Los costos totales eléctricos relacionados con el sistema de aire acondicionado para cualquier inmueble pueden variar, dependiendo de su ubicación; sin embargo, la proporción que tiene este sistema respecto de los costos totales eléctricos por lo general se cumple. Se puede observar en la tabla 4 que, usualmente, hay una correlación inversamente proporcional entre la eficiencia de una tecnología eléctrica y su impacto en el costo eléctrico de un complejo; es decir, entre más eficiente sea la tecnología, menos impacto tendrá en los costos totales asociados con su energización. Otro punto importante por destacar en los sistemas de HVAC eléctricos es que no importa su eficiencia promedio o a cargas parciales: la instalación eléctrica siempre considera que el equipo opera a plena carga, por lo que, de entrada, se tiene una porción de “inversión pasiva”, que es vista como algo obligado y que el mercado se ha acostumbrado a restarle importancia; sin embargo, ahora se puede comprender que la inversión pasiva es muy costosa realmente.

*Tabla 4. Impacto económico en el sistema eléctrico de un complejo por tecnología de AA*
Tecnología eléctrica de HVAC	eficiencia ARI (kW/T.R)	Eficiencia promedio IPLV (kW/T.R.)	Impacto en kVA equivalentes (kVA/T.R.)	Proporción promedio de costo total eléctrico	Costo promedio en impacto eléctrico (USD/KVA)*
Chillers enfriados por agua con variador de frecuencia	0.56	0.45	0.62	30%	$470
Chillers enfriados por aire	1.25	1	1.39	35%	$550
Water-source heat-pumps	1.1	0.9	1.22	60%	$940
Variable Refrigerant Flow, enfriado por aire	1.2	0.85	1.33	45%	$705
* Incluye impacto sólo en compresores de costo por kVA: alimentación eléctrica a equipos (incluye alimentador principal, tubería y cableado), aportación a Comisión por subestación reductora, contrato CFE para infraestructura de suministro, costos asociados a transformadores y cableado secundario e interruptores magnéticos.

Es evidente que evaluar una tecnología sólo por su inversión específica y su proyección en costos operativos con base en su eficiencia no es suficiente; habrá que evaluar cómo está impactando cada alternativa tecnológica en su total magnitud. Un sistema water-source heat-pump, que en apariencia es muy económico en inversión inicial comparado con el resto de las alternativas, tiene un gran impacto en los costos eléctricos asociados, encareciéndolo sustancialmente; por el contrario, un sistema de muy alta eficiencia, como una planta de chillers centrífugos con variadores de frecuencia, podría descartarse de inmediato por el dueño de un edificio si sólo evalúa su inversión sin considerar los costos eléctricos de otras tecnologías; no obstante, es, por mucho, más eficiente y seguramente más rentable. Entonces, se ingresa en el tema de la rentabilidad de un sistema de HVAC y cómo repercute directamente en la rentabilidad de un edificio entero, lo cual se complementará a continuación mediante un ejercicio completo de costos de utilización y retornos de inversión.
Análisis de rentabilidad: gas cooling vs. electric cooling
Una de las mejores herramientas para determinar la rentabilidad de un sistema de HVAC es el análisis de costos de utilización, el cual considera tanto la inversión inicial del sistema llave en mano, así como los costos operacionales totales asociados con dicha tecnología durante todo su ciclo de vida útil, como costos de energía de todo el sistema, costos de mantenimiento y operativos, costos de refacciones y correctivos mayores, costos de agua y químicos para sistemas enfriados por agua, etcétera. La inversión inicial de cualquier sistema de HVAC suele representar usualmente entre 5 y 10 por ciento del costo de utilización (inversión inicial más costo operativo en su ciclo de vida útil); entre mayor sea este porcentaje, mayor rentabilidad se obtendrá de la tecnología adquirida. En una gráfica de línea, es posible ver el tiempo exacto en el que se cruza cada tecnología; dichos cruces representan el tiempo de retorno entre tecnología y tecnología. Para determinar los consumos de cada tecnología de HVAC es preciso contar con un software certificado ARI o ASHRAE.
A continuación, se realiza un ejercicio típico a manera de análisis para conocer los beneficios financieros de la tecnología de chillers GED en el mercado mexicano, comparándola con los cuatro sistemas más representativos de AA: chillers centrífugos magenéticos enfriados por agua (lo más eficiente en tecnología eléctrica), tornillos enfriados por aire a velocidad constante (usualmente los más baratos de instalar), flujo de refrigerante variable (VRF) y water-source heat-pump (WSHP). Los datos de entrada están dados en la tabla 5; se considerará un edificio vertical, con horario operacional de 24/7 y que demanda térmicamente tanto agua helada para aire acondicionado, como caliente para baños, calefacción, piscinas, etcétera. Se consideran tarifas actuales en energía, así como sus inflaciones estimadas, y se utiliza el software de análisis de sistemas HVAC YorkCalc como herramienta de cálculo de consumos energéticos de cada alternativa, en cuya configuración se predeterminan los algoritmos para cálculo de eficiencia y desempeño de cada tecnología a cargas parciales, así como la curva de operación del sistema de HVAC para la Ciudad de México. Resaltado en rojo, se trata de enfatizar una desventaja dada en los parámetros de cada alternativa. Cabe destacar que este análisis es exclusivo y dedicado para la aplicación específica y la ubicación geográfica del edificio en cuestión, así como para variables económicas exclusivas de México. Para cada proyecto, se deben contemplar variables específicas y hacer un “traje a la medida”, por lo que los resultados no deben generalizarse para todos los proyectos y aplicaciones.
Para efectos prácticos, se determinan los costos paramétricos por partida, ya que no se cuenta con un proyecto a detalle. Los valores paramétricos están dados según las referencias de la industria de HVAC en México, considerando para el caso del sistema de aire acondicionado un sistema de distribución de aire convencional con UMA y fan & coils en las alternativas de agua helada, así como los costos promedios relacionados con los sistemas eléctricos, según la configuración electromecánica de cada alternativa.
En importante destacar que los costos por tonelada de refrigeración con los que se está familiarizado se alteran dramáticamente al considerar los costos asociados con el impacto en sistemas eléctricos, así como en sistema de calderas, contemplando para el caso exclusivo de gas cooling la recuperación de calor y el ahorro en inversión de calderas (la recuperación de calor en sistemas electric cooling operando en la Ciudad de México es muy ineficiente y poco rentable por la alta variación de carga en el sistema primario de AA, por lo que no se consideran para no afectar dichas tecnologías). Un ejemplo notable son los sistemas tipo water-source heat-pump, en los que el precio por tonelada de refrigeración resulta atractivo en principio ($2,050 USD/T.R.); pero, al añadir la partida eléctrica y de calderas, su precio por tonelada de refrigeración se dispara 70 por ciento aproximadamente ($3,560 USD/T.R.).
Resultados y conclusiones
Si al dueño de un edificio se le dijera que su sistema de HVAC de 1 mil T.R. le va a costar 50 millones de dólares, seguramente consideraría la propuesta un robo; sin embargo, en términos de Valor Presente Neto (VPN), realmente es lo que se instala y vende diariamente en este mercado. Es claro que hay otros factores de presupuestos y flujos de dinero que seguramente ponderarán a favor o en contra de cualquiera de las alternativas. Al final, el dueño del edificio deberá decidir entre invertir en un sobreprecio en los primeros 2 o 3 años en la inversión de su sistema, o pagar un sobrecosto financiero (llamado pérdida en la tabla 6), durante la vida útil de un sistema más económico.
Los resultados saltan a la vista en la tabla 6, donde se aprecia que para un edificio que considera la tecnología de gas cooling con chillers GED desde su etapa de diseño se puede encontrar una rentabilidad envidiable a lo largo de toda su operación. Se observa que no todo es miel sobre hojuelas, pues los parámetros en rojo marcan los puntos en contra de esta tecnología. Los beneficios se pagan en la inversión inicial, así como en los costos operativos de mantenimiento, correctivos mayores, consumo de agua y químicos. No obstante, estos sobrecostos resultan financieramente irrelevantes, dada la gran rentabilidad en consumo energético. Por otro lado, se debe evaluar siempre en la sobreinversión de un sistema de alta rentabilidad cuál es la diferencia neta entre ella y el futuro sobreahorro. En el ejercicio, si se compara la inversión inicial más económica con la solución de gas cooling, se observa que ésta requiere una sobre-inversión de 569 mil dólares; sin embargo, su ahorro neto en los primeros 10 años es de 5 millones 990 mil dólares, y de 45 millones de dólares al término de la vida útil del sistema; en otras palabras, se observa una escala de 80 a 1 en el costo total de vida útil de los equipos.
En el caso de las alternativas eléctricas, se debe reconocer un gran desempeño de los chillers magnéticos con variador de frecuencia, que es la tecnología que seguiría en rentabilidad, separándose ampliamente de los demás sistemas. Por último, se confirma el valor de cada tecnología al comparar su costo de adquisición contra el costo de utilización, valor que refleja el balance entre lo comprado y su impacto operacional futuro.

La modelización de sistemas energéticos

2013-02-11T11:11:00.001-08:00

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La modelización de sistemas energéticos

El diseño de instalaciones energéticas se ha vuelto sencillo en los últimos años por la profusión de herramientas que ayudan al proyectista. El cálculo fácil de proyectos complejos es hoy en día una realidad. Pero cuando es necesario desviarse del diseño convencional comienzan los problemas y aparecen fallos o rendimientos no esperados. El conocimiento de los métodos para estimar el uso de la energía resulta vital para entender los modelos que nos permiten entender los sistemas energéticos y en consecuencia optimizar los diseños. Estos métodos son especialmente interesantes para establecer las líneas generales y calcular los ahorros que podemos conseguir reacondicionando instalaciones existentes.

En este artículo nos vamos a centrar en explicar en los métodos existentes para la modelización de sistemas energéticos. Nos centramos especialmente en los métodos destinados al estudio de los sistemas HVAC (calefacción, ventilación y aire acondicionado).

CONSIDERACIONES GENERALES

Modelos y aproximaciones

Un modelo matemático es la descripción del comportamiento de un sistema, y puede hacerse a partir de tres componentes:

1. Variables de entrada: Son las que actúan en el sistema. Hay de dos tipos: controlables por el experimentador, y no controlables (ej. clima).

2. Estructura y parámetros/propiedades del sistema: Proporcionan la descripción física necesaria del sistema (ej. masa térmica o propiedades mecánicas de los elementos).

3. Variables de salida (respuesta o salida dependiente): Describe la reacción del sistema a las variables de entrada. El uso de la energía es a menudo una variable de respuesta.

La ciencia de modelización matemática aplicada a los sistemas físicos implica la determinación de un tercer componente de un sistema cuando se han especificado los otros dos componentes.

Aproximación clásica – El objetivo es predecir las variables de salida de un modelo especificado con estructura y parámetros conocidos cuando están sujetos a variables de entrada especificadas. Para asegurar exactitud, los modelos tienden a llegar a ser cada vez más complejos, algo asumible con la llegada de los poderosos computadores actuales. Esta aproximación presume un conocimiento detallado no solamente de los fenómenos naturales que afectan al comportamiento del sistema sino también de la magnitud de las interacciones (ej. masa térmica efectiva, coeficientes de transferencia de masa y calor, etc.). La principal ventaja de esta aproximación es que el sistema no necesita ser físicamente construido para predecir su comportamiento. Esta aproximación es ideal en la etapa de diseño preliminar y etapa de análisis.

La modelización clásica del uso de la energía comienza con una descripción física del sistema del edificio o componente de interés. Por ejemplo, la geometría del edificio, localización geográfica, características físicas (ej. material y espesor de la pared), tipo de equipo y planificación de la operación, sistema HVAC, perfil de carga del edificio, equipo de planta, etc. El uso de energía promedio y pico del edificio puede predecirse o simularse por el modelo. El beneficio primario de este método se basa en los principios de ingeniería convencionales, y en consecuencia ha ganado aceptación entre los profesionales. Software típico como BLAST, DOE-2 y EnergyPlus se basan en esta aproximación.

Aproximación inversa – En este caso, las variables de entrada y salida se conocen y miden, y el objetivo es determinar una descripción matemática del sistema y estimar los parámetros del sistema. Este modelo es relevante cuando el sistema ya está construido y los datos de rendimiento actual están disponibles para el desarrollo y/o identificación del modelo. Pueden usarse dos tipos de datos de rendimiento: no intrusivos e intrusivos. Los datos intrusivos se consiguen bajo condiciones de experimentos planificados en el sistema para obtener la respuesta del sistema bajo un amplio rango condiciones de rendimiento del sistema que ocurriría bajo operaciones del sistema normal. Estos datos de rendimiento permiten una especificación e identificación del modelo más exacto. Cuando las restricciones a la operación del sistema no permiten que se realicen tales tests, el modelo debe identificarse como datos no intrusivos obtenidos bajo operaciones normales.

La modelización de datos a menudo permite la identificación de modelos del sistema que no sólo son más simples de usar sino también son predictores más exactos del rendimiento del sistema futuro que los modelos convencionales.

CARACTERÍSTICAS DE LOS MODELOS

Modelos convencionales

Aunque los procedimientos para estimar los requerimientos de energía varían considerablemente en su grado de complejidad, todos tienen tres elementos comunes: cálculo de (1) carga de espacio, (2) carga de equipo secundaria, y (3) requerimientos de energía del equipo, y (3) requerimientos de energía de equipos primarios. Los equipos secundarios son los que distribuyen calor, frío o ventilación, mientras que los equipos primarios se refieren a los equipos de planta central que convierten combustible o energía eléctrica para calentar o enfriar.

El primer paso para calcular los requerimientos de energía es determinar la carga del espacio, que si hablamos por ejemplo de HVAC es la cantidad de energía que debe añadirse o extraerse de un espacio para mantener las condiciones deseadas.

El segundo paso es trasladar la carga del especio a una carga en el equipo secundario. Esto puede ser por ejemplo una estimación simple de pérdidas o ganancias en tuberías o una simulación horaria, tal como la utilizada en volumen de aire variable con enfriamiento de aire. Este paso debe incluir los cálculos de todas las formas de energía requeridas por el sistema secundario (ej. energía eléctrica para enfriar agua).

El tercer paso calcula el combustible y la energía requerida por el equipo primario para cumplir estas cargas y la demanda pico. Esto considera las eficiencias de los equipos y las características de carga parcial. A menudo es necesario mantener diferentes formas de energía, tales como electricidad, gas natural o gasóleo.

Mediante un análisis de energía podemos obtener datos intermedios, tales como tiempo de uso de energía y máxima demanda, y también podemos estimar con exactitud los cargos de la compañía eléctrica. Aunque no son partes de los cálculos de energía, los costes de equipos de capital estimados también serán incluidos.

Pero en los sistemas energéticos pueden ocurrir interacciones complejas que a menudo son inesperadas entre sistemas o entre varios modos de transferencia de calor. Por ejemplo, los paneles de calefacción radiante afectan las cargas del espacio elevando la temperatura radiante media del espacio.

Modelos a partir de datos

Data-driven model cumple los requerimientos de una forma muy diferente al modelo convencional forward model. Este modelo puede contener solamente un número relativamente pequeño de parámetros debido a la información a menudo repetitiva contenida en los datos de rendimiento. Se trata por tanto de un modelo mucho más simple que contiene menos términos representativos de parámetros agregados o macroscópicos (ej. coeficientes de pérdida de calor en edificios y constante de tiempo). Debido a que los parámetros del modelo se deducen del rendimiento actual de los edificios, es mucho más exacto predecir el comportamiento del sistema futuro bajo ciertas circunstancias específicas. La colección de datos de rendimiento y la formulación del modelo necesita ser apropiadamente evaluada para las circunstancias específicas, lo cual a menudo requiere un alto nivel de pericia.

Para comprender mejor el uso de estos modelos, debemos entender algunas cuestiones que el profesional puede preguntarse sobre un edificio existente con consumo de energía conocido:

· ¿Cómo se compara el consumo con las predicciones de diseño?

· ¿Cómo cambia el consumo al variar niveles de termostatos, tasas de ventilación, niveles de iluminación interior, etc.?

· ¿Cuánta energía puede ahorrarse trabajando con sistemas como volumen variable o cambios en las configuraciones de sistemas existentes?

· ¿Podemos verificar el ahorro conseguido mediante un proyecto de reacondicionamiento?

· ¿Cómo podemos detectar fallos en los equipos y optimizarlos?

ELIGIENDO UN MÉTODO DE ANÁLISIS

El paso más importante para seleccionar un método de análisis de energía es acoplar las capacidades del método con los requerimientos del proyecto. El método debe ser capaz de evaluar todas las opciones de diseño con suficiente exactitud para tomar las decisiones correctas. Se aplican generalmente los siguientes factores:

· Exactitud: El método será lo suficiente exacto como para permitir la elección correcta. Debido a que muchos parámetros están implicados en la estimación de energía, una predicción absolutamente exacta no es posible.

· Sensibilidad: El método sería sensible a las opciones de diseño que se están considerando. La diferencia en el uso de la energía entre dos elecciones debe ser adecuadamente reflejada.

· Versatilidad: El método permitiría un análisis de todas las opciones bajo consideración. Cuando diferentes métodos deben ser usados para considerar distintas opciones, no puede realizarse una estimación exacta de la energía diferencial.

· Velocidad y coste: El tiempo total (recopilación de datos, preparación, cálculos, y análisis de resultados) hará que el análisis sea apropiado a los beneficios potenciales ganados. Con mayor velocidad, pueden considerarse más opciones en un momento dado. El coste del análisis es en gran medida determinado por el tiempo total del análisis.

· Reproducibilidad: El método no permitirá elecciones vagamente definidas que hagan que diferentes analistas obtengan resultados diferentes.

· Facilidad de uso: Esto afecta tanto a la economía como al análisis y reproducibilidad de resultados.

MODELIZACIÓN DE CARGAS Y COMPONENTES

Cálculo de las cargas sensibles del espacio

El cálculo de la carga sensible del espacio instantáneo es un paso clave a cualquier simulación de la energía de un edificio. Para estos cálculos se usan métodos de balance térmico y factor de ponderación. Un tercer método, el método de red térmica no se usa mucho pero es prometedor.

La carga sensible del espacio instantáneo es la tasa de flujo de calor que entra en la masa de aire del espacio. La cantidad, a veces llamada la carga de enfriamiento, difiere de la ganancia de calor, que usualmente contiene un componente radiactivo a través del aire y es absorbido por otra superficie dura. La carga sensible del espacio instantáneo es enteramente convectiva; incluso cargas desde equipos internos, luz, y entrada de aire por convección de la superficie que ha absorbido el componente de energía emitida de estas fuentes. Sin embargo, se harán algunos ajustes cuando los sistemas de calefacción y enfriamiento radiante son evaluados porque algunas cargas del espacio se compensan directamente por transferencia radiante sin transferencia convectiva a la masa de aire. Sin embargo, la masa térmica (capacidad de calor) del aire en sí mismo es ignorado en el análisis, así que se asume que está en equilibrio térmico. Bajo estas asunciones, la carga sensible del espacio y la retirada de calor son iguales en magnitud pero en signo opuesto.

Los métodos del factor de ponderación y equilibrio térmico usan funciones de transferencia por conducción (o sus equivalentes) para calcular la ganancia o pérdida de calor por transmisión. La principal diferencia está en los métodos usados para calcular la transferencia de calor interna en la habitación.

Método de equilibrio térmico

Su desarrollo depende de la primera ley de la termodinámica y los principios del álgebra de matrices. Requiere menos asunciones que el método de factores ponderados, pero es más flexible. Sin embargo requiere más cálculos en cada punto en el proceso de simulación, por lo que requiere más tiempo de computación. Los factores de peso usados son determinados con el procedimiento de equilibrio térmico. Aunque no es necesario, se usa comúnmente linealización para simplificar la formulación de transferencia radiativa.

El método de equilibrio térmico permite calcular las cargas de enfriamiento y calentamiento sensible instantáneo neto en la masa de aire del espacio.

Método del factor ponderado

El método del factor ponderado de calcular la carga sensible de un espacio es un compromiso entre métodos más simples (ej. cálculos de estado estacionario) que ignoran la capacidad de la masa del edificio de almacenar energía, y métodos más complejos (ej. cálculos de equilibro energético completos). Con este método, la ganancia de calor del espacio a una temperatura constante está determinada por la descripción física del edificio, condiciones climáticas ambientales, y perfiles de carga interna. Junto con las características y disponibilidad de los sistemas de calentamiento y enfriamiento para los edificios, la ganancia de calor en el espacio se usa para calcular las temperaturas del aire y las tasas de extracción de calor. Esta discusión es en términos de ganancia de calor, cargas de enfriamiento, y tasas de extracción de calor. Las pérdidas de calor, cargas de calentamiento, y tasas de adición de calor son simplemente términos diferentes por la misma cuestión, dependiendo de la dirección del caudal de calor.

Los factores de ponderación representan funciones Z-transfer. La Z-transform es un método para solventar ecuaciones diferenciales con datos discretos. Se usan dos grupos de factores de ponderación: ganancia térmica y temperatura del aire.

Los factores de ponderación de ganancia térmica representan funciones de transferencia que relacionan la carga de enfriamiento del espacio a ganancias de calor instantánea. Se calculan una serie de factores de ponderación para cada grupo de fuentes de calor que difieren significativamente en la (1) cantidades relativas de energía apareciendo energía como convección al aire respecto a radiación, y (2) distribución de intensidades de energía en superficies diferentes.

Los factores de ponderación de la temperatura del aire representan una función de transferencia que relaciona la temperatura del aire a la carga de energía neta de la habitación. Los factores de ponderación para una fuente de calor particular se determinan por la introducción de un pulso unitario de energía desde a fuente en la red de la habitación. La red se configura con una serie de ecuaciones que representan el balance térmico de la habitación. En cada intervalo de tiempo (intervalos de una hora), incluyendo la introducción inicial, el caudal de energía al aire de la habitación representa la cantidad del pulso que llega a ser una carga de enfriamiento. De esa forma, puede generarse una larga secuencia de cargas de enfriamiento, de las cuales se calculan los pesos de ponderación. De esa forma, se generan una larga secuencia de cargas de enfriamiento, en la que se calculan los factores de peso.

Se utiliza un proceso en dos pasos para determinar la temperatura del aire y la tasa de extracción de una zona de edificio o habitación para una serie de condiciones dadas. En primer lugar, la temperatura del aire de la habitación se asume sea fija a un valor de referencia, usualmente la temperatura del aire promedio esperada para la habitación sobre el periodo de simulación. La ganancia de calor instantánea se calcula basándose en esta temperatura de aire constante. Se consideran varios tipos de ganancia de calor. Algunos, tales como la energía solar entrando a través de una ventana o la energía de iluminación, personas, o equipos, son independientes de la temperatura de referencia. Otros, tales como los conductores a través de las paredes, dependen directamente de la temperatura de referencia.

Una carga de enfriamiento sensible del espacio para la habitación, se define como la tasa a la que la energía se elimina de la habitación para mantener el valor de referencia de la temperatura de aire, calculado para cada tipo de ganancia de calor instantánea porque algo de energía es absorbida por paredes y muebles y almacenado para más tarde ser liberado en el aire.

Los factores de ponderación son una serie de parámetros que determinan cuanta energía que entra en una habitación es almacenada y con cuanta rapidez la energía almacenada se libera posteriormente. Matemáticamente, los factores ponderados son una función Z-transfer relativa a la ganancia de calor a la carga de enfriamiento.

Los factores ponderados difieren por distintas fuentes de ganancia térmica debido a las cantidades relativas de energía convectiva y radiativa dejando varias fuentes diferentes y debido a que la distribución de energía radiativa puede diferir. Los factores ponderados de ganancia de calor también difieren entre habitaciones porque la construcción de habitaciones afecta la cantidad de energía entrante almacenada por las paredes o muebles y la tasa a la que se libera.

En el segundo paso, se usa la carga de enfriamiento total para calcular la tasa de extracción de calor actual y la temperatura del aire. La tasa de extracción de calor actual difiere de la carga de enfriamiento (1) debido a que, en la práctica, la temperatura del aire puede variar del valor de referencia usada para calcular la carga de enfriamiento, o (2) por las características de los sistemas HVAC.

Dos asunciones se hacen en el método de los factores ponderados. Primero, el proceso modelado es lineal. Esta asunción es necesaria porque la ganancia desde varias fuentes se calcula independientemente y se suma para obtener el resultado total (ej. se usa el principio de superposición). Por lo tanto, los procesos no lineales tales como radiación o convección natural deben ser aproximadamente lineales. Esta asunción no es una limitación significativa debido a que estos procesos pueden ser aproximadamente lineales con exactitud suficiente para la mayoría de los cálculos. La segunda asunción es que las propiedades del sistema influenciando los factores de ponderación son constantes (es decir, no son funciones de tiempo). Esta asunción es necesaria porque sólo una serie de factores de ponderación se usan durante el periodo de ponderación completa. Esta asunción puede limitar el uso de factores de ponderación en situaciones donde propiedades importantes de la habitación varían durante el cálculo (ej. la distribución de radiación incidente solar en las paredes interiores de una habitación, que pueden variar a lo largo del día, y los coeficientes de transferencia de calor de la superficie interior).

Cuando se usa el método del factor de ponderación, se usan coeficientes de transferencia de calor convectivos/radiativos como coeficiente de transferencia de calor de la superficie. Este valor se asume constante incluso aunque, en una habitación real, (1) calor radiante transferido de una superficie depende de la temperatura de otras superficies de habitación (no solamente en temperaturas de aire de la habitación) y (2) el coeficiente de transferencia de calor combinado no es constante. Bajo estas circunstancias, el valor promedio de la propiedad debe usarse para determinar los factores de ponderación.

Métodos de red térmica

Aunque las implementaciones de la metodología de red térmica varían, tienen una discretización común en el edificio en una red de nodos, con trayectorias de interconexión a través de la cual fluye la energía. En muchos aspectos, los modelos de red térmica pueden considerarse refinamientos del método de equilibrio de calor. Donde el modelo de equilibrio de calor generalmente usa un nodo para el aire de zona, el método de la red térmica generalmente usa un nodo para el aire de zona, el método de red térmica puede usar múltiples nodos. Para cada elemento de transferencia de calor (paredes, techo, suelo, etc.), el modelo de equilibrio de calor generalmente tiene un nodo de superficie exterior e interior; el modelo de red térmica puede incluir nodos adicionales. Los modelos de equilibrio térmico generalmente usan métodos simples para distribuir la radiación de la luz; los modelos de red térmica pueden modelar las lámparas, balastos, y carcasas de las luminarias separadamente. Además, los modelos de redes térmicas dependen del balance de calor en cada nodo para determinar la temperatura del nodo y el flujo energético entre todos los nodos conectados. El flujo energético puede incluir conducción, convección, y radiación de onda corta y larga.

Para cualquier modo de flujo de energía, pueden usarse un rango de técnicas para modelar la energía entre dos nodos. Tomando la transferencia de calor como un ejemplo, el modelo de red térmica más simple sería resistente a la red de resistencia/capacitancia. Refinando la discretización de la red, los modelos son modelos de diferencia finita o volumen finito.

TRANSFERENCIA DE CALOR DESDE EL SUELO

El rendimiento térmico desde las cimentaciones del edificio ha sido en gran medida ignorado. Sin embargo, a comienzos de los años 70 se estimó que el 10 % de la energía usada en las casas de Estados Unidos se atribuía a la transferencia de calor a través de sus cimentaciones. Desde entonces, el rendimiento térmico de los elementos del edificio por encima del nivel del suelo ha mejorado significativamente, por lo que la contribución del calor desde el suelo representa un porcentaje superior. Un estudio llevado a cabo en 1983 estimó que la transferencia de calor desde unas cimentaciones no aisladas en Ohio, podía representar hasta el 67 % de la carga térmica de la envolvente del edificio.

Método de cálculo simplificado

La herramienta para calcular pérdidas de calor a través de las cimentaciones fue diseñada por Krarti y Chuangchid (1999). La herramienta de diseño es fácil de usar y ello requiere los parámetros de entrada correctos con valores variables continuamente, incluyendo tamaño de la cimentación, valores R de aislamiento, propiedades térmicas del suelo, y temperaturas de interior y exterior. El método simplificado proporciona una serie de ecuaciones convenientes para estimar las pérdidas de calor estacional y anual de una losa o cimentación como una función de un amplio rango de variables.

Cuando la temperatura interior del edificio se mantiene constante, la transferencia de calor acoplada al suelo q(θ) varía con el tiempo de acuerdo con la siguiente ecuación:

Donde:

q_mean= Pérdida de calor media anual /ganancia, W

q_mean= Pérdida de calor/amplitud de ganancia, W

θ = tiempo, s

ω = frecuencia angular anual (ω=1.992 x 10^-7 rad/s)

ϕ = retraso de fase entre pérdida de calor de placa total

COMPONENTES DEL SISTEMA SECUNDARIO

Los sistemas HVAC secundarios incluyen todos los elementos del sistema de energía del edificio entre un calentador central y una planta de enfriamiento y las zonas del edificio. La definición precisa depende profundamente del diseño del edificio. Un sistema secundario típicamente incluye equipos de manejo de aire; sistemas de distribución de aire con conductos asociados; trampillas; ventiladores; y calefacción, enfriamiento, y equipo de acondicionamiento de humedad. También incluye sistemas de distribución de líquidos entre la planta central y la zona y equipo de manejo de aire, incluyendo tuberías, válvulas y bombas.

Aunque el diseño exacto de sistemas secundarios varía dramáticamente entre los edificios, realmente están compuestos de un número genérico de componentes HVAC. Estos componentes incluyen componentes de distribución (ej. bombas/ventiladores, tuberías/conductos, válvulas/trampillas, cabezales/plenums, accesorios) y componentes de transferencia de masa y calor (ej., serpentines de calefacción, refrigeración, serpentines de deshumidificación, intercambiadores de calor de líquidos, intercambiadores de calor de aire, enfriadores evaporativos, inyectores de vapor). La mayoría de los sistemas secundarios pueden describirse simplemente conectando estos componentes para formar el sistema completo.

La estimación de energía a través de la simulación del computador a menudo imita la construcción modular de los sistemas secundarios usando elementos de simulación modular. En la extensión que el sistema secundario consume energía y transfiere energía entre el edificio y la planta central, puede realizarse un análisis de energía caracterizando el consumo de energía de los componentes individuales y la energía transferida entre los componentes del sistema. En realidad, pocos componentes secundarios consumen energía directamente, excepto ventiladores, bombas, hornos, paquetes de aire acondicionado de expansión directa con calentadores a gas y calentadores en linea. Los componentes secundarios se dividen en dos categorías: componentes de distribución y componentes de transferencia de masa y calor.

Sistemas de ventiladores, bombas y distribución

El sistema de distribución de un sistema HVAC afecta la consumición de energía de dos formas. Primero, ventiladores y bombas consumen energía eléctrica directamente, basándose en el caudal y presión bajo la cual el dispositivo opera. Conductos y trampillas, o tuberías y válvulas, y las estrategias de control del sistema afectan al caudal y la presión en el ventilador o bomba. Segundo, la energía térmica a menudo se transfiere a (o del fluido) por (1) transferencia de calor a través de tuberías y conductos y (2) entrada eléctrica a ventiladores y bombas. El análisis de los componentes de un sistema, por lo tanto, tendría en cuenta tanto el consumo de energía eléctrica como la transferencia de energía térmica.

El análisis detallado de un sistema requiere el equilibrio de presión y caudal entre los componentes, pero casi todos los métodos de análisis de energía disponibles aproximan el efecto de las interacciones con curvas de rendimiento de carga parcial. Esto elimina la necesidad de calcular la caída de presión a través del sistema de distribución en condiciones fuera de diseño. Las curvas de carga parcial se expresan a menudo en términos de ratio de entrada de potencia (power input ratio o PIR) como una función del ratio de carga parcial, definido como el ratio de caudal con carga parcial respecto al caudal de diseño:

Donde

PIR = Ratio de entrada de potencia

W = Potencia del motor de ventilador a carga parcial, W

W_full = Potencia del motor del ventilador a plena carga, W

Q = Tasa de caudal del ventilador a carga parcial, cfm

Q_full =Tasa de caudal del ventilador a carga parcial, cfm

f_plr = Función de regresión, típicamente polinómica

La forma exacta de la curva de carga parcial depende del efecto del control de caudal en la presión y la eficiencia del ventilador y puede calcularse usando un análisis detallado o datos de mediciones de campo. Se obtienen curvas representadas por ecuaciones de regresión polinómica.

Componentes de transferencia de masa y calor

Los sistemas de HVAC secundarios comprenden los componentes de transferencia de masa y calor (ej. serpentines de calentamiento de aire basados en vapor, enfriamiento por agua fría y serpentines de des humidificación, intercambiadores de calor de líquido de tubo y carcasa, intercambiadores de calor aire-aire, enfriadores evaporativos, inyectores de vapor). Aunque estos componentes no consumen energía directamente, su rendimiento térmico dicta interacciones entre cargas del edificio y componentes primarios consumidores de energía (ej. enfriadoras, calderas). En particular, el rendimiento de componentes secundarios determina las condiciones del fluido entrante para los componentes primarios, los cuales determinan las eficiencias de energía del equipo primario. Los cálculos de energía exactos no pueden realizarse sin modelos apropiados del calor del sistema y componentes de transferencia de calor.

Por ejemplo, la carga en una enfriadora se describe típicamente como la suma de las cargas latentes y sensibles de zona, más cualquier ganancia de calor de los conductos, plenums, ventiladores, bombas, y tuberías. Sin embargo, el consumo de energía viene determinado no solamente por la carga sino también por la temperatura y el caudal del agua de retorno. La condición del agua de retorno viene determinada por el rendimiento del serpentín de enfriamiento y por la estrategia de operación de carga parcial del sistema de distribución de agua y aire. El serpentín de enfriamiento puede típicamente controlarse para mantener una temperatura de aire constante modulando el flujo del caudal de agua a través del serpentín. En tal escenario, el modelo del serpentín de enfriamiento debe ser capaz de calcular la humedad del aire, la temperatura del agua, y el caudal de agua dado según las características de diseño del serpentín de enfriamiento y temperatura de aire entrante y humedad, caudal, y temperatura del agua.

Virtualmente todos los programas incluyen, y requieren, modelos de componentes de transferencia de masa y calor. Estos modelos son generalmente relativamente simples. Mientras que un diseñador puede usar un análisis tubo-a-tubo detallado de transferencia de calor por conducción y convección en las superficies de las aletas para desarrollar una combinación de geometría de aletas y tubos, un análisis de energía está más interesado en determinar cambios en el estado de los fluidos conforme las condiciones de operación varían durante el año. Adicionalmente, el análisis de energía es probable que haya limitado los datos de diseño en el equipo y, por lo tanto, requiere un modelo con muy pocos parámetros que dependen de la geometría del equipo y características de diseño detallado.

Una aproximación típica para modelar los componentes de transferencia de masa y calor para los cálculos de energía se basan en un effectiveness-NTU heat exchanger model.

MÉTODOS PARA ESTIMAR Y MODELAR LA ENERGÍA

Los métodos para estimar y modelar la energía son particularmente apropiados para describir las condiciones de los fluidos cuando se conocen las características de diseño del equipo. Asimismo, este modelo requiere solamente un único parámetro para describir las características del intercambiador: el coeficiente de transferencia total UA, que puede ser determinado a partir de los datos de rendimiento de diseño limitado.

Debido a que los métodos de efectividad clásica se desarrollaron para los intercambiadores de calor sensible en sistemas HVAC. Para serpentines de calentamiento de aire con tubos de aleta típica, la configuración de flujo cruzado con chorros no mezclados es la más apropiada. La misma configuración típicamente se aplica a intercambiadores de calor aire-a-aire. Para intercambiadores de calor líquido-a-líquido, el equipo tubo-en-tubo puede ser modelado en paralelo o contraflujo, dependiendo de las direcciones de caudal. El equipo de tubo y carcasas puede modelarse en contraflujo o flujo cruzado, dependiendo de la extensión del baffling y el número de pasos de tubo. El análisis de energía debe determinar el UA para describir las operaciones de un intercambiador de calor específico. Típicamente hay dos aproximaciones para determinar este importante parámetro: cálculo directo y datos del fabricante. Conociendo la información detallada sobre materiales, geometría, y construcción del intercambiador de calor, los principios de transferencia de calor fundamentales pueden aplicarse para calcular el coeficiente de transferencia de calor total. Sin embargo, el método más apropiado para estimar la energía es usar los datos de rendimiento del fabricante o con mediciones directas de rendimiento. Los fabricantes típicamente proporcionan la tasa de transferencia de calor bajo varias condiciones de operación, con las condiciones de operación descritas en términos de entrada de tasas de caudal y temperaturas del fluido.

Ejemplo de análisis de un sistema de calentamiento de agua

Imaginemos la evaluación de un sistema de calentamiento de agua caliente que incluye un serpentín de calentamiento de agua caliente. El programa de análisis de energía usa un effectiveness-NTU model del serpentín y requiere el UA (coeficiente de transferencia) del serpentín como un parámetro de entrada. Aunque no está disponible información detallada de la geometría del serpentín y las superficies de transferencia de calor no están disponibles, el fabricante afirma que el serpentín de calentamiento de agua de one-row transmite 240 kW de calor bajo las siguientes condiciones de diseño:

Rendimiento de diseño

Temperatura del agua entrante t_ht = 80ºC

Caudal de la masa de agua m_h = 5 kg/s
Temperatura del aire de entrada t_ci = 20ºC
Caudal de la masa de aire m_c = 8 kg/s
Transferencia de calor de diseño q = 240 kW

Solución

En primer lugar debemos determinar la UA, luego usaremos UA para predecir el rendimiento en condiciones fuera de diseño. En ambos pasos se usa Effectiveness-NTU relationships. La asunción clave es que UA es constante para ambas condiciones de operación.

a) Un examen de los caudales y el calor específico permite calcular la capacidad del fluido caliente C_h y la capacidad del fluido frío C_c en las condiciones de diseño, y el ratio de capacidad Z.

Donde c_p es el calor específico y c_max y c_min son las capacidades más grandes y más pequeñas, respectivamente.

b) La efectividad puede calcularse directamente de la definición de transferencia de calor.

Donde t_CO es la temperatura del aire dejando el intercambiador.

c) La effectiveness-NTU relationships para un intercambiador de calor de flujo cruzado con ambos fluidos sin mezclarse permite calcular la efectividad en términos de ratio de capacidad Z y la NTU (esta relación está disponible en libros de texto). El valor de la efectividad y ratio de capacidad, NTU = 0,804.

d) La transferencia de calor UA viene determinada por la definición de NTU.

COMPONENTES DEL SISTEMA PRIMARIO

Los sistemas HVAC primaria consumen energía y transmiten calor y frío al edificio, usualmente a través de sistemas secundarios. Los equipos primarios generalmente incluyen enfriadoras, calderas, torres de refrigeración, equipos de cogeneración y equipos de almacenamiento térmico a nivel de planta.

Estrategias de modelización

Las características de consumo de energía del equipo primario generalmente dependen del diseño del equipo, condiciones de carga, condiciones ambientales, y estrategias de control del equipo. Por ejemplo, el rendimiento de la enfriadora depende de las características de diseño del equipo básicas (ej., superficies de intercambio de calor, diseño del compresor), temperaturas y caudal a través del condensador y evaporador, y métodos para controlar la enfriadora a diferentes cargas y condiciones de operación. En general, estas variables varían constantemente y requieren cálculos sobre una base horaria.

Modelos de regresión

Aunque muchos componentes secundarios (ej. intercambiadores de calor, válvulas) están descritos por los principios de ingeniería, la naturaleza compleja de la mayoría de los equipos primarios ha aconsejado el estudio de las características de consumo usando ecuaciones de regresión simples publicadas a partir de datos del fabricante.

La aproximación habitual para modelar equipos primarios en los programas de simulación es asumir las siguientes formas funcionales para el consumo de energía de los equipos:

Donde:

P = Potencia del equipo, kW

PIR = Ratio de entrada de energía

PIR_nom = Ratio de entrada de energía bajo condiciones a plena carga nominal

Load = Potencia transmitida a la carga, kW

C_avail = Capacidad del equipo disponible, kW

C_nom = Capacidad del equipo nominal, kW

f₁ = Función relacionada con la potencia a plena carga en condiciones off-design (t_a,tb,…) a potencia a plena carga en condiciones de diseño

f₂ = Función de potencia a plena carga de fracción, relacionando la potencia a carga parcial respecto a la potencia a plena carga

f₃ = Función relacionando la capacidad disponible en condiciones off-design (ta,tb,…) respecto a la capacidad nominal

t_a,t_b = varias temperaturas de operación que afectan a la potencia.

PLR = Ratio de carga parcial

El ratio de carga parcial es la relación de la carga respecto a la capacidad del equipo disponible en unas condiciones de operación fuera de diseño. Como la potencia la capacidad a plena carga es una función de las condiciones de operación.

Las formas particulares de las funciones off-design f₁ y f₃ dependen del tipo específico del equipo primario. Por ejemplo, para las calderas de combustibles fósiles, la capacidad y potencia a plena carga puede ser afectada por las pérdidas térmicas a temperatura ambiente. Para las enfriadoras, tanto la capacidad como la potencia pueden ser afectadas por las temperaturas del evaporador y del condensador, que a menudo están caracterizadas en términos de sus fluidos secundarios. Para las enfriadoras enfriadas por aire de expansión directa, las temperaturas de operación son típicamente las temperaturas del bulbo húmedo del aire entrando en el condensador. Para las enfriadoras de líquidos, las temperaturas son usualmente la temperatura del agua dejando la enfriadora y la temperatura del agua entrando en el condensador.

Ejemplo

Consideremos el rendimiento de una unidad de techo de una zona simple. El rendimiento nominal de estas unidades es dada típicamente para temperaturas de aire exterior de 35 ºC y evaporador entrando en las condiciones del serpentín de 26,7 ºC db y 19,4 ºC wb.

Las constantes están tabuladas (ver bibliografía)

La función f₂ de potencia a plena carga fraccional representa el cambio en la eficiencia del equipo en condiciones de carga parcial y depende profundamente de las estrategias de control usadas para acoplar carga y capacidad.

Modelos First-Principle

Como con los componentes secundarios, los principios de ingeniería pueden usarse para desarrollar modelos de equipos primarios.

Por ejemplo, un modelo de caldera complejo no es apropiado si la caldera opera virtualmente a eficiencia constante. Similarmente, un modelo de regression puede ser apropiado cuando el usuario dispone de datos fiables medidos en planta. Sin embargo, los modelos físicos first-principle tienen varias ventajas sobra los modelos de regresión puros:

· Los modelos físicos permiten la extrapolación de la confianza fuera del rango de los datos disponibles.

· La regresión es aún requerida para obtener valores para parámetros físicos no conocidos. Sin embargo, los valores de estos parámetros usualmente tienen significado físico, que puede ser usado para estimar valores de los parámetros default, errores de diagnosis en el análisis de datos a través de controles para valores de parámetros realistas, e incluso evaluar el potencial de las mejoras de rendimiento.

· El número de parámetros desconocidos es mucho más pequeño que el número de coeficientes desconocidos en el modelo de regresión típico. Por ejemplo, el modelo de compresor ARI estándar requiere tanto como 30 coeficientes, 10 para regresión de capacidad, potencia, y caudal de refrigerante. Por comparación, un modelo de compresor físico puede tener tan pocos como cuatro o cinco parámetros desconocidos. Así, los modelos físicos requieren menor medición de datos.

· Los datos de operación de carga parcial de enfriadoras y calderas son notoriamente difíciles de obtener. Las correcciones de carga parcial a menudo representan la mayor incertidumbre en los modelos de regresión, ya que causan el mayor efecto en las predicciones de energía anuales. Por comparación, los modelos físicos de operación en carga parcial a menudo permiten extensión directa a operación con carga parcial con pocos datos requeridos adicionales.

Los modelos físicos de equipos HVAC se basan fundamentalmente en los análisis de ingeniería y están disponibles en muchos libros de texto.

Aunque los modelos físicos se basan en las características físicas, los valores obtenidos a través del análisis de regresión de los datos del fabricante no son representativos.

( de Modelización de sistemas energéticos en detalle)

El modelo energético de una caldera

Los modelos dinámicos de una caldera describen el comportamiento transitorio del equipo. En consecuencia, estos modelos necesitan capturar con exactitud datos del proceso de combustión y el intercambio de energía que ocurre en el interior de la cámara de combustión. Estos modelos solamente se consideran en los casos más complejos.

Aunque todas las variables principales de una caldera pueden variar con las condiciones de carga y ambientales, asumiendo condiciones de estado estacionario durante los momentos en los que el quemador está encendido y apagado da como resultado una relación entre las variables de entrada y salida que son mucho más simples que las de los modelos dinámicos. La evaluación de modelos contra mediciones actuales muestra que el modelo en estado estacionario puede ser suficientemente exacto como para calcular la energía sobre periodos relativamente largos (ej. semanas o meses) con respecto a la exactitud de la medición.

En la modelización del estado estacionario, se asume que, durante la operación continua, la caldera puede ser desagregado en una cámara de combustión adiabática y dos intercambiadores de calor.

· Cámara de combustión (CC): Chorro de aire y combustible a la entrada, y gas de combustión a la salida.

· Primer intercambiador de calor (HEX1): Salida del gas de combustión y chorro del agua de alimentación.

· Segundo intercambiador de calor (HEX2): Chorro de agua caliente y un fluido representando el medio ambiente.

El modelo de la caldera se caracteriza por tres parámetros, que representen los siguientes coeficientes de transferencia de calor:

· UAge: Entre el gas de los hymos y el medio ambiente en CC,

· UAge: Entre el gas de los humos y el agua en HEX1

· UAwe: Entre el agua y el ambiente en HEX2

Modelo de la cámara de combustión

La descripción matemática de este modelo permite calcular el caudal del gas de los humos y entalpía h_fg,in1 (en J/kg_fg) en la entrada del intercambiador de calor agua/gas de los humos (HEX1). La siguiente relación empírica se usa para ajustar el valor de este coeficiente al caudal del gas.

Donde:

h_fg,in1 = Función conocida de composición de los productos de la combustión y la temperatura del gas de los humos en la entrada del intercambiador de calor del gas/agua, J/kg_fg

h_fg,in = Entalpía del gas a la salida del intercambiador agua/gas, J/kgf

Caudal másico del gas de los humos asociado con el valor especificado del producto de coeficiente/área de transferencia de calor gas/agua.

Modelo de intercambiador de calor agua-gas de los humos

El primer paso es calcular la tasa de transferencia de calor q_gw a través de HEX1:

Donde:

Para un intercambiador de contraflujo,

Donde:

La temperatura del gas de los humos dejando HEX1 (T_fg,out) puede calcularse de:

Otras necesidades también serán calculadas. En HEX1, el calor se transfiere del gas de los humos calientes al agua

De donde la temperatura del agua dejando HEX1 y entrando HEX2 es:

Modelo de intercambiador de calor en ambiente agua

Donde:

Luego la temperatura del agua a la salida del HEX2 es:

Consecuentemente, la pérdida de calor del agua caliente en HEX2 es

El calor útil proporcionado al chorro de agua es

Finalmente, la eficiencia de la caldera viene dada por

Donde FLHV es el valor calorífico inferior. Los resultados principales de este modelo son:

· Producción útil de la caldera: La temperatura del agua a la salida (se compararía con el punto de ajuste), o la potencia útil correspondiente (ej. tasa neta de transferencia de calor q_b por el agua caliente).

· Su consumo energético: Caudal del combustible del quemador m_f o eficiencia correspondiente η.

La producción del modelo secundario incluye

· Temperatura del gas de los humos, calor específico, y caudal de entalpía correspondiente en la chimenea.

· Pérdida ambiental q_we en la sala de caldera.

Modelos de enfriamiento por compresión de vapor

Los componentes de una enfriadora incluyen dos intercambiadores de calor, una válvula de expansión, y un compresor con un motor y transmisión. Los componentes de una enfriadora están unidos por el refrigerante. Para estimar la energía, una aproximación simplificada es suficiente para representar el refrigerante como un fluido perfecto con valores apropiados de fricción. Es decir, el líquido es modelado como incompresible, y las propiedades del vapor son descritas por las leyes de los gases ideales con valores promedio efectivos de parámetros de la propiedad, tales como el calor específico.

Modelando evaporador y condensador. Ambos condensadores y evaporadores son modelados como intercambiadores de calor clásicos. Los dos intercambiadores de calor se asume tienen un coeficiente de calor constante. Adicionalmente, los modelos usados en los sistemas de enfriadoras sufren de una asunción adicional: el fluido refrigerante se asume es isotérmico para ambos intercambiadores de calor, lo cual efectivamente ignora las regiones de sobrecalentamiento y enfriamiento del intercambiador de calor. Esta asunción de un refrigerante isotérmico es particularmente crudo para el condensador, donde llegan temperaturas muy altas del refrigerante desde la descarga del compresor; así, la diferencia de temperatura media entre refrigerante y agua en el intercambiador de calor queda significativamente desestimada. Afortunadamente, este error sistemático es compensado por una sobreestimación del coeficiente de transferencia de calor correspondiente.

Modelando el compresor general. La modelación de compresores requiere una descripción de muchas pérdidas termodinámicas (ej. pérdidas de calor, fricción de fluidos, pérdidas de estrangulamiento en válvulas, ineficiencias de transmisión y motor) dentro del compresor, pro otros son demasiado complejos o desconocidos para describir en un modelo para el cálculo de energía.

El compresor se describe por dos elementos internos distintos: un compresor interno idealizado y un elemento de transmisión que tenga en cuenta pérdidas desconocidas. Esquemáticamente, el subsistema de transmisión del motor representa una ineficiencia de conversión representa una ineficiencia de conversión de energía. Las pérdidas de estas ineficiencias se asume calientan el fluido antes de la compresión. Matemáticamente pude ser modelado por la siguiente relación lineal:

Donde:

· W = Potencia eléctrica de un compresor hermético o semihermético, o potencia del eje para un compresor abierto.

· W_lo = Pérdidas electromecánicas constantes.

· Wint = Potencia de compresor interno idealizado.

· α = Factor de pérdida de potencia proporcional

W_lo y α son parámetros empíricos determinados por el rendimiento de un análisis de regresión de los datos del fabricante. Otros parámetros también son requeridos para modelar W_int, dependiendo del tipo de compresor.

Modelando compresores recíprocos: El refrigerante entra en el compresor en el estado 1 y se calienta al estado 1ª por las pérdidas termodinámicas del modelo de transmisión del motor. El refrigerante sufre compresión isentrópica a un estado 2s, seguido por un estrangulamiento a la descarga del compresor en un estado 2. La válvula de estrangulamiento es una aproximación simplificada para modelar pérdidas dentro del compresor causadas por las caídas de presión a través de las válvulas de descarga y succión. Un modelo más exacto puede incluir pérdidas de presión tanto a la salida como a la entrada del compresor. En realidad, muchos compresores pueden modelarse adecuadamente sin válvula de estrangulamiento en absoluto.

El caudal de refrigerante a través del sistema debe determinarse para predecir el rendimiento de la enfriadora y el compresor. El caudal de refrigerante del compresor es una función decreciente del ratio de presión debido a la re-expansión del vapor en el volumen hueco. Cuando el refrigerante se modela como un gas ideal, el caudal volumétrico viene dado por:

Donde:

V= Caudal volumétrico

V_s = Caudal volumétrico barrido (desplazamiento geométrico del compresor).

C_f = Factor de espacio = V_clearance/V_s

P_ex/p_suc = ratio de presión del cilindro

γ = Ratio de calor específico

V_s y C_f deben identificarse usando datos para los compresores recíprocos actuales.

( de Modelización de sistemas energéticos en detalle)

En el desarrollo de un modelo de simulación para construir predicciones de energía, deben considerarse dos asuntos básicos: (1) Componentes de modelización o subsistemas y (2) estrategias de modelización total. Los componentes de modelización comprenden una serie de ecuaciones describiendo los componentes individuales. La estrategia de modelización total se refiere a la secuencia de procedimientos usados para solventar estas ecuaciones. La exactitud de resultados y recursos computerizados para alcanzar estos resultados se depende de la estrategia de modelización.

En la mayoría de los programas de energía de los edificios, los modelos de carga se ejecutan para cada espacio por cada hora de periodo simulado. El modelo de carga es seguido por el modelo de funcionamiento de cada sistema secundario para cada hora de simulación. Finalmente, el modelo de simulación de planta se ejecuta de nuevo en el periodo completo.

Debido a la secuencia cargas-sistemas-plantas, ciertos fenómenos no pueden modelarse con precisión. Por ejemplo, si se usa el método de equilibrio térmico para computar cargas, y algún componente en el modelo de simulación del sistema no puede cumplirse con la carga. En la actualidad, la temperatura del espacio se reajustaría hasta que la carga se acopla con la capacidad del equipo, pero esto no puede modelarse debido a que las cargas tienen que ser precalculadas y fijadas.

MÉTODO GRADOS-DÍA

Los métodos de grados días son los más simples para análisis de energía y son apropiados si el edificio usa un equipo HVAC eficiente y constante. Donde la eficiencia o condiciones de uso varían con la temperatura exterior, el consumo puede calcularse por diferentes valores de temperatura exterior y multiplicando por el número correspondiente de horas; esta aproximación se usa en varios bin methods. Cuando se permite que la temperatura exterior fluctúe o cuando las ganancias interiores varían, no deben usarse modelos simples de estado estacionario.

Aunque los computadores pueden calcular fácilmente el consumo energético de un edificio, los conceptos de grado-día y temperatura del punto de equilibrio son herramientas valiosas. La severidad del clima puede ser caracterizado concisamente en términos de grado-día. También, el método de grado-día y su generalización puede proporcionar una estimación simple de cargas anuales, que pueden ser exactas si la temperatura interior y las ganancias internas son relativamente constantes y si los sistemas de calefacción o enfriamiento operan durante una estación completa.

Temperatura del punto de equilibrio

La temperatura del punto de equilibrio t_bal de un edificio se define como el valor de la temperatura exterior t_o a la cual, para un valor especificado de la temperatura interior t_i, la pérdida de calor total q_gain es igual a la ganancia de calor del sol, ocupantes, iluminación, y así sucesivamente.

Donde K_tot es el coeficiente de pérdidas de calor total del edificio en W/K. Para cualquier método de estado estacionario descrito en esta sección, la ganancia de calor debe ser el promedio para el periodo en cuestión, no para los valores pico. En particular, la radiación debe basarse en promedios, no en valores pico. La temperatura del punto de equilibrio es por lo tanto:

Se necesita un calentamiento solo cuando t_o cae por debajo de t_bal. La tasa del consumo de energía del sistema de calefacción es:

Donde η_h es la eficiencia de los sistemas de calefacción, también designado en una base anual como la eficiencia de uso de combustible anual (AFUE), θ es el tiempo, y el signo más encima del paréntesis indica que solamente se cuentan valores positivos. Si t_bal, K_tot, y ηh son constantes, el consumo de calentamiento anual puede escribirse como una integral:

Esta integral de la diferencia de temperatura convenientemente resume el efecto de las temperaturas exteriores en el edificio. En la práctica, esto se aproxima sumando promedios sobre intervalos de tiempo cortos (días u horas); los resultados son llamados grados-día o grados-hora.

Método del grado-día anual

Grados-día anuales: Si se usa el valor promedio diario de la temperatura exterior para evaluar la integral, los grados día para calentamiento se obtienen DD_h(t_bal) como:

Con dimensiones de kelvin x día. Aquí la suma se extiende en todo el año o sobre la estación de calentamiento. Es una función de t_bal, reflejando los papeles de t_i, ganancia de calor, y coeficiente de pérdidas. En términos de grado-día, el consumo de calefacción anual es:

Los grados días de calefacción o grados-hora para una temperatura del punto de equilibrio de 18,3 ºC han sido ampliamente tabuladas (esta temperatura representa condiciones promedio en construcciones típicas en el pasado). La base de 18.3 ºC se asume cuando t_bal no se indica explícitamente.

Los grados día de enfriamiento pueden calculares usando una ecuación similar a los grados día de calefacción:

Aunque la definición de la temperatura del punto de equilibrio es la misma que para la calefacción, en un edificio dado su valor numérico para enfriamiento es generalmente diferente del de calefacción debido a que q_i, K_tot, y t_i pueden ser diferentes.

El cálculo del consumo de energía de enfriamiento usando grados-día es más difícil que el calentamiento. Para enfriamiento la ecuación es

Para una construcción con K_tot estática. Esa asunción se acepta generalmente durante la estación de calentamiento, cuando las ventanas se cierran y la tasa de intercambio del aire es bastante constante. Sin embargo, durante la estación fría o intermedia, la ganancia de calor puede eliminarse, y el comienzo del enfriamiento mecánico puede postponerse abriendo ventanas o incrementando la ventilación. (En edificios con ventilación mecánica, a esto se llama modo economizador). El acondicionado de aire mecánico se necesita solamente cuando la temperatura del exterior exceda el umbral t_max. Este umbral es dado por la siguiente ecuación:

Kmax varía considerablemente con la velocidad del viento, pero un valor constante puede asumirse para los casos simples.

Cómo diseñar sistemas de bombeo solar

2012-12-15T13:11:00.006-08:00

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Cómo diseñar sistemas de bombeo solar

INTRODUCCIÓN AL BOMBEO SOLAR. .
Una interesante aplicación de la energía solar es el bombeo de agua de pozos o simplemente la elevación de agua para llenar un embalse u otro usos. Esta aplicación es especialmente interesante en comunidades que viven en el mundo rural donde no hay disponibilidad de energía eléctrica convencional y se tiene que recurrir a los derrochadores generadores a base de hidrocarburos. .
Cuanto más remoto es un lugar más costoso es transportar combustible para las estaciones de bombeo y ahí precisamente son eficaces las bombas solares. .
El ahorro energético que podemos conseguir sustituyendo sistemas convencionales es realmente importante. Pero para maximizar el ahorro energético hay que entender algunos conceptos que nos ayudarán a diseñar la aplicación más económica. .
Una pequeña estación solar de bombeo tiene un precio muy similar a la de las aplicaciones convencionales, por lo que se trata de una solución muy ventajosa ya que nos evitamos el consumo de combustibles fósiles. En lugares remotos es más ventajoso aún puesto que el coste del transporte de combustible suele ser alto. La actual tendencia es que el bombeo de agua mediante tecnología fotovoltaica es ya bien rentable frente a otras tecnologías como las bombas de queroseno, diésel o gasolina. .
Otra de las grandes ventajas del bombeo eólico es que la energía no necesita ser almacenada, por lo que evitamos gran parte de los costes que acompañan a las energías renovables. El agua se extrae cuando el generador tiene capacidad para accionar la bomba y el resto del tiempo simplemente se parar. Ya que el agua el agua al contrario que la enegía puede almacenarse sin pérdidas apreciables, ganamos de esta forma gran eficiencia respecto a otros métodos.

CONFIGURACIÓN DEL SISTEMA DE BOMBEO SOLAR.La generación de energía con paneles fotovoltaicos puede hacerse tanto con instalaciones fijas como móviles. En lugares donde no sea prudente que los paneles solares queden sin ser atendidos pueden construirse soportes transportables que incluso pueden incorporarse sobre vehículo. El uso de bombas de corriente continua permite empezar a extraer agua con potencias tan pequeñas como 96 Wp, lo cual supone que con un solo panel solar dispondremos de energía suficiente como para empezar a bombear agua. Gracias a que no perdemos con la conversión de la energía, utilizando bombas de corriente continua podremos empezar a bombear 440 litros de agua a la hora desde 6 metros de profundidad con tan solo esa energía. Pero el mismo sistema nos permitirá trabajar a grandes profundidades, aunque en ese caso solamente bombeará 82 litros a la hora desde 70 metros de profundidad. . SOBRE EL DISEÑO
. PASO 1 - PROCURAR CALCULAR EL MENOR CAUDAL POSIBLE

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El sol es un recurso continuo, y sin embargo el agua no suele requerirse más que en momentos puntuales. Es por ello que como norma general las bombas solares serán mucho más efectivas si se usan para llenar aljibes o depósitos y luego disponemos el agua cuando la vayamos necesitando. Las bombas solares pueden trabajar durante todo el año sin que gastemos un céntimo en combustible, y si disminuimos el caudal la bomba será más barata y necesitaremos menos capacidad de panel. .

PASO 2 - DETERMINAR LOS LITROS DE AGUA QUE NECESITAMOS BOMBEAR AL DÍA. .
A partir de este planteamiento de optimizar el consumo, calcularemos la cantidad de agua que necesitamos bombear al día. Este dato es el que realmente necesitamos calcular. Si necesitamos la bomba por ejemplo para una aplicación de riego, podremos ir llenando la balsa durante meses hasta que necesitemos utilizar el agua. Esto permite diseñar sistemas de bombeo muy económicos para aplicaciones que requieran bastante consumo de agua pero en poco tiempo.

Si el clima es predecible, con radiación solar elevada durante todo el año, podremos usar un pequeño sistema de bombeo para almacenar agua en grandes cantidades, y luego usarla cuando se necesite: llenar cisternas, aplicaciones de riego, etc. Si por ejemplo un cultivo se riega una vez a la semana podremos calcular el tiempo que tardará en llenarse el embalse.

Una estimación de consumo de agua diario puede ser la siguiente:

Cada persona consume entre 190 y 300 litros.
Vaca unos 132 litros.
Caballo entre 38 y 75 litros.
Oveja unos 8 litros.
Cerdo unos 16 litros.
Cien gallinas unos dieciséis litros.

Si vamos a utilizar el agua para regar cultivos, los criterios que podemos usar para calcular el agua que necesitamos diariamente (en el periodo de riego) son los siguientes:

Arroz: Unos 100 m3/hectárea.
Granja: Unos 60 m3/ha.
Cereales: 45 m3/ha.
Caña de azúcar: 65 m3/ha.
Algodón: 55 m3/ha

PASO 3 - DETERMINAR EL ALMACENAMIENTO

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Diseñar un sistema de generación mediante bombeo solar requiere un almacenamiento que permita guardar el agua para cubrir las necesidades. Para ello debemos diseñar un sistema de almacenamiento acorde con las necesidades de cada usuario.

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Almacenando agua nos protegeremos cuando la bomba no funcione por falta de sol. Si el agua se utiliza para riego pueden llenarse los depósitos con bombas de bajo caudal y usar el agua cuando llegue el momento.

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Los depósitos para almacenamiento de agua pueden estar construidos de acero, cloruro de polivinilo (PVC), fibra de vidrio, hormigón, o albañilería. El acero, la fibra de vidrio, y los depósitos de agua en PVC, se usan en sistemas tanto eólicos como de energía solar.

Los depósitos de agua pueden construirse subterráneos, elevados sobre el suelo, o en la superficie. Los depósitos de hormigón se recomiendan para almacenamiento de agua bajo el suelo en climas cálidos ya que mantienen el agua fría. Los depósitos de acero pueden oxidarse fácilmente cerca del mar, por lo que deben protegerse con tratamiento anti-óxido.

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Si el agua se usará para riego puede construirse un pequeño embalse, en cuyo caso debe estar impermeabilizado para reducir el tamaño del generador fotovoltaico.

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El uso de las láminas de plástico para la impermeabilización del terreno y acumulación de agua ha sufrido una amplia expansión en todo el mundo y el proceso aún no ha terminado, pues evoluciona paralelamente a la creciente escasez de pluviometría en las zonas de cultivo con clima suave.

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Para distribuir agua a una comunidad rural lo aconsejable es primero bombear a un tanque elevado y de ahí distribuirlo. .

PASO 4 - CALCULAR LA ALTURA.

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El siguiente paso es un factor muy importante en el diseño. Se trata de estimar la presión efectiva con la que la bomba puede operar. Esta presión se mide en altura que se expresa en pies o en metros. Para estimar las necesidades debemos sumar:

Nivel de bombeo: Es el nivel al que está el agua que debemos bombear.
Elevación vertical: La elevación entre la tubería de descarga de la bomba y el punto de uso. Pueden ser muy pocos metros o puede ser necesario subir el agua a una colina.
Pérdidas por fricción: En la mayoría de los casos, las pérdidas por fricción pueden simplificarse.

Si el depósito de almacenaje del sistema se localiza cerca del pozo, 9 metros o menos, y se usa el tamaño de tubería recomendado, puede usarse una norma simple. En los casos en los que el depósito se localiza lejos del pozo, más de 10 metros, pueden usarse cálculos más exactos basados en la longitud de la tubería, el número y tipo de accesorios y el caudal. .

PASO 5 - CONFIGURACIÓN

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En algunas aplicaciones quizás necesitemos disponibilidad de agua constante, pero en otras no será necesario. Todo ello deberemos valorarlo para decidir si colocamos o no una batería que consiga bombear también en días nublado. Si no colocamos la batería, en días nublados el sistema no funcionará. Será cuestión de ver cada aplicación. Si por ejemplo es una aplicación de riego, los días nublados disminuye la evaporación y por tanto no importará que retrasemos algún día el riego. .

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El subsistema motor-bomba incluye motor, bomba, y acoplamiento. Varios tipos de bombas y motores pueden usarse en aplicaciones de bombeo fotovoltaico, dependiendo siempre del tipo de aplicación y la demanda de agua. .

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Diferentes tipos de bombas y motores están disponibles en aplicaciones de bombeo de agua dependiendo de los requerimientos de agua, la altura de bombeo, la altura de succión (para bombas en superficie) y recursos de agua. Los tipos más comunes de acoplamiento usados para bombear agua son correas y poleas, tornillos de accionamiento, acoplamiento directo (cremallera y piñón o pernos y bridas), y transmisión de engranaje. La eficiencia del mecanismo de transmisión depende del ratio de acoplamiento, que es el ratio del par del motor respecto al par de la carga. En acoplamiento directo de la transmisión las pérdidas son tan solo de un 2 %. Sin embargo, las pérdidas en casos de reducción directa de la velocidad son de un 40 %. Las transmisión de energía en caso de transmisión con engranajes, que depende del diseño de la caja de engranajes, del ratio de engranaje, y del tamaño del motor en relación con la reducción de velocidad, puede ser muy alta. .

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Veamos algunas configuraciones en suministro de agua solar típicas usadas en bombeo solar: .

Bomba sumergida con motor montado en superficie: estas bombas fueron de uso común en lugares remotos, como aplicaciones en el Sahel (África subsahariana) en los años 70. La ventaja es que da fácil acceso a las escobillas del motor para su cambio y otras operaciones de mantenimiento. Pero tiene como desventaja las pérdidas de energía en los rodamientos del kgb y los altos costes de instalación. En General esta configuración sea reemplazado ampliamente por grupos de motor y bomba sumergidos.
Grupo motor bomba centrífugo multi etapas sumergido: este tipo es probablemente la configuración más común en suministro de agua solar. Las ventajas de esta configuración son que es fácil de instalar, admitieron tuberías flexibles y la bomba sumergida queda lejos de posibles daños. Pueden utilizarse bombas AC o DC. Los motores DC usan escobillas que deben reemplazarse aproximadamente cada dos años. Otros motores apropiados para esta aplicación son los DC sin escobillas que requieren conmutación electrónica. El sistema más comúnmente empleado consiste en una bomba AC y un inversor con una configuración fotovoltaica inferior a 1.500 Wp.
Grupo bomba-motor flotante: la versatilidad de las unidades flotantes las hacen ideal para aplicaciones de bombeo en canales y pozos abiertos. La bomba es fácilmente transportable y hay poco riesgo de que la bomba trabaje en seco. La mayoría de estas configuraciones utilizan bombas centrífugas sumergidas de una etapa. El tipo más común utiliza un motor DC (conmutado electrónicamente) sin escobillas.
Bomba de desplazamiento positivo recíproco: La bomba de desplazamiento positivo recíproco (conocidas como jack o nodding donkey) son muy adecuadas para de elevadas alturas y bajo caudal. El rendimiento es proporcional a la velocidad de la bomba. En alturas elevadas las fuerzas de fricción son bajas comparadas con las fuerzas hidrostáticas y a menudo hecho hace que las bombas de desplazamiento positivo sean más eficientes que las bombas centrífugas para esta situación. Las bombas de desplazamiento positivo recíprocas crean una carga cíclica en el motor que, para operaciones eficientes, necesita ser equilibrada.
Grupo bombas de succión: Este tipo de bombas no se recomienda salvo en aplicaciones en las que el operador pueda estar siempre atendiendo. Aunque el uso de cámaras primarias y válvulas de no retorno puedan prevenir pérdidas de impulsión, en la práctica se experimentan problemas de autor arranque e impulsión.

PASO 6 - DETERMINAR LA CAPACIDAD TOTAL

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Con la secuencia anterior de acciones estaremos en condiciones de determinar el equipo que necesitamos para nuestra aplicación. Realmente es el caudal lo que finalmente nos determinará el tamaño de la instalación definitiva, es decir, el volumen de agua que necesitemos diariamente. Están disponibles bombas que pueden trabajar con alturas de hasta 200 m y caudales de hasta 250 m3/día. .

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Hemos hablado de algunas de las aplicaciones básicas de la energía solar para proporcionar soluciones de bombeo, pero hay muchas más. Por ejemplo, la bombita mostrada en la imagen permite tomar agua de una piscina o depósito similar y colocar un sistema de riego automático por aspersión, y lo mejor de todo, sin instalación alguna. .

PASO 7 – ESTIMACIÓN DE LOS RECURSOS SOLARES

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Los datos de radiación solar no suelen estar disponibles en muchas zonas remotas donde se requiere el bombeo solar, por lo que debemos considerar en el cálculo que los datos no serán necesariamente exactos. .

Si trabajamos en un proyecto grande es interesante hacer algunas mediciones directas y para ello varios instrumentos están disponibles.
PASO 8 - TECNOLOGÍAS DE BAJO COSTE .

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Un paso necesario para hacer que esta tecnología sea accesible a las comunidades remotas ha sido el lanzamiento al mercado de paneles solares de bajo coste. El único problema de estos paneles, normalmente de telururo de cadmio el único problema que tienen es que requieren una superficie superior, pero en las comunidades remotas el espacio no suele ser un problema. .

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Las bombas pueden usarse directamente bombeando agua y utilizando un controlador del sistema de energía solar y un inversor. Las bombas utilizadas son sumergibles monofásicas o trifásicas. .

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Otra forma de minimizar el coste del sistema es utilizando bombas de velocidad variable. Si bien estas bombas son más caras, pueden variar su funcionamiento adaptándose a la producción del sol y por lo tanto consiguen extraer más agua ya que trabajan en periodos de menor radiación solar. Adicionalmente, las capacidades de tracking de energía permiten que el controlador se ajuste de manera constante a la producción pico de la radiación solar. .

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Los controladores actuales pueden llegar a alcanzar una eficiencia en la conversión de potencia que llega al 97 %, que es superior a la tecnología de inversores convencionales. . .,

EJEMPLOS DE APLICACIÓN EN PAÍSES POBRES .

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En los países pobres más de 1.100 millones de personas tienen acceso inadecuado al agua limpia, y lo peor es que su número sigue aumentando al no haber infraestructura eléctrica disponible. Es muy costoso hacer un pozo y más costoso aún extraer el agua de grandes profundidades. Veamos algunos ejemplos de bombeo solar en proyectos que se vienen realizando en lugares con difícultades. ,

Uganda

Uganda es un país donde la mayor parte de la población no está conectada a las redes de distribución, ni siquiera muchas ciudades. En la ciudad de Kitgum, a 300 km al norte de Kampala, un proyecto proporciona agua a la comunidad generada con energía solar. El sistema de bombeo dispone de unidades de 10.000 vatios que proporcionan 26.500 galones al día (100 m3). Ello nos da que con 100 vatios se pueden extraer en promedio 1000 litros de agua. .

Otra unidad en la misma ciudad produce 60 m3 al día. Una tercera unidad de 5.000 vatios fue instalada en Nyapea para proporcionar agua a un hospital principal. .

Eritrea.

En Eritrea también se están construyendo estaciones de bombeo (diez por el momento) para proporcionar agua a comunidades ubicadas en lugares remotos.

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La elevada radiación solar de los países tropicales nos da como resultado que la construcción de un sistema de generación solar de este tipo puede hacerse de forma que obtener 1.000 litros de agua al día cuesta tan poco como 100 euros. O sea, el coste de la energía solar actual permite conseguir diez litros al día con tan solo un euro por lo cual podemos obtener el litro de agua potable por tan solo 10 céntimos el litro (nos referimos al coste de la inversión en generación) Es muy importante indicar que los costes los de generación, con sistemas que no requieren mantenimiento ni tampoco combustible. El coste supone que con una inversión de 10 céntimos obtenemos al año 365 litros de agua si la radiación solar es buena. .

Evidentemente hablamos solamente del sistema de paneles solares y costes en origen, pero el desplome de los precios de la energía solar está desde luego haciendo que esta forma de obtener agua sea accesible a cada vez más personas.

Enfriadora de adsorción de silica gel

2012-11-01T14:38:00.001-07:00

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Enfriadora de adsorción de silica gel/compacta para sistemas de enfriamiento solar

Principio básico de la enfriadora de adsorción .

El proceso básico de la refrigeración de frío es la compresión de un fluido refrigerante, que origina la evaporación del líquido a baja temperatura y presión y condensación del vapor a temperaturas y presiones más altas. En vez de presión mecánica como los acondicionadores de aire, las enfriadoras térmicas usan energía térmica para la compresión del fluido. .

El principio básico de la compresión térmica es la ab- adsorción del refrigerante en un material líquido o sólido. Mientras que las enfriadoras de absorción usan bromuro de litio líquido en las enfriadoras de adsorción se usan adsorbentes sólidos como silica gel o zeolitas. En ambas máquinas, el refrigerante es agua, lo cual genera que la máquina tenga que ser operada a muy bajas presiones en un contendor de vacío. .

Algunas enfriadoras ( p. ej. SorTech) usan silica gel como adsorbente. Silica gel es un vidrio poroso con una alta capacidad de adsorber vapor de agua. Por ese motivo se usa como desecante en varias aplicaciones. .

El adsorbente es secado por la entrada de calor. El vapor de agua queda libre, fluye en el condensador y es licuado por emisión de calor. Cuando el material se seca, la entrada de calor en el adsorbedor se para y cierra la válvula de control superior. .

Después de la fase de enfriamiento se invierte la reacción y comienza la evaporación del condensado del líquido. .

La válvula de control inferior al evaporador se abre y el adsorbente seco aspira el vapor de agua. En el evaporador, el agua se evapora y genera frío, que puede usarse para aire acondicionado. .

Durante el proceso de absorción el calor se rechaza por lo cual tiene que ser disipado. .

En la última etapa, el condensado del líquido retorna al evaporador y el circuido se cierra. En orden de alcanzar una producción de frío continua dos adsorbedores trabajan en combinación, es decir, un adsorbedor des-absorbe mientras el otro adsorbedor genera frío por adsorción.

Principios de construcción .

SorTech AG ha desarrollado y patentado dos principios de construcción, importantes para alcanzar un diseño de enfriadora compacto de peso ligero. .

Revestimientos de intercambiadores de calor de adsorbedor con silica gel. .

Silica gel típicamente se vende en pequeños pellets circulares con diámetro entre 1 y 3 mm. .

Generalmente, la transferencia de calor y masa en un lecho sólido de pellets de silica gel es muy baja. Por lo tanto, es crucial para realzar la densidad de potencia de las enfriadoras de adsorción aplicando el gel directamente en la superficie del intercambiador de calor del adsorbedor. .

En esta etapa se mejora considerablemente la transferencia de calor entre los pellets de silica gel y la pared del intercambiador de calor, la transferencia de masa entre los pellets de silica gel y las paredes del intercambiador de calor, y la transferencia de masa del vapor de agua en los poros de silica gel.

SorTech AG ha desarrollado el proceso que permite pegar la superficie del intercambio de calor con pellets de silica gel con ayuda de resina epoxi sin bloquear la entrada de los poros en los pellets. En general, a esta técnica pueden aplicarse todo tipo de gránulos. .

Construcción de auto-soporte compacto .

Uno de los mayores problemas de la construcción de enfriadoras de adsorción es la necesidad de diseñar un recipiente de vacío conteniendo los intercambiadores de calor del adsorbedor, el evaporador y el condensador.

Las normas de diseño de recipientes a presión de vacío dan como resultado construcciones voluminosas y pesadas debido a la demanda de estabilidad contra la presión atmosférica. .

Para superar esta desventaja se desarrolló un diseño, donde los intercambiadores de calor y la construcción interna de la máquina se usa como soporte para la envolvente de adaptada para el vacío. Este uso dual permite aplica láminas metálicas de acero inoxidable delgadas para contener el vacío. Este diseño es muy simple y ligero por lo que conseguimos ahorrar material y volumen, lo cual es un paso importante para la construcción de una enfriadora de adsorción. .

La primera generación del producto .

Al comienzo de 2008, SorTech AG definió un primer producto denominado ACS 08, una máquina con una capacidad de enfriamiento de 7,5 kW y COP térmico de 0,56. El circuito enfriamiento trabajaba a 18/15 °C a 2.0 m³/h. .

La máquina puede también usarse bajo otras condiciones de temperatura. .

SorTech AG proporciona un programa Excel para el cálculo de la capacidad de enfriamiento y el COP bajo todas las condiciones de temperatura. .

El control de la enfriadora de adsorción se gestiona de esta forma, es fácil operar la máquina bajo carga parcial. El ciclo de adsorción-desorpción del sistema se ajusta automáticamente a la demanda de enfriamiento. Por lo tanto, bajo ciertas condiciones de temperatura no hay un valor único sino un rango de COP y capacidades de enfriamiento bajo las que trabaja la máquina.

Diseño del sistema .

SolarNext AG ha desarrollado chillii® Solar Cooling Kits basasados por ejemplo en el chillii® STC8. El sistema de enfriamiento básicamente incluye colectores térmicos solares, almacenamiento de agua caliente, bombas, un anfrieaodr, un re-enfriador, almacenamiento de agua fría y control del sistema. Para el desarrollo de tal sistema de enfriamiento solar es indispensable usar un controlador para el sistema completo. .

El rango funcional del chillii® System Controller contiene el control de diferentes fuentes de calor (ej. Calor solar, calor de residuos CHP, etc.), el sistema de apoyo (ej. caldera de gas/oil o caldera de madera, o recuperador del calor de escape), la gestión del almacenaje, el agua caliente, la enfriadora y re-enfriamiento (ej. enfriador húmedo, seco e híbrido), además de los circuitos de calentamiento y enfriamiento. .

Así la eficiencia del sistema se alcanza con la generación de energía necesaria con prioridad en fuentes de energía regenerativas, con un funcionamiento de la enfriadora optimizado y refrigeración con control de velocidad de las bombas y el ventilador de re-enfriamiento.

Costes .

El valor promedio de superficie de colector de los sistemas de refrigeración instalados en Europa (rango de capacidad pequeño a grande) es alrededor de 3 m²/kW. Un valor de 3,5 a 4,5 puede considerarse como un valor de referencia para absorción térmica a pequeña escala. .

Los costes totales específicos de los sistemas de refrigeración (sin costes de instalación y distribución del frío) están en Europa entre 5.000 y 8.000 €/kW (datos de 2008). Estos precios están bajando y se espera se sitúen a 3.000 €/kW.

Eficiencia energética con aire acondicionado central

2012-11-01T14:36:00.001-07:00

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Eficiencia energética con aire acondicionado central

El aire acondicionado central está diseñado para enfriar una casa completa. Un compresor y condensador se localiza en el exterior y se conectan por líneas de refrigerantes a un evaporador montado en el interior. El mismo sistema de tubos se usa tanto para la distribución del aire caliente como frío.

Forma de trabajar un acondicionador de aire central

Un acondicionador de aire central usa la energía para para alejar el calor. El tipo más común usa el ciclo de compresión de vapor, para transferir el calor de la casa al exterior.

El ciclo de compresión pasa el refrigerante líquido a través del dispositivo de expansión, transformando el líquido a una mezcla de gas/líquido de baja presión. En el evaporador del interior, el líquido restante absorbe el calor del aire de la casa y se transforma en un gas a baja temperatura.

El gas a baja temperatura es comprimido por el compresor que reduce su volumen e incrementa su temperatura, causando que se transforme en vapor de alta presión y alta temperatura. Este vapor se envía al condensador exterior donde su calor se transfiere al aire del exterior, y el refrigerante se condensa en un líquido. El líquido retorna al dispositivo de expansión y el ciclo se repite.

El aire de la casa se enfría y deshumidificado pasa sobre el evaporador del interior. La humedad se extra del aire cuando entra en contacto con el evaporador y se colecta para ser drenado

Consideraciones de eficiencia energética

La consideración más importante sobre la selección de los equipos es la elección de un equipo de aire acondicionado con EER (o SEER) tan alto como sea posible, teniendo en cuenta el presupuesto disponible. La eficiencia de un acondicionador de aire central queda afectado por las características y componentes elegidos por el fabricante. El SEER de un acondicionador de aire central tiene un rango que va de 10.0 a un máximo de aproximadamente 17.00.

Los compresores más eficientes y efectivos son los que tienen superficies de intercambio de calor más grandes, flujo de refrigerante mejorado y otras características tecnológicamente avanzadas.

Los compresores recíprocos avanzados, scroll y de velocidad variable o dos velocidades, cuando se combinan con los mejores intercambiadores de calor y controles, permiten que el SEER sea tan alto como 17.0. Los equipos de aire acondicionado con SEERs más altos usan compresores de alta eficiencia de dos velocidades o de velocidad variable

Consideraciones de sonido

Los acondicionadores de aire centrales deben seleccionarse con los niveles de ruido lo más bajos posibles. Los nuevos diseños ofrecen a menudo bajos niveles de ruido.
Consideraciones sobre el tamaño

Las cargas de enfriamiento deben ser calculadas en todos los casos, y no deben usarse asunciones simples para estimar los tamaños.

Si la unidad está sobredimensionada se producirá un acortamiento en los ciclos de operación, por lo que la humedad no se eliminará adecuadamente. Si la unidad es pequeña ello originará una incapacidad para alcanzar una temperatura confortable en los días calientes.

Con un sistema de acondicionamiento de aire central, el coste del equipo será más proporcional al tamaño. Un sobredimensionado innecesario incrementará el precio de compra y aumentará el ciclo on-off, por lo que disminuirá la eficiencia.

Consideraciones de instalación

Las consideraciones más importantes sobre la instalación de aire acondicionado central son las siguientes:

Entre las consideraciones más importantes a destacar mencionamos que el compresor debe estar protegido del sombreado directo del sol.
Localizar la unidad exterior donde el ruido no sea un problema para los vecinos.
Las líneas de refrigerante deben ser tan cortas como sea posible, y al atravesar los muros deben estar bien empaquetados.

Consideraciones de operación

En interés de la eficiencia energética, se usará acondicionador de aire central solamente cuando la velocidad sea inadecuada para asegurar unas condiciones confortables. La ventilación natural de la casa en la noche, cuando está relativamente fría, combinada con cerrar la casa durante las horas de calor y hacer funcionar el acondiciondor de aire central puede ser una estrategia efectiva.

El termostato interior se colocará en el rango de 22 - 25 ºC, dependiendo de los requerimientos de control. Si el nivel de humedad es más bajo, la posición del termostato será el nivel superior. Los niveles de humedad pueden reducirse usando un ventilador en el baño y venteando la cocina.

La operación de ventilador puede mantener la temperatura más uniforme en la casa eliminando las diferencias de temperatura debido a la estratificación. Puede también ayudar a mantener la vivienda más limpia, especialmente si hay limpiadores de aire electrónicos instalados.

Sin embargo, la operación del ventilador de interior puede incrementar los costes de operación. En climas más húmedos, la humedad eliminada durante la operación del compresor es re-evaporada por la operación del ventilador cuando el compresor está apagado. Esto incrementa los niveles de humedad y causa disconfort.

Eficiencia energética estimando pérdidas de refrigerante

2012-11-01T14:11:00.002-07:00

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Eficiencia energética estimando pérdidas de refrigerante

La gestión del refrigerante en los equipos de enfriamiento es el mantenimiento preventivo más importante para mantener el equipo en máxima eficiencia. Es importante decir que siempre debe funcionar el equipo con la cantidad correcta de refrigerante. Ni mucho ni poco. También debe asegurarse que nada entra en el sistema de refrigeración sino un refrigerante. En este capítulo explicamos medidas comunes para gestionar estas actividades.

Estas medidas pueden también reducirá fallos costosos en los equipos, y extenderá la vida útil del equipo. Mantener la eficiencia y evitar daños en el equipo son cuestiones relacionadas con la gestión de refrigerantes.

Las pérdidas son la principal causa de problemas relacionados con los refrigerantes. No es usual en las enfriadoras perderá grandes cantidades de refrigerante. Las viejas centrales de refrigeración no bien mantenidas pierden una fracción sustancial de carga de refrigerante a lo largo del año. Los equipos nuevos quieren una cantidad menor pero todos pueden desarrollar pérdidas que necesitan ser reparadas. Sólo los sistemas pequeños completamente herméticos son inmunes a las pérdidas, e incluso estos pueden sufrir fallos de uniones soldadas que permiten pérdidas.

TIPOS DE PÉRDIDAS

Hay tres modos para controlar las pérdidas del sistema: pérdidas de refrigerante, pérdidas de aire y vapor de agua en el sistema, y pérdidas de agua en el sistema. Estos problemas pueden ocurrir o no según las características de presión del refrigerante y el diseño del sistema.

Pérdidas de refrigerante

La localización de pérdidas de refrigerante tiene un importante efecto en el consumo energético de la instalación frigorífica, veamos en qué partes del circuito suelen producirse en la práctica.

Si la presión del refrigerante en el interior del sistema es mayor que la presión atmosférica, el sistema puede perder refrigerante. La pérdida de refrigerante causa una operación ineficiente de todo el sistema de enfriamiento.

Para incrementar la presión, los refrigerantes comunes son siempre de alta presión. Las presiones de vapor de estos refrigerantes están por encima de la atmosférica incluso en el lado de succión del compresor.

Algunos refrigerantes de baja presión operan a presiones superiores a la atmosférica en el lado de descarga del compresor, lo cual incluye al condensador. Por tanto, el lado de alta presión de estos sistemas puede perder refrigerante.

Los refrigerantes de baja presión ser pierden en el sistema por la acción de las unidades de purgado, que se requieren en todos los sistemas que usan refrigerantes de baja presión. Esto no es una pérdida que en el sentido, pero tienen el mismo efecto. La operación de las unidades de purgado está relacionada con las pérdidas de aire en el sistema.

El coste de sustituir el refrigerante perdido es significativo, por no hablar de las connotaciones ambientales de estas pérdidas. Y lo peor aún es que si no se controla el refrigerante, perdemos cantidades caras del mismo tendremos problemas de rendimiento en la instalación.

Pérdidas de aire y vapor de agua

El sí la presión del refrigerante en el interior del sistema es inferior a la atmosférica, puede entrar aire por las grietas del sistema, y el aire transporta a vapor de agua. La presencia de gases no refrigerantes reduce la eficiencia.

En las plantas frigoríficas que utilizan refrigerantes halocarbonados, la humedad y el aire pueden causar también serios daños. El aire y la humedad comienzan a daña el circuito de enfriamiento tan pronto como entran en el sistema, incluso aunque se hayan instalado unidades de purga para eliminarlos.

Pérdidas de agua en el sistema

En el caso de las enfriadoras de agua con condensadores de agua fría hay problemas adicionales provocados por las pérdidas de agua en el lado del refrigerante del sistema. Los daños provocados por el agua son los mismos que los generados por el vapor. Con pérdidas de líquidos de cualquier tamaño, los efectos pueden ser mucho más severos.

La ruta más probable de pérdidas de agua es a través del evaporador de una enfriadora de agua. Esta parte del sistema tiene una presión interna más baja. El factor crítico es el diferencial de presión en el evaporador cuando el compresor está funcionando. Incluso con algunos refrigerantes de alta presión, la presión del agua en el evaporador puede ser mayor que la presión del refrigerante. Esto se debe a que el evaporador puede estar sujeto a grandes presiones hidrostática del sistema alto de distribución de agua fría.

El agua puede también entrar en el sistema a través de un condensador de agua fría. Este riesgo existe principalmente en sistemas que usan refrigerantes de baja presión. La mayor parte de los refrigerantes de alta presión tienen una presión que es lo bastante alta como para resistir la entrada de pérdidas de agua en el condensador.

Para localizar pérdidas en el sistema de enfriamiento, recomendamos las siguientes localizaciones:

· Sellado de ejes de compresores con motores de transmisión externa.

· Ejes de operación para las aletas de vía de admisión en enfriadoras centrífugas.

· Cualquier mecanismo de movimientos que se transmita a través de la carcasa.

· Cajas de cableado que pasan a través del lado del refrigerante del sistema para motores internos, descargador es de cilindros, sensores, etc.

· Conexiones de carga.

· Huecos de medidores.

· Accesorios roscados.

· Juntas.

· Aletas de serpentinas de refrigeración, especialmente en conexiones soldadas.

· Uniones soldadas, especialmente en viejas unidades donde la corrosión interna puede haber penetrado al a través de las imperfecciones de la soldadura.

SÍNTOMAS DE PÉRDIDAS

El primer paso para gestionar las pérdidas es conocer dónde está el problema. En primer lugar debe mantenerse un registro continuo de la cantidad de refrigerante que debe usarse para rellenar el sistema. En sistemas con refrigerantes de presión positiva, las pérdidas de refrigerante es indican la existencia de grietas. En sistemas con refrigerantes de presión negativa, las pérdidas de refrigerante se indican una ineficiencia o disfuncionamiento de la unidad de purgado, o una pérdida de aire importante en el sistema.

En sistemas con unidades de purgado, debe registrarse el tiempo que la unidad de purga opera. Esto se debe a la presión parcial que los gases no refrigerantes añaden a la presión parcial de los gases del refrigerante.

Sí en el sistema cae la carga, la falta de refrigerante puede crear una caída de presión que enmascara la elevación de la presión causada por la presencia de aire. Esta es una condición de ineficiencia.

MÉTODOS PARA DETECTAR PÉRDIDAS

La mayoría de las pérdidas de refrigerante se producen muy lentamente, lo cual hace difícil su detención. Los métodos que pueden usarse para detectar pérdidas dependen del tipo de refrigerante y de la localización de la pérdida en el sistema. Algunos de los métodos comunes que podemos mencionar para detectar pérdidas son los siguientes:

· Apariencia visible de corrosión. Cuando el refrigerante se escapa se combina con vapor de agua en el aire y forman ácidos altamente corrosivos. Una estrategia es localizar componentes de acero con óxido y corrosión de color verde en aleaciones de cobre.

· Burbujas jabonosas: el uso de burbujas jabonosas puede ser interesante para detectar pérdidas de cualquier tipo de refrigerante. El procedimiento es humedecer el agua sospechosa y buscar burbujas. Incluso las grietas más pequeñas crean burbujas si la solución jabonosa proporciona suficiente cobertura. Este método puede fallar si la solución jabonosa drena o puede caer.

· Detector de ionización electrónico (electronic ionization detector): Es un nuevo tipo de ensayador de refrigerantes halocarbonados. Funciona y analizando el gas halocarbonado entre electrodos de platino cargados y sintiendo la ionización de la corriente. Es muy sensible.

· Tintes en el aceite refrigerante: es un viejo método que puede ser conveniente para refrigerantes que transportan aceite en el sistema. El cliente se desplaza con el aceite, y aparece en los puntos de pérdida. Hay tintes fluorescentes disponibles que pueden ser tan pequeños como una lámpara ultravioleta portátil.

· Olor: En refrigerantes, el amoniaco y otros gases de fuerte olor, pueden detectarse por este sistema la existencia de grietas lo bastante grandes.

PÉRDIDAS EN CONDENSADORES Y EVAPORADORES DE ENFRIADORAS

El refrigerante puede perderse en el agua del evaporador o condensador, y la primera pista será indirecta. Sí añadimos refrigerante y no encontrar pérdidas externas, sospecharemos que las pérdidas están en el lado del agua. Para localizar las pérdidas, se vaciará el evaporador o condensador y ensayará buscando pérdidas de refrigerante.

Un primer control de pérdidas en el evaporador puede hacerse usando detectores de pérdidas en el tanque el sistema de agua de venteo de agua fría. Este ensayo no puede detectar pequeñas pérdidas, y tampoco detectar refrigerantes que estén completamente disueltos o químicamente alterados por el agua.

Como un primer control de pérdidas en el condensador, puede usarse un detector de refrigerante sensible en el punto en donde el agua de enfriamiento o se bombea al a la torre de enfriamiento o en el punto de succión. Este ensayo no puede revelar pequeñas pérdidas.

Aplicando los diferentes sistemas de control de pérdidas puede conseguirse una mejora en la eficiencia que en promedio irá del 5 al 20 %

Propiedades del amoniaco como refrigerante

2012-10-27T02:58:00.001-07:00

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Propiedades del amoniaco como refrigerante

En varios artículos venimos hablando de las últimas tecnologías en refrigeración (ver "Controles de refrigeración PlantVisorPRO", "Refrigeración, seguridad y calidad de los alimentos", "Sobre las últimas tecnologías en compresores industriales y su eficiencia", "Enfriamiento por absorción utilizando biomasa como combustible", "Sobre las últimas tecnologías de licuefacción del gas natural", "La carrera por el desarrollo de sistemas de frío industrial ultra-eficientes"), y también lo hemos hecho del amoniaco como una de las tecnologías que pese a ser convencional están actualmente en auge ("Ventajas en costes y eficiencia energética del amoniaco como refrigerante" ). En este nuevo artículo volvemos al amoniaco pero en esta ocasión vamos a centrarnos en las propiedades de este agente químico como refrigerante.

El crecimiento del amoniaco está aumentando a nivel global, pues las restricciones ambientales a los refrigerantes clorados o fluroclorados han hecho emerger al amoniaco como un refrigerante que no contribuye a la disminución de la capa de ozono ni al calentamiento global. El amoniaco es un refrigerante eficiente usado en la preservación y procesado de alimentos, así como muchas otras aplicaciones en refrigeración y aire acondicionado. En la industria alimentaria el uso del amoniaco está muy extendido, alcanzando aproximadamente al 90 % de las instalaciones existentes. El amoniaco tiene características deseables como refrigerante que son conocidas desde hace aproximadamente un siglo, y la más importante de todas es que la eficiencia energética del amoniaco es mayor que el resto de los refrigerantes, por lo que utilizando amoniaco se consigue disminuir el consumo energético de la instalación. También el coste del amoniaco es una ventaja atractiva ya que es mucho menor al de cualquier refrigerante sintético. En términos generales cuesta entre el 10 y el 20 % menos en instalación.

Hay que indicar que el amoniaco es corrosivo y peligroso cuando se libera a la atmósfera en grandes cantidades, por lo que exige tomar precauciones especiales. Debido a su naturaleza irritante, las personas no pueden permanecer en atmósferas que contienen amoniaco por ser peligroso para la salud. Aunque el amoniaco puede arder en altas concentraciones, su ignición es difícil y la combustión no se mantiene si se retira la fuente de ignición.

Usos comunes del amoniaco

El amoniaco es un componente químico alcalino, sin color, que se reconoce por ser la base de muchos productos de limpieza doméstica, y también se utiliza en muchas aplicaciones agrícolas, industriales y comerciales. El amoniaco está disponible en cuatro grados comerciales – fertilizante, refrigerante, federal y metalúrgico – dependiendo del nivel de pureza.

El grado del amoniaco utilizado en refrigeración tiene un 99.98 % de pureza y está libre de agua y otras impurezas (máximo 150 ppm de agua, 3 ppm de aceite, 0,2 ml/g de no condensables). El amoniaco está siempre disponible, es barato, opera a presiones comparables con otros refrigerantes, y es capaz de absorber grandes cantidades de calor cuando se evapora. El amoniaco se produce en todo el mundo en unas cantidades estimadas de 100 millones de toneladas métricas.

Las aplicaciones más comunes del amoniaco son las de uso agrícola, sector que absorbe el 80 % de la producción de amoniaco. Las más comunes son las siguientes:

Inyecciones directas en suelo como fertilizante (hasta 150 libras anuales por acre).
Producción de urea (material cristalino sin color que está altamente concentrado, forma parte de los fertilizantes de hidrógeno y es fuente de proteína para la alimentación del ganado).
Defoliante del algodón previo a la cosecha.
Agente anti-hogos en ciertas fruta.

El 20 % restante del amoniaco fabricado comercialmente se utiliza en aplicaciones industriales, tales como:

Inyección directa en control de la reducción catalítica selectiva de los óxidos de nitrógeno en emisiones de chimeneas.
Inyección directa de hidróxido de amoniaco en emisiones de chimeneas para neutralizar óxidos de azufre de combustibles que contienen azufre.
Componentes de nitrógeno para la fabricación de explosivos tales como TNT y nitroglicerina.
Refrigerantes en ciclo cerrado en muchos sistemas de refrigeración industrial.
Agentes neutralizantes para constituyentes ácidos en plantas de tratamiento de aguas residuales.

Menos del 2 % del amoniaco producido comercialmente en el mundo se utiliza como refrigerante.

Usos del amoniaco en refrigeración

Con el incremento de las regulaciones en el uso de los refrigerantes basados en clorofluorocarbonos (CFC), hidroclorofluorocarbonos (HCFC) e hidrofluorocarbonos (HFCs), y la eliminación por fases de CFCs y HCFCs, se investigaron activamente otros refrigerantes para su uso en los sistemas de refrigeración existentes. Los refrigerantes alternativos deben tener características termodinámicas similares a los halocarbonos y ser seguros para los humanos y el medio ambiente. El amoniaco es un refrigerante alternativo tanto para sistemas de refrigeración y equipos de aire acondicionado. Puede utilizarse además tanto en equipos nuevos como en los ya existentes. Tiene un punto de vaporización bajo (-33º C), un potencial de disminución de la capa de ozono cero cuando se libera a la atmósfera y un alto calor latente de vaporización (9 veces mayor que el R-12). Adicionalmente, el amoniaco en la atmósfera no contribuye directamente al calentamiento global. Estas características dan como resultado un refrigerante de alta eficiencia energética con mínimos problemas ambientales. Con un análisis económico puro, sin cargas reguladoras y necesarias, el amoniaco encontraría aplicaciones más amplias de las que actualmente disfruta. Conforme los códigos de diseño y pateado asumiendo la seguridad del amoniaco sus aplicaciones aumentando. Las aplicaciones de sistemas de refrigeración basados en el amoniaco incluyen sistemas de almacenamiento térmico, enfriadores para aplicaciones de aire acondicionado, supermercados, etc.

La seguridad del amoniaco

El amoniaco sólo es peligroso en altos niveles de concentración. Según la NIOSH, el nivel de concentración al que puede exponerse una persona durante 30 minutos sin protección respiratoria es de 500 partes por millón. El amoniaco es un gas irritante y esto ayuda a prevenir que alguna persona pueda exponerse a concentraciones peligrosas de forma inadvertida. El umbral de olor promedio de las personas es de cinco partes por millón, muy por debajo de las concentraciones peligrosas.

Las propiedades de auto alarma que tiene el amoniaco son conocidas virtualmente por todos los ingenieros, diseñadores, técnicos y mecánicos que trabajan con sistemas de amoniaco regularmente. Así, incluso las pérdidas más pequeñas se reparan rápidamente.

Los sistemas de amoniaco modernos son sistemas completamente cerrados con controles totalmente integrados, que regulan la presión en todo el sistema. Por ello los sistemas de refrigeración son seguros, y además cumplen códigos de diseño que son efectivos, maduros, constantemente actualizados y revisados. El mayor riesgo podría provenir de una posible explosión, pero para prevenirlo estos sistemas utilizan válvulas de seguridad que evitan cualquier sobrepresión. El método preferido para aliviar estas sobre presiones es la liberación directa a la la atmósfera. El amoniaco es más ligero que el aire (el peso molecular del amoniaco es 17, mientras que el peso molecular del aire es.

Aspectos ambientales

El amoniaco permanece en la atmósfera tan solo unos días por lo que se considera un gas biodegradable. Hasta tal punto esto es así que incluso se utiliza el amoniaco para reducir peligrosas emisiones de gases de chimeneas inyectando lo directamente en los gases de salida de las turbinas de gas y calderas.

En los últimos años hay una tendencia creciente a estimular el uso de amoniaco como refrigerante, estos estímulos vienen tanto de organismos internacionales como de las políticas de algunos países avanzados como Alemania.

Ventajas en costes y eficiencia energética del amoniaco como refrigerante

2012-10-27T02:49:00.001-07:00

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Ventajas en costes y eficiencia energética del amoniaco como refrigerante

Hace unos días hablábamos de eficiencia energética en centrales frigoríficas (ver “La carrera por el desarrollo de sistemas de frío industrial ultra-eficientes”), una cuestión clave en el difícil mundo de la gestión energética industrial. Continuamos hablando de eficiencia energética en el sector de la refrigeración industrial y esta vez hablamos brevemente de las propiedades que en esta disciplina aporta el amoniaco. El amoniaco es tóxico para las personas y ello hizo que fuese durante años el patito feo de la refrigeración, pero en los últimos años se ha demostrado que su utilización presenta excelentes ventajas ambientales y energéticas. El amoniaco de grado refrigerante contiene un 99,98 % de agua y otras impurezas puras. Es fácilmente disponible, barato, capaz de absorber grandes cantidades de calor y luego evaporarse. La presión de operación del amoniaco es comparable con la de otros refrigerantes, pero la capacidad para absorber grandes cantidades de calor por volumen hace posible se usen tuberías y componentes más pequeños lo cual supone un ahorro importante en grandes instalaciones. Las superiores propiedades termodinámicas del refrigerante hacen que se requiera menos energía cuando se usa en grandes sistemas industriales y que las emisiones de CO2 sean menores al requerir menos energía. También el amoniaco es eficiente en costes ya que con su utilización es posible ahorrar entre un 10 y un 20 % respecto a las instalaciones con refrigerantes convencionales. Termodinámicamente hablando la eficiencia del amoniaco es un 3-10 % superior a otros refrigerantes; y como resultado usan menos electricidad que otros refrigerantes industriales. También el coste del propio producto es un factor a tener en cuenta ya que es significativamente inferior al de otros refrigerantes industriales y a la vez se requiere una cantidad de amoniaco inferior.

Sobre las últimas Tecnologías de licuefacción del gas natural

2012-10-27T02:45:00.006-07:00

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Sobre las últimas Tecnologías de licuefacción del gas natural

El proceso de licuefacción del gas natural

El gas natural puede obtenerse directamente de la tierra como un flujo de fluido que debe ser procesado antes de su uso comercial. Normalmente el gas requiere primero un pre-tratamiento para quitar o reducir el contenido de impurezas tales como dióxido de carbono, agua, sulfuro de hidrógeno, mercurio, etc. Antes de ser transportado a su punto desudo el gas debe ser licuado (GNL), y de esa forma el volumen se reduce unas 600 veces. Puesto que el gas natural es una mezcla de gases, licua en un rango de temperaturas. A presión atmosférica, el rango de temperaturas usual en el que ocurre la licuefacción ocurre entre -165 ºC y – 155 ºC. Por otra parte, ya que la temperatura crítica del gas natural está entre – 80 ºC y – 90 ºC, el gas no puede licuarse solamente por compresión, es por lo tanto necesario usar procesos de enfriamiento. La tecnología de licuefacción del gas natural está en pleno desarrollo, y son muchos los avances en los últimos años. En este artículo revisamos los más recientes, y para ello hemos estudiado las últimas veinte patentes aprobadas en Estados Unidos. Sólo las últimas veinte, porque hay más de mil patentes que tratan sobre este proceso de enfriamiento.

Los diferentes refrigerantes usados en el proceso de enfriamiento

El enfriamiento del gas natural se consigue utilizando diferentes ciclos de enfriamiento. Podemos hablar por ejemplo del uso de refrigerantes gaseosos utilizados en intercambiadores de calor como medio para enfriar el gas natural, y del el método de tres ciclos de enfriamiento en cascada. En tales cascadas, la refrigeración puede ser proporcionada por metano, etileno y propano en secuencia. Otro sistema conocido usa gases de hidrocarburos como propano, etano y metano en un único ciclo y un ciclo de refrigeración de propano separado para proporcionar enfriamiento de la mezcla de refrigerante y gas natural. El uso de hidrocarburos como refrigerantes es peligroso especialmente en ambientes confinados.

Un método alternativo es el desvelado por la US Patent 6023942, que propone el uso de dióxido de carbono como refrigerante. Este método puede utilizarse en tierra pero presenta problemas en plataformas marinas. Ya que depende de un proceso de expansión en bucle abierto como medio principal para enfriar el chorro de GNL. Los procesos de expansión como este no permiten se alcancen temperaturas lo suficientemente bajas y por ello el GNL tiene que mantenerse a muy altas presiones para mantenerlo en forma de líquido. Por motivos de seguridad y económicos estas altas presiones no son apropiadas para ambientes industriales. Un método alternativo es la utilización de procesos basados en el ciclo del nitrógeno (ver US Patent 6631626), pero tiene la desventaja significativa de una eficiencia térmica mucho más baja que en un sistema basado en hidrocarburos. Asimismo, ya que el nitrógeno tiene una baja transferencia de calor, se requiere una gran área de transferencia de calor para disipar el calor residual del proceso en un medio de enfriamiento. Hay que indicar también que en cualquier proceso de licuefacción de chorros de GNL la presencia de nitrógeno es problemática debido a la solubilidad de estos componentes en el GNL presurizado. Además, las concentraciones elevadas de nitrógeno en el ciclo de metano abierto puede incrementar los requerimientos de refrigeración y originar varios problemas operacionales. En esta patente se describen algunos métodos para la retirada del nitrógeno. La US Patent 7386996 utiliza recientemente un nuevo proceso basado en dióxido de carbono como refrigerante pero con un circuito de pre-enfriamiento proporcionado con una disposición en cascada con el circuito de enfriamiento principal. Este ciclo evita el peligro de los hidrocarburos en el circuito de refrigeración principal, a la vez que reduce sensiblemente el consumo energético. Como indicábamos anteriormente, en una disposición en cascada, el circuito de enfriamiento se lleva a cabo por una serie de ciclos de refrigeración que están típicamente en forma de sistema de bucle cerrado. La disposición es tal que el chorro de gas pasa a través de una serie de intercambiadores de calor interrelacionados que están dispuestos de forma que al menos un chorro de refrigerante pasa a través de una pluralidad de intercambiadores de calor en secuencia. La configuración es tal que el chorro de gas natural pasa a través de una serie de intercambiadores de calor que son dispuestos de tal forma que al menos un chorro de refrigerante pasa a través de una pluralidad de intercambiadores de calor en secuencia. Preferiblemente dos o más chorros de refrigeración se usan y la disposición puede ser tal que el chorro pasa a través del intercambiador de calor

Circuito para el aprovechamiento del exceso de presión para realizar un trabajo

La US Patent 20060112725 ha desvelado recientemente un proceso de licuefacción de un chorro de gas natural comprende los siguientes pasos:

(a) Proporcionar el chorro de gas natural presurizado a una primera presión y una temperatura;

(b) Enfriamiento del chorro de gas natural presurizado por intercambio de calor directo con un chorro de refrigerante frío para producir un chorro de gas natural presurizado a una segunda temperatura más fría que la primera temperatura;

(c) Expansión del chorro de gas natural presurizado enfriado en un dispositivo de expansión, donde el trabajo de expansión del dispositivo de expansión se usa para impulsar un compresor que comprime el chorro de refrigerante y presurizarlo, la expansión resultante es un chorro frío que es dirigido a la zona de licuefacción de gas natural;

(d) Enfriamiento del chorro de refrigerante presurizado para producir un chorro de refrigerante presurizado al menos parcialmente condensado.

(e) Expansión del chorro parcialmente condensado para producir el chorro empleado en (b);

(f) Licuefacción del chorro de alimentación frío en la zona de licuefacción de gas natural.

Circuito en cascada de tres etapas

La US Patent Application 20080006053 desvela un método para licuefacción de gases ricos en hidrocarburos. En este proceso el gas fluye a través de una cascada de tres etapas de refrigeración, cada etapa comprendiendo un circuito de refrigeración y un compresor, donde al menos parte del flujo de refrigerante del segundo circuito se usa para el pre-enfriamiento del gas rico en hidrocarburos en la primera etapa de refrigeración. De esta forma se equilibra la carga en cada compresor. Estandarizando las unidades de impulsión y los compresores de los tres circuitos de refrigerante, es posible maximizar la capacidad de licuefacción del proceso usando unidades de transmisión y compresores probados. Este método puede aplicarse a cascadas de refrigerantes mixtos y circuitos con pre-enfriamiento de dióxido de carbono.

Otros procesos

La US Patent 20060137391 describe un método para mejorar el ciclo de expansión multi-etapa reduciendo la presión del GNL presurizado y enfriado a casi la presión atmosférica.
Otra solución se describe en la US Patent 20050268649. En esta patente se desvela un proceso para conseguir la licuefacción del gas natural en conjunción con la producción de un chorro de líquido que contiene predominantemente hidrocarburos más pesados que el metano. En el proceso, el chorro de gas natural que es licuado se enfría parcialmente, se expande a una presión intermedia, y es suministrado a una columna de destilación. El producto del fondo de esta columna de destilación preferencialmente contiene la mayoría de cualquier hidrocarburo más pesado que el metano que de otra forma reduciría la pureza del gas natural licuado. El chorro de gas residual de la columna de destilación se comprime a una presión intermedia, y se enfría a baja presión para condensarlo, y luego se expande a baja presión para formar el choro de gas natural licuado.

Sobre las últimas tecnologías en compresores industriales de refrigeración y su eficiencia

2012-10-27T02:42:00.001-07:00

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Sobre las últimas tecnologías en compresores industriales de refrigeración y su eficiencia

Aerzen, Cubigel, Danfoss, Hartford, Gea Grasso, TEE, Dorin, Fracold, Bitzer, Bristol, Bock, J & E Hall, Frigopol, Refcomp…La oferta de compresores para aplicaciones de refrigeración permite encontrar en cada caso el más adecuado para nuestras características de diseño. En los últimos años, los compresores de refrigeración han avanzado enormemente en rendimiento y eficiencia, en este artículo revisamos los avances de algunos de los fabricantes más relevantes del elemento del circuito de refrigeración que más energía consume, y su aplicación en el sector industrial:

Aerzen: El estadounidense Aerzen fábrica compresores libres de aceite en varios tamaños. Los compresores originales del fabricante funcionaban según el principio de Lysholm, máquinas diseñadas con completa libertad de contaminación por aceite lubricante. Posteriormente se fabricaron otros modelos de tipo similar, pero operando bajo el principio de la inyección de aceite.
Bitzer: El fabricante alemán diseña y fabrica compresores de pistón, tornillo, scroll y otros recipientes a presión. También refleja en su web una importante apuesta por la eficiencia energética. Como otros fabricantes Bitzer permite en su página la descarga de herramientas de apoyo para el diseño de plantas y selección de piezas. También encontraremos una rica selección de dibujos en formato 2D.
Bristol Compressors: El fabricante habla en su web de los avances de sus compresores pero no incide especialmente en la eficiencia energética.
Cubigel: La compañía española Cubigel fabrica también una gama de compresores de refrigeración de alta eficiencia. La serie más extendida trabaja con R134a, R404A y refrigerantes naturales R290 y R600a. Este rango muestra mejoras en el COP que van entre el 12 5 y el 25 % en comparación con rangos standard. Además, hay un compresor controlado electrónicamente, que mejora el COP en un 35 %. Los modelos de alta eficiencia de Cubigel reducen el consumo energético de aparatos de refrigeración comercial entre el 10 % y el 20 % con respecto al rango standard. La mayoría de los modelos de alta eficiencia están equipados con motores eléctricos, diseñados con un concepto de "condensador opcional", es decir, el compresor puede trabajar con o sin condensador (CSR/CSIR), que reduce el stock de compresores.
Danfoss: El rango de compresores Danfoss va desde pequeños compresores herméticos de corriente continua para aplicaciones herméticas a grandes compresores scroll para acondicionamiento de aire o aplicaciones industriales. Algunas versiones, tales como los compresores optimizados en energía, los compresores de velocidad variable y los compresores para aplicaciones solares están disponibles. El rango cubre todos los refrigerantes comunes HFC, HCFC y CFC, así como los hidrocarburos para modelos más pequeños. La eficiencia energética es uno de los principios claves de los compresores danfoss. En los compresores scroll, por ejemplo, el fabricante afirma que el ahorro energético conseguido en los de pistón semihermético es del 5-15 % y en los de diseño Scroll del 8 %.
Dorin: Fabricante italiano de compresores. Entre sus modelos encontramos compresores semiherméticos, compresores de CO2, compresores de tipo abierto para aplicaciones de transporte, compresores HI para aplicaciones de inversor, Compresores THI tándem para aplicaciones de inversor, compresores de tipo abierto y unidades de condensación de aire.
Frascold: Este fabricante produce una gran gama de compresores: semiherméticos, semiherméticos con dos etapas, compresores semi-herméticos tándem, compresores semi-herméticos de tornillo gemelos compactos, compresores semi-herméticos de tornillos gemelos para separadores de aceite remotos, unidades de condensación refrigeradas por aire, unidades de condensación refrigeradas por agua, grupos, receptor/compresor, compresores de tornillo gemelos CHHO. Siguiendo la línea de otros fabricantes, Frascold apuesta también en su web por la eficiencia energética, por ejemplo en los separadores de aceite de los compresores de tornillo gemelos CXH0. También aporta el fabricante información sobre las aplicaciones de los convertidores de frecuencia variable. El objetivo de estos controles es variar la velocidad del compresor en función de las capacidades requeridas en cada momento. Puede conseguirse aumentar la eficiencia energética si el sistema funciona con menor capacidad cuando las cargas son menores.
Gea Grasso: Este fabricante diseña y construye compresores de pistón y tornillo, enfriadoras y purgadores. Entre las novedades que incluye en su web destacamos una herramienta de cálculo del retorno de la inversión en purgadores. Los gases no condensables como el aire tienden a penetrar en el sistema de refrigeración. Estos gases tienen un impacto negativo en el rendimiento del sistema de refrigeración. Las temperaturas de descarga del compresor y del consumo de energía se incrementarán. La capacidad de enfriamiento caerá. En ambos casos el coeficiente de rendimiento del sistema de refrigeración es mucho más bajo. El fabricante produce un purgador auto limitante que evacua gases no condensables fuera del sistema de refrigeración. El sistema puede integrarse de forma muy simple tanto en plantas nuevas como en plantas existentes. La herramienta incluida en la web permite calcular el pay back de la inversión y el ahorro total (en términos de dinero) de forma gráfica basándose en la capacidad de refrigeración, enfriamiento o aplicación de congelación, ratio de no-condensables, horas de operación del compresor, costes de electricidad e inversión.
Hartford compressors. Este fabricante diseña y fabrica compresores recíprocos para usos de refrigeración industrial y comercial. Son también compresores de rendimiento.
J & E Hall: Otro de los fabricantes internacionales, en este caso británico. Fabrica compresores recíprocos, semiherméticos y unidades de condensación. Respecto a la eficiencia, el fabricante hace hincapié en su web en el control del compresor.
RefComp: En sus Series 134-XS & 134-S SERIE 40-300 Hp el fabricante describe sus compresores de alta potencia. Los factores que resalta son la eficiencia, ausencia de ruido, fabricación compacta y simplificación de la instalación y mantenimiento. Medioambientalmente el fabricante promueve el uso del refrigerante R134a, uno de los más interesantes. La tecnología de tornillo realza los beneficios potenciales de R134a, en particular su alta eficiencia de compresión y límites en la temperatura de condensación. El rango consiste en 17 modelos cuyo desplazamiento y potencia del motor nominal a 50 Hz va de 118 a 1100 m³/h y de 40 a 390 CV respectivamente. Las características técnicas innovadoras y el amplio rango de modelos hace a estos compresores ideales para enfriadoras aire/agua y lo menos enciende o agua/agua y bombas de calor. El fabricante ha desarrollado un separador de aceite de diseño radial para minimizar las dimensiones totales axiales del compresor, por lo que el compresor puede instalarse en un espacio reducido. Estos compresores son de alta eficiencia. La solución de tornillos gemelos, con su movimiento relativo de rodillos prácticamente elimina las fuerzas de contacto y reducen la longitud del sellado. Los compresores disponen también de un control de la capacidad del sistema, que se realiza mediante un sistema de válvulas de láminas o by-pass. El rendimiento y la eficiencia energética del sistema pueden incrementarse aún más con el circuito del economizador, en particular para ratios de compresión altos y medios. Para optimizar la separación de aceite en el interior del compresor estos equipos se disponen de filtros de aceite de alta eficiencia, vidrio para ver los niveles, sensores de nivel de aceite opto-electrónico o mecánico. El proceso de compresión ocurre cinco veces cada rotación del motor completa (aprox. 1500 ciclos at at/min, a 50 Hz) at y garantiza un efecto pulsante uniforme en el gas de descarga. Para seleccionar compresores el fabricante facilita el software de selección de compresores LEONARDO.
Türk Elektrik: Fabricante turco que entre otros productos desarrolla compresores de refrigeración. 40 años de experiencia en fabricación tiene su objetivo en aumentar la eficiencia energética, disminuir el ruido e impacto ambiental.

Por último, indicamos que casi todos los fabricantes analizados disponen de útiles herramientas de selección de compresores que de forma muy ajustada a las necesidades de la aplicación ayudarán a determinar la opción adecuada en cada caso

Refrigeración, seguridad y calidad de los alimentos

2012-10-27T02:40:00.001-07:00

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Refrigeración, seguridad y calidad de los alimentos

Un nuevo artículo sobre refrigeración industrial, esta vez centrándonos en la preservación de la calidad del producto refrigerado y en las consideraciones de diseño que debemos tener en cuenta en equipos de refrigeración para prevenir problemas sanitarios.
. Historia de la refrigeración

Un refrigerador es una de las piezas más importantes de los equipos de las cocinas. Estas unidades eléctricas son comunes hoy en día tanto para uso doméstico como industrial. Ya hemos olvidado que un refrigerador fue una vez poco más que una caja con un bloque de hielo usado para suministrar una fuente independiente de aire frío. En tiempos prehistóricos, el hombre encontró que su caza duraría más tiempo sí se almacenaba en una fría cueva o en la nieve. Comprendió que la temperatura fría mantendría la caza durante más tiempo. Más tarde, el hielo se guardaba en el invierno y se usaba en el verano.

La etapa intermedia en la historia de la refrigeración llegó cuando a la comida fría se le añadían químicos como nitrato de sodio o potásico al agua causando que la temperatura cayese. El enfriamiento del vino vía este método fue registrado en 1550, cuando se usó por primera vez el término refrigerar. La evolución a la refrigeración mecánica at. A la refrigeración mecánica, un compresor con refrigerante, no se llegó hasta el último cuarto del siglo XIX.

Refrigeración y seguridad alimentaria

La ciencia de la refrigeración continúa desarrollándose. El cambio más radical vino en 1996, cuando se cambiaron los refrigerantes permitidos. Los viejos refrigerantes conocidos por la mayoría de la gente como “freon”, fueron reemplazados por HFC 134a, un refrigerante menos nocivo con el ozono y un refrigerante menos nocivo pero suficientemente efectivo para mantener la comida fría.

Importancia de la refrigeración

La refrigeración ralentiza el crecimiento bacteriano. Las bacterias existen en cualquier lugar de la naturaleza. Están en el suelo, agua, aire, en los alimentos y la comida. Cuando tienen nutrientes, humedad, y temperaturas favorables, crecen rápidamente, incrementándose en número hasta tal punto que algunos tipos pueden causar enfermedades. Las bacterias crecen rápidamente en el rango de temperaturas que va de 4,5 ºC a 40 ºC. Algunas bacterias doblan su número en tan poco como 20 minutos. Consecuentemente, un refrigerador que mantenga la temperatura por debajo de 4 ºC protegerá la mayoría de las comidas.

Tipos de bacterias y alimentos refrigerados

Hay dos familias completamente diferentes de bacterias: las bacterias patógenas, un tipo que causa enfermedades transportadas por los alimentos, y bacterias spoilage, que causan el deterioro de los alimentos y desarrollan olores, sabores y texturas desagradables. Las bacterias patógenas pueden crecer rápidamente en la zona de peligro pero generalmente no afectan al sabor, olor, o apariencia de la comida. En otras palabras, uno no puede decir que un patógeno está presente. En otras palabras, la bacteria spoliage puede crecer a bajas temperaturas, tales como las del refrigerador. Eventualmente pueden causar que la comida desarrolle mal sabor u olor. La mayoría de las personas evitará comer alimentos afectados por estas bacterias, pero si lo hacen probablemente no enfermen. Se trata de un asunto más de calidad que de seguridad:

La comida que se ha dejado largo tiempo en un mostrador puede ser peligroso comerla, pese a que pueda tener buena apariencia.
La comida que se ha almacenado durante largo tiempo en un congelador o refrigerador puede aparentar mala calidad, pero en la mayoría de los casos nadie parecerá enfermo.

Temperaturas de refrigeración seguras

Por seguridad, es importante verificar la temperatura del refrigerador. Los refrigeradores se mantendrán a una temperatura de 4,5 ºC o inferior. Para asegurarlo debe mantenerse un termómetro en el refrigerador que controle la temperatura. Esto puede ser crítico en caso de caída de energía. Si la energía vuelve y la temperatura no ha caído de 4,5 ºC, la comida seguirá siendo segura. Si la comida se mantiene a una temperatura de más de 4,5 ºC durante más de dos horas, entonces no debe ser consumida.

Manipulación segura de comida para refrigeración

Puede colocarse comida caliente directamente en el refrigerador o puede enfriarse rápidamente en baños de agua fría o hielo antes de refrigerar el producto. Cubrir las comidas ayuda a retener la humedad y las previene de captar el olor de otras comidas.

Si la comida se mantiene en recipientes grandes como las sopas o los guisos, deben dividirse en pequeñas porciones y colocarse en contenedores pequeños antes de refrigerarse.

Colocación de la comida

La temperatura del refrigerador será de 4,5 ºC o menos, y así el almacenaje será seguro para todas las comidas. La carne cruda, aves y productos del mar deben estar sellados para no contaminar otras comidas.

Controles de refrigeración PlantVisorPRO

2012-10-27T02:36:00.000-07:00

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Controles de refrigeración PlantVisorPRO

iniciamos una serie de artículos en los que hablaremos de la refrigeración ultra-eficiente. Como vimos en el primer artículo, gran parte de la eficiencia en refrigeración puede obtenerse a partir de los modernos controles automáticos, sistemas relativamente económicos y de rápida amortización. En el artículo de hoy hablaremos de la familia de controles del fabricante italiano Carel.

Controles paramétricos de refrigeración: La serie ir33 representa la tecnología de carel dirigida al sector de la refrigeración. Las cuatro versiones básicas (12Vac, 12/24Vac/dc, 230Vac and 115/230Vac) dan un amplio rango de productos para diferentes configuraciones. Estos controladores son microprocesadores con un display LED y símbolos gráficos que asisten al usuario. Están diseñados especialmente para la gestión de las unidades de refrigeración, con características que las hacen ideales para el uso con todos los tipos de aplicaciones.

PlantVisorPro: El sistema dispone de una interface intuitiva de fácil y navegación, con características avanzadas: bases de datos relacionales, control de acceso, protocolos XML, intercambio de datos entre aplicaciones, Modbus, conectividad TCP/IP e interface web. PlantVisorPRO es un sistema de supervisión con reconocimiento automático de instrumentos en la instalación, registros preseleccionados y alarmas. El sistema dispone de funciones de gestión de la energía, informes HACCP, gestión de alarma y conectividad remota, planificación de actividades y controles de instrumentos o grupos de instrumentos.

Soluciones para locales destinados a la maduración: el programa de aplicación para los controladores de la serie pCO puede gestionar las funciones de temperatura y humedad en salas de maduración de queso, salchichas y salami. El software controla el compresor, el ventilador de la habitación de maduración, los calentadores eléctricos y las válvulas de agua caliente y fría. Esta aplicación también permite el control de un humidificador por contacto digital, y la apertura del amperímetro exterior. Esta aplicación, además de mostrar y controlar los valores de la temperatura y humedad, proporcionan una completa gestión de las alarmas, de los ciclos de maduración y de la entrada diaria de aire fresco, gracias a la instalación de un panel con reloj.

Control activador universal. Este programa puede gestionar diferentes actuadores o cargas con algoritmos de control basados en lecturas de sondas de presión/temperatura. Se usa para configurar las salidas y adaptar las funciones de control al número de cargas (incluyendo diferentes capacidades). La solución puede adaptarse para gestionar baterías de combustibles.

Plug-in series: Es un nuevo rango de controladores destinados a la operación de unidades de refrigeración ventiladas o estáticas a temperaturas normales o bajas. Este controlador permite realizar diseños adaptados a cada cliente a la vez que se mantiene sólo la estandarización de componentes y procesos de producción.

Powersplit: Es un nuevo controlador de cofres frigoríficos basados en compresores incorporados. El sistema controla de forma continua una serie de características, tales como: eventos críticos (HACCP), la red local, la conexión de un sistema de tele-mantenimiento y supervisión telemático, la salida del relé de potencia, el bloque terminal del panel y el sensor de luz óptica.

Enfriamiento por absorción utilizando biomasa como combustible

2012-10-27T02:27:00.001-07:00

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Enfriamiento por absorción utilizando biomasa como combustible

En los lugares donde la electricidad no está disponible, mantener los alimentos refrigerados es un problema importante. Es por ello que se buscan alternativas como la utilización de energías renovables. Pero el uso de energías renovables con sistemas de refrigeración convencionales no es eficiente y suele requerir medios de almacenamiento de energía complementarios. Los motores de absorción y su uso en refrigeración es una tecnología conocida que tiene aplicaciones interesantes en este campo. Pero la utilización de hidrocarburos como combustibles también supone una desventaja especialmente en economías emergentes con gran dispersión de su población. Por este motivo, la solución tecnológica de la que hablamos hoy nos parece de interés especialmente para proyectos de desarrollo rural en lugares donde la energía es muy costosa.

Aes alternative energy solutions, acopla un enfriador con el motor de succión, hasta ahora nada nuevo, lo realmente novedoso es que esta solución utiliza residuos de biomasa como combustible. Consecuentemente, esta tecnología es útil para reducir la dependencia de los combustibles fósiles. El fabricante en su website defiende que el payback de la inversión es muy atractivo. Estos equipos pueden ser utilizados para enfriar procesos y también para propósitos de refrigeración. La tecnología aplicada al proceso es la gasificación, por lo que la flexibilidad del combustible y se maximizan y las emisiones se reducen dramáticamente.

Los equipos más pequeños que comercializa la empresa producen 300000 kcal/h, o una producción de vapor equivalente de 500 kg/h. Son equipos por lo tanto bastante grandes y aplicables a procesos industriales de tamaño medio.

El proceso de gasificación utilizado convierte materiales carbonaceos como carbón, petróleo o biomasa en carbono, monóxido de carbono, hidrógeno y dióxido de carbono. En el proceso de gasificación, el material se somete a tres procesos:

Pirólisis (o devolatización): en esta parte del proceso las partículas se calientan. Los volátiles se liberan y el material pierde hasta 70 por ciento de peso. El proceso es por lo tanto dependiente de las propiedades del material.
Combustión: Este proceso ocurre cuando los productos volátiles la reaccionan con oxígeno para formar a dióxido de carbono o monóxido de carbono, lo cual proporciona calor para las subsiguientes reacciones de gasificación. La Pirólisis y la combustión son procesos muy rápidos.
Gasificación: el proceso de egasificación ocurre cuando el destilado reacciona con dióxido de carbono y vapor para producir monóxido de carbono e hidrógeno. El gas resultante se denomina syngas y puede ser convertido en electricidad de forma eficiente. El proceso de en gasificación refina elementos corrosivos como cloruros y potasio.

El fabricante realiza un análisis comparativo entre el uso de este sistema y una aplicación convencional de gas natural. El coste de capital es cinco veces superior en los equipos de biomasa pero el coste de operación es que los equipos de biomasa tan sólo un tercio al respecto a los de casa natural. En conclusión, hay que tener en cuenta en este tipo de inversiones que las necesidades de capital inicial siempre van a ser bastante más elevadas que las tecnologías convencionales. Sin embargo, los beneficios del sistema se obtiene sobre todo durante el servicio del equipo, especialmente en aquellos lugares que carecen de otros suministros y a la vez disponen de biomasa ilimitada.

Calculando la energía necesaria para enfriar la leche

2012-10-22T15:12:00.000-07:00

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Calculando la energía necesaria para enfriar la leche

Necesidades de enfriamiento de la leche

El proceso de enfriamiento de leche en las granjas consume la proporción más grande de la energía total consumida (el 30 % con datos de California). Enfriar la leche inmediatamente después de su ordeño se vital para mantener altos niveles de calidad hasta que el fluido sea consumido o usado para fabricar otros productos lácteos.

La leche cruda para pasterización debe enfriarse a 10 ºC (50 ºF) o menos, en menos de cuatro horas desde el comienzo del primer ordeño, y a 7 ºC (45 ºF) o menos dentro de las dos horas después de finalizar el ordeño. La temperatura de la mezcla de la leche entre el primer y subsiguientes5 ºF ordeños no excede de 10 ºC (50 ºF).
.

La temperatura típica de la leche tras su ordeño es de 37 ºC (99 ºF), y si va a llevarse a un punto lejano debe enfriarse a 7 ºC (45 ºF). Para alcanzar esta temperatura debemos extraer aproximadamente 23,50 kcal por cada kg de leche. Parte de este calor puede perderse cuando la leche se transporta desde la vaca al lugar de enfriamiento.

ENFRIAMIENTO DE LA LECHE

Dos procesos son utilizados para enfriar la leche:

Expansión directa:

Es el sistema mediante el cual las placas del evaporador se incorporan a la parte inferior de un tanque de almacenamiento en contacto directo con la leche. El líquido refrigerante se expande en el interior del evaporador y enfría la leche. Se utilizan agitadores sobre las placas del evaporador para mejorar el enfriamiento. En este proceso hay límites por el área superficial refrigerada y la capacidad para quitar calor lo bastante rápido (kcal/hr) para cumplir con los altos requerimientos exigidos para el enfriamiento de la leche. La capacidad para quitar calor de la leche con rapidez (kcal/h) solamente es posible reduciendo la temperatura de la superficie del evaporador al punto donde puede ocurrir la congelación. Esto es un desafío cuando la temperatura de la leche se aproxima a 3 º C (38 ºF). La agitación de la leche durante largos periodos puede perjudicar la calidad de la leche.

El inconveniente de la expansión directa es que el sistema no puede enfriar la leche lo suficientemente rápido cuando entra en el tanque. Transcurre un tiempo hasta que el sistema puede enfriar la leche hasta los 7 ºC.Con vacas que se están ordeñando hasta 22 horas al día, este sistema de enfriamiento no puede ser utilizado.

Enfriamiento instantáneo
El enfriamiento instantáneo se realiza donde el enfriamiento de la leche se completa en el exterior del depósito de almacenamiento o silo y luego se bombea para su almacenamiento. En vez de expansión directa, para enfriar la leche se usa un intercambiador y usa un fluido de refrigeración intermedio, tal como agua fría o una mezcla de agua glicolada.

SELECCIONANDO EL SISTEMA DE ENFRIAMIENTO MÁS EFICIENTE

El ciclo de refrigeración mecánico usado en los sistemas de expansión directa es el que vemos en la siguiente figura, y cada ciclo se caracteriza por su eficiencia.

La eficiencia de un sistema de refrigeración viene dado en términos de EER (Energy Efficiency Ratio), y hay muchos factores que impactan en el EER, y que debemos tener en cuenta a la hora de seleccionar el sistema de enfriamiento de leche más conveniente.

Un factor importante a tener en cuenta es la relación entre las presiones del lado de baja y de alta presión del ciclo. EER decrecerá cuando la diferencia entre estas dos presiones se incrementa. Para maximizar el EER se necesita mantener la presión del lado de baja lo más alta que sea posible y la presión del lado de alta lo más baja posible. Todos estos factores deben ser considerados cuando se selecciona un equipo de refrigeración. Veremos posterioremente otros factores a tener en cuenta.

Esquema de un sistema de refrigeración mecánica

Compresores

El compresor de refrigeración más común usado en las granjas actuales es el recíproco, ya sea de tipo abierto, hermético o hermético accesible.

Condensadores

El gas refrigerante condensa en el condensador quitándole calor. Hay dos tipos de condensadores, los refrigerados por aire y los refrigerados por agua. Si el condensador es una parte integral del compresor en una plataforma común, la unidad se llama unidad de condensación. Los condensadores pueden también montarse remotos al compresor.

Los condensadores refrigerados por agua operan bajo los mismos principios que los de aire, son más pequeños en tamaño y ofrecen un EER mayor que los condensadores refrigeradso por aire.

Los condensadores de tubos y carcasa enfriados por agua se usan comúnmente en las granjas.

Ejemplo de condensador refrigerado por agua

Enfriamiento directo o indirecto

Generalmente, los sistemas de enfriamiento agua son menos eficientes que los sistemas de expansión directa. El motivo de una eficiencia más baja es la presión de succión más baja para alcanzar las temperaturas del evaporador más bajas inherentes a los sistemas de enfriamiento instantáneo y la energía requerida para mover el agua/glicol hacia el intercambiador de calor.

Intercambiadores de calor para enfriar leche

Loz intercambiadores de calor usados para enfriar leche están hechos de acero inoxidable y están diseñados para ser abiertos para limpieza. Desde hace veinte años ha estado disponible un intercambiador de calor que parcialmente enfría la leche antes de entrar en un sistema de enfriamiento de expansión directa o un enfriador instantáneo.

El uso de un intercambiador para preenfriar la leche como medida de ahorro energético es común en grandes granjas, y más recientemente el tipo de intercambiador dominante es el de placa.

ÍNDICES DE UTILIZACIÓN DE ENERGÍA EN ENFRIAMIENTO DE LECHE

El uso de energía de un sistema de enfriamiento de leche bien mantenido y sin medidas de conservación de la energía es de 1,76 - 2,65 kWh por cada 100 kg de leche fría. el enfriamiento parcial de la leche permite conseguir un ahorro de 0,44 - 0,66 por cada 100 kg de leche fría. Instalando un variador de frecuencia variable conseguiremos disminuir adicionalmente 0.44 kWh por cada 100 kg de leche fría. La reducción actual en el uso de energía será dependiente de la temperatura del agua sin enfriar, del caudal del agua y de la efectividad del variador de frecuencia para reducir el caudal de leche a través del intercambiador.

VARIADOR DE FRECUENCIA VARIABLE PARA BOMBAS DE LECHE

Como indicábamos en la primera parte de este artículo, en los equipos convencionales, el caudal de leche durante el ordeño de una bomba de leche puede variar desde cero a 25 - 50 gpm (95 - 190 l/min). En una sala de ordeño con dos bombas de leche, las bombas pueden operar un 10 - 25 % del tiempo mientras las vacas de un lado se están ordeñando. Esto significa que no hay leche fluyendo a través del intercambiador de calor un 75 - 90 % del tiempo y el caudal durante el otro 10 - 20 % del tiempo será alto. Ésta no es una forma eficiente de operar un intercambiador de calor. En el agua del pozo o el agua fría del lado glicol-agua del intercambaidor de calor el caudal necesario srá 50 - 100 gpm durante un 10 al 20 % del tiempo. Esto es difícil.

Para ayudar a aliviar este problema, puede aplicarse un variador de frecuencia variable a la bomba de leche. El concepto aquí es disminuir el caudal de leche del receptor de forma que la bomba de leche opera un mayor porcentaje del tiempo. Esto significa que el caudal de leche a través del intercambiador de calor será más lento y más continuo. Ambos factores mejoran la efectividad del intercambiador de calor.

El control del variador de frecuencia variable está compuesto normalmente por una serie de interruptores de lengüeta montados en una sonda de acero inoxidable hueca. Dependiendo de la longitud de la sonda, se posicionan dos o cuatro interruptores de lengüeta a lo largo de la sonda en localizaciones apropiadas.
Usando un código binario, la salida de frecuencia del VFD (variador de frecuencia), y así la velocidad de la bomba, pueden controlarse según que relés estén cerrados (uno) o abiertos (cero). El VFD puede programarse para proporcionar diferentes velocidades, y el objetivo es que la bomba opere a la velocidad más baja posible el mayor porcentaje de tiempo.

Pero hay que ser cuidadoso cuando se ajusta la velocidad a su nivel más bajo. Casi todas las bombas receptoras son centrífugas (el reparto varía con la altura de presión y las rpm) en oposición a las bombas de desplazamiento positivo en las que el reparto de fluido tiene una velocidad lineal y no queda afectada por la presión de descarga. En las bombas centrífugas, a cierta combinación de presión total y rpm de la bomba, el caudal para. La presión total es la suma de la presión de succión, entre 0.4 y 0.5 bares, y la presión de descarga que incluye la altura vertical al punto de descarga o altura de la leche en un silo, la pérdida de presión en el filtro, la fricción del intercambiador de calor y la tubería. El rendimiento de la bomba va variando a diferentes velocidades del VFD. La bomba tiene unas características diferentes durante la aceleración y la ralentización.

Otra cuestión que debe considerarse es la agitación de la leche en el interior de la bomba de leche a bajas velocidades.

Veamos un ejemplo:

Cuando la bomba está operando a velocidad nominal (el impulsor está girando a unos 3450 rpm) la velocidd de reparto es de 20 gpm (galones por minuto). Para cada galón de leche transmitida el impulsor gira 172 veces. A baja velocidad el reparto es de menos de 4 gpm pero la velocidad es de 2400 rpm. Ahora el impulsor gira 600 veces por galón o más que tres veces la agitación. El impacto de esta agitación adicional no está estudiad a.

Tecnología innovadora: Geotermia en aplicaciones de frío

2012-10-22T14:48:00.001-07:00

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Tecnología innovadora: Geotermia en aplicaciones de frío

Un nuevo artículo centrado en la descripción de tecnologías emergentes en el sector del frío, y en esta ocasión hablamos de las aplicaciones de la geotermia en climatización. .

La energía geotérmica se ha usado en refrigeración desde hace tiempo, en forma de bombas de calor geotérmicas reversibles. Las primeras instalaciones proceden de finales de los años 40, donde la bomba de calor actuaba en verano como máquina de enfriamiento y vaciaba el calor en el sistema geotérmico. La ventaja aquí es una eficiencia mucho mayor que cuando el calor se vierte en el aire atmosférico. En Canadá y USA esta tecnología es muy popular bajo el nombre de “geoexchange system”. .

A mediados de los 80, la idea de enfriamiento directo se describió en Suiza y se ensayó en Alemania. Aquí las regiones más frías en la parte superior de la corteza de la tierra (a unos 100 m de profundidad) se usan como sumidero directo, junto con unidades de fan coil, techos fríos, etc., aceptando temperaturas de enfriamiento de hasta 18 ºC. Esta tecnología puede no proporcionar dehumidificación del aire frío por lo que está restringida a ser usada en climas no demasiado húmedos, o requieren dehumidificación adicional. Actualmente, la mayoría de las bombas de calor geotérmicas en aplicaciones comerciales (oficinas, etc.) usan una de estas opciones, y también un número creciente de instalaciones en el sector residencial. .

Un nuevo uso de enfriamiento en combinación con la tecnología geotérmica ha sido demostrado en Renewable Energy House en Bruselas, donde los intercambiadores de calor del hueco taladrado para un sistema de bomba de calor geotérmica actúa como un sumidero de calor para re-enfriamiento del condensador de un sistema de enfriamiento de absorción solar. .

Existe muy buen potencial para los sistemas más grandes que pueden utilizar enfriamiento por absorción geotérmico. El calor geotérmico aquí es la energía impulsada por una enfriadora de absorción. La tecnología básica existe, sin embargo, los conceptos del sistema están todavía bajo desarrollo, y tan solo hay hasta ahora algunas plantas de demostración (en Europa por ahora). Con esta tecnología innovadora, un nuevo mercado para las aplicaciones geotérmicas puede abrirse, y los sistemas de calefacción geotérmicos pueden mejorarse y usar el calor también en verano. .

Tecnología de enfriamiento por absorción geotérmica .

El enfriamiento por absorción impulsado por la energía geotérmica puede cubrir cargas de enfriamiento; re-enfriamiento del condensador por aire o UTES. .

Las máquinas de enfriamiento por absorción son frecuentes, y utilizan el calor no necesario en verano para proporcionar frío. Esta tecnología está disponible con temperaturas de red por encima de 90 ºC. La mayoría de las máquinas de absorción requieren aproximadamente 90 ºC y más como energía de activación. .

En la mayoría de los sistemas de calentamiento geotérmico los niveles de temperatura son inferiores, en el rango de 70 – 90 ºC. Esto es debido a que las temperaturas predominantes en los acuíferos geotérmicos usados para este propósito en Francia, Alemania, Polonia, Hungría y otros. Por ello el enfriamiento por absorción geotérmica necesita o temperatura geotérmica inicial alta, o sistemas adaptados funcionando con temperaturas más bajas y con sistemas de re-enfriamiento eficientes. .

El ciclo de absorción es un proceso por el cual el efecto de refrigeración se produce a través de dos fluidos y alguna cantidad de calor de entrada, en vez de la alimentación eléctrica del más familiar ciclo de compresión de vapor. Tanto el ciclos de absorción como de compresión llevan a cabo la retirada del calor a través de la evaporación de un refrigerante a baja presión y el rechazo de calor a través de la condensación del refrigerante a una presión más alta. .

El método de crear la diferencia de presión y circulación del refrigerante es la principal diferencia entre los dos ciclos. El ciclo de compresión de vapor emplea un compresor mecánico para crear las diferencias de presión entre los dos ciclos. El ciclo de compresión de vapor emplea un compresor mecánico para crear las diferencias de presión necesarias para circular el refrigerante. En el sistema de absorción, un fluido secundario o absorbente se usa para hacer circular el refrigerante. Debido a que los requerimientos de temperatura para el ciclo caen en el rango de temperatura bajo a moderado, hay un potencial de ahorro en energía eléctrica, por lo que la temperatura de absorción parece bien interesante para las aplicaciones geotérmicas. .

Las máquinas de absorción están hoy en día comercialmente disponibles en dos configuraciones básicas. Para aplicaciones por encima de 15 ºC (principalmente aire acondicionado), el ciclo usa bromuro de líquido como absorbente y agua como refrigerante. Para aplicaciones por debajo de 15 ºC, se emplea un ciclo amoniaco/agua con amoniaco como refrigerante y agua como absorbente. .

Hay algunas restricciones de diseño para la adopción de enfriamiento por absorción geotérmica, así que es necesario evaluar los siguientes factores cuando se consideran tales aplicaciones para el acondicionamiento de espacios: .

Temperatura del recurso: Con temperaturas del recurso inferiores a 100 ºC deben aplicarse consideraciones especiales. Si se requiere refrigeración a baja temperatura se requiere una temperatura del recurso muy alta o diseños en dos etapas.
Requerimientos del agua caliente de la máquina de absorción comparados con los requerimientos de caudal para calentamiento de espacios: Los costes de bombeo se aplicarán a la máquina de absorción.
Capacidad de absorción requerida: Las máquinas más grandes tienen menores costes de capital en una base €/kw.
Carga de enfriamiento anual para acondicionamiento de espacios: Cuanto mayor sea el uso del equipo más rápido es el payback.
Energía de bombeo del recurso geotérmico: La potencia necesaria para el bombeo puede ser aproximadamente el 50 % del consumo de la enfriadora eléctrica de alta eficiencia.

Mercado potencial

El uso de la energía geotérmica para propósitos de enfriamiento tiene unas buenas perspectivas, especialmente en las regiones más calurosas de Estados Unidos. Como la producción de energía geotérmica de baja temperatura, el enfriamiento por absorción lo térmico está restringido a las arias cuyos recursos geotérmicos son de 100º C o más. .

En Europa las oportunidades de alta entalpía están limitadas a las siguientes regiones:

Dentro del territorio de la Unión Europea: Italia, Grecia, DOM-TOM francés, islas canarias españolas y las Azores en Portugal.
Resto de Europa: Islandia y Turquía.

En todas estas aplicaciones con temperaturas por encima de los 100 ºC puede surgir un conflicto con la producción de energía geotérmica, ya que la misma cantidad de fluido geotérmico sólo puede ser utilizada para producir energía eléctrica o frío al mismo tiempo. No surgen conflictos en los campos geotérmicos de alta temperatura, donde la temperatura del fluido después de la conversión a energía eléctrica todavía es lo bastante alta como para hacer funcionar las enfriador de absorción. Otra opción es desarrollar enfriadores de absorción que puedan proporcionar alta eficiencia en el rango de 70-80 ºC. Este tipo de máquinas también pueden usarse muy eficientemente obteniendo el calor del sol o los residuos..

Comparada con el enfriamiento convencional e incluso con el enfriamiento con bombas de calor geotérmicas reversibles, el enfriamiento por absorción geotérmico tiene las mismas ventajas ecológicas que el enfriamiento directo desde plantas geotérmicas poco profundas. La ventaja técnica sobre la tecnología poco profunda es que con el enfriamiento por absorción, es posible la deshumidificación y pueden cubrirse cargas mucho más altas. .

La carrera por el desarrollo de sistemas de frío industrial ultra-eficientes

2012-10-13T07:08:00.001-07:00

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La carrera por el desarrollo de sistemas de frío industrial ultra-eficientes

Las grandes centrales frigoríficas industriales están construidas mediante el ensamblaje de diversos equipos con los que se conforma el ciclo frigorífico. Pero la naturaleza de los procesos industriales hace que el ciclo termodinámico de enfriamiento sea complejo y no siempre las aplicaciones están resueltas de forma óptima.

Si los propietarios de instalaciones frigoríficas obsoletas supiesen cuantificar con precisión la energía que están derrochando día a día, sin duda no pararían hasta conseguir llevar sus costes a donde la tecnología puede conseguir. Y es que esas viejas centrales convencionales de los años ochenta y noventa son las auténticas aliadas del enriquecimiento de las compañías eléctricas. Una forma subliminal de minar la cuenta de resultados de las empresas en una etapa de crisis en la que el control de los costes es más importante que nunca.

El derroche de instalaciones de gran consumo energético como las de frío industrial es muy significativo y se produce a lo largo de todo el ciclo frigorífico. Un circuito frigorífico no es más que el ensamblaje de piezas y equipos de distintos fabricantes sin considerarse normalmente la incidencia del consumo en la instalación. Al menos en España, la legislación no se ha preocupado hasta ahora por la eficiencia energética de las instalaciones frigoríficas. El problema es mucho más grave fuera del mundo desarrollado, donde el consumo de las instalaciones de frío lastra la cuenta de resultados de muchas industrias de procesos.

Son múltiples los problemas que podemos ir encontrando en las centrales frigoríficas que sumados unos con otros redundan en una terrible caída en el rendimiento de las centrales. Veamos algunos ejemplos comunes. En las centrales grandes con varios compresores se nota mucho por ejemplo la insuficiencia de purgado de incondensables, que van acumulándose en el circuito y desequilibrando las presiones. Puntos de purgado estratégicamente colocados, y en cada uno de ellos una válvula de solenoide puede mejorar sensiblemente la instalación. Importante y básico es también la automatización de los arranques, que eviten sobre todo el arranque simultáneo de compresores que inyecten picos de demanda en la red. Otra estrategia sencilla y económica es supervisar de forma automática el control de los compresores, ajustando en cada momento la capacidad del compresor a la demanda actual del sistema, y mantener de esa forma la temperatura de evaporación requerida.

Pero los avances tecnológicos van mucho más allá, y continuamente vienen observándose avances que consiguen disminuir notoriamente el consumo energético de las instalaciones de frío industrial. Entre los fabricantes reconocidos que trabajan en eficiencia energética podemos mencionar la británica Cooltherm o la italiana Geoclima. Entre otras compañías, ambas utilizan cuidadosos conceptos de control del ciclo frigorífico que permite obtener ahorros que pueden llegar al 50 % para algunos desarrollos, pero conseguir el 30 % es bastante más factible. Otras instituciones trabajan en el desarrollo de centrales frigoríficas ultra-eficientes, y entre otros encontramos College Institute of Technology & Advanced Learning en Toronto.

Las máquinas de frío ultra-eficientes se distribuyen por Europa obteniendo ahorros sin precedentes. Según cálculos realizados para instalaciones comunes, por ejemplo un hotel, la sustitución de equipos obsoletos puede suponer un ahorro mensual del entorno a 12.000 euros. El principio fundamental que aplican todas estas compañías es la autoregulación continua de su rendimiento adaptándose de manera continuada a las condiciones ambientales. El control inteligente de los parámetros del ciclo frigorífico es una estrategia fundamental de funcionamiento y la que mayor éxito consigue reduciendo el consumo energético de la instalación.

Pero lo mejor de todo no solamente es el ahorro, sino la facilidad con que se amortizan las inversiones de mejora de los sistemas de frío. Según estudios verificados independientemente en la planta piloto de Geoclima en Italia, hay inversiones que pueden recuperarse en menos de un año.

Además del consumo energético, las últimas mejoras avanzan también en la disminución del refrigerante usado hasta un 30 % respecto a equipos convencionales.

En general, los sistemas ultra-eficientes utilizan sistemas de control adaptativo altamente sofisticados que integran y optimizan el rendimiento y otra serie de mejoras que intervienen en las diferentes partes del proceso. Algunas características claves utilizados en equipos de enfriamiento ultra-eficientes son: a) los condensadores de aluminio con microcanales, que reducen la carga de refrigerante a la vez que incrementan la efectividad del intercambio de calor; b) evaporadores inundados que aseguran una óptima transferencia de energía entre refrigerante y agua; c) compresores controlados con inversor cuya salida puede ser acoplada perfectamente a la carga; uso de bombas de refrigerante líquido que incrementan significativamente la eficiencia termodinámica.

Repasemos en los siguientes capítulos algunos de los conceptos más novedosos en refrigeración industrial ultra eficiente.

. A ) Enfriadoras de agua.

Las enfriadoras de agua también participan en la carrera de la refrigeración ultra eficiente, y en estos equipos los ingenieros también buscan oportunidades para alcanzar mayor eficiencia: enfriadoras pony, variadores de velocidad, motores eficientes premium, torres de enfriamiento de alta eficiencia, estrategias de control sofisticadas, etc. En la mayoría de los casos los fabricantes enfocan su estrategia a incrementar la eficiencia de un componente individual y optimizar la planta basándose en las temperaturas del bulbo húmedo, las temperaturas del agua del condensador, y las estrategias de ajuste de la presión diferencial y el agua enfriada.

Respecto a la automatización, se ha probado que configurar, controlar y mantener un sistema de planta de enfriamiento operando un 40-60 % por debajo de los standards de optimización de energía actuales no es difícil si los ingenieros sustituyen su control proportional-integral-derivative (PID) por una nueva estrategia de control en red. Estos conceptos de ahorro energético pueden aplicarse tanto a plantas de enfriamiento nuevas como a plantas existentes, consiguiendo en cualquier caso una tasa de retorno muy rápido.

Pero para tener éxito, los sistemas de enfriamiento ultra-eficientes requieren un nuevo método de control automático que optimiza la operación del equipo bajo todas las condiciones de carga, así como una nueva metodología para estar seguro que la planta opera a los niveles previstos en la vida del sistema...

B) Automatización de centrales frigoríficas

Uno de los factores más importantes para mantener el rendimiento es una estrategia por la cual el sistema se vigila de forma continuada mediante un sistema de control digital directo. Para ello, una amplia gama de sistemas de automatización se han desarrollado en los últimos años. Gracias a ellos es posible diseñar equipos en los que la inversión aumenta ligeramente pero el sobrecoste se compensa sobradamente por el ahorro conseguido con los equipos. Los principales equipamientos a tener en cuenta en el diseño de una aplicación de frío industrial son los siguientes:

Compresores eficientes. Entre otros destacamos los compresores herméticos, herméticos de corriente continua para aplicaciones móviles, compresores scroll de gran potencia para aplicaciones comerciales y compresores alternativos. También existen compresores para optimización de energía, compresores de velocidad variable o compresores para aplicaciones solares.
Unidades condensadoras.
Válvulas de expansión electrónicas. Las válvulas de expansión electrónica son un avance importante respecto a las termostáticas, y una de las soluciones que deben considerarse para obtener mayor ahorro energético.
Soluciones de control para refrigeración. Muchas soluciones de control vienen desarrollándose en los últimos tiempos para aplicaciones en refrigeración eficiente. Podemos mencionar las válvulas servo operadas, las válvulas de motor y las soluciones de control que sustituyen a las válvulas mecánicas o electro-mecánicas convencionales.
Controles de nivel de líquido.
Controles electrónicos: Sensores y transductores. Los sensores de temperatura, transmisores de presión, transmisores de control de nivel de líquido y detectores de gas para control electrónico son los últimos avances con más interés en la refrigeración.
Válvulas de agua de presión de condensación: Se utilizan para la regulación del flujo de agua en plantas de refrigeración con condensarores refrigerados por agua. Las válvulas de agua proporcionan una regulación modulante de la presión de condensación y la mantienen constante durante el funcionamiento. Cuando para la instalación de refrigeración, el flujo de agua se corta automáticamente.

Los nuevos controladores ABB.

Otra de las compañías que desarrolla sistemas avanzados para mandar sobre plantas frigoríficas es ABB. Su automatización está diseñada para el sector de la alimentación, donde el frío supone el 70-80 % del consumo energético. Las pruebas realizadas con estos sistemas de mando indican que la inversión se recupera rápidamente, 2 ó 3 años.

Esta tecnología puede instalarse incluso en grandes centrales frigoríficas con amoniaco como refrigerante, a temperaturas de operación de - 40 ºC.

Estos sistemas de mando se usan para automatizar el ventilador del condensador, que trabajando a velocidad de energía consume menos energía al reducir la velocidad. Por ejemplo, una reducción del 10 % en velocidad nos da un 30 % menos de consumo en energía.

También estos mandos actúan sobre el consumo del compresor, y para ello lo que hacen es regular las condiciones de carga. El mando de velocidad variable implica que el compresor tenga buena eficiencia tanto con carga parcial como a plena carga. En el compresor se usan sistemas de mando bajos en armónicos, lo cual minimiza las interferencias y evita el uso de soluciones complejas para eliminarlas.

Otra ventaja de este sistema es que trabaja con un factor de potencia la unidad, lo cual permite evitar las cargas reactivas.

Ya que los sistemas de refrigeración típicamente funcionan durante 24 horas, la mayoría de las aplicaciones de bombeo y ventiladores son candidatos potenciales para mandos en alterna. Cualquier sistema de refrigeración con amplia variación en horas de operación o carga térmica que es menor que la carga pico puede beneficiarse de mandos en corriente alterna.

Muchos sistemas de refrigeración que usan bombas, ventiladores y compresores usan aún ineficientes controles de velocidad de dos velocidades o on/off para los ventiladores del condensador. Puede conseguirse un ahorro significativo usando mandos en alterna para controlar directamente el motor eléctrico.

Donde se usan correas en los sistemas de ventilación, los mandos de AC reducen las tensiones de la correa y los costes de mantenimiento.

Otra de las compañías que desarrolla sistemas avanzados destinados a plantas frigoríficas es ABB. Su automatización está diseñada para el sector de la alimentación, donde el frío supone el 70-80 % del consumo energético. Las pruebas realizadas con estos sistemas de mando indican que la inversión se recupera rápidamente, 2 ó 3 años.

Esta tecnología puede instalarse incluso en grandes centrales frigoríficas con amoniaco como refrigerante, a temperaturas de operación de - 40 ºC.

Otra ventaja de este sistema es que trabaja con un factor de potencia la unidad, lo cual permite evitar las cargas reactivas. .

Donde se usan correas en los sistemas de ventilación, los mandos de AC reducen las tensiones de la correa y los costes de mantenimiento. Ejemplo de uso de controles ABB En la web de ABB, el fabricante expone las ventajas del uso de uno de sus controles. El ejemplo se refiere a una industria cárnica con 100 empleados que produce 200.000 piezas de carne al día, además de otras 80.000 piezas.

La instalación de una nueva línea de producción, con un congelador de espiral diseñada por el fabricante para diversos productos de pastelería impulso a la compañía a buscar mejoras en eficiencia energética. Para muchas compañías del sector de la alimentación, la refrigeración supone el 70-80 % de la cuenta de electricidad, de forma que pueden conseguirse ahorros significativos en esta área.

La solución instalada fue un sistema de refrigeración que opera con refrigerantes de amoníaco a una temperatura de operación de -40 ºC.

Los controles ABB actúan sobre los dos componentes principales del sistema de refrigeración. El condensador es de tipo evaporativo, utilizando un control ABB para el ventilador de 15 kW. La operación del ventilador a velocidad variable consigue un ahorro significativo de energía incluso con pequeñas reducciones de velocidad. Por ejemplo, una reducción del diez por ciento consigue reducir el consumo energético en un 30 por ciento.

El otro componente principal es un compresor de tornillo usado para proporcionar el refrigerante al congelador de espiral. El uso de controles industriales ABB, de armónico bajo de 315 kW permite ahorrar energía durante las condiciones de carga parcial. El compresor de tornillo puede operar a velocidades que van de 1500 a 3600 rpm en la posición del distribuidor del 100 %. Con este modo de operación, la máquina opera a máxima eficiencia para una velocidad dada.

Aunque la eficiencia de la carga completa de los compresores de tornillo es buena, el rendimiento de la carga parcial con el control del distribuidor es generalmente pobre. Con el control de velocidad variable del compresor, tendremos buena eficiencia tanto a carga parcial como a plena carga.

Ya que los sistemas de refrigeración típicamente funcionan durante 24 horas, la mayoría de las aplicaciones de bombas y ventiladores son candidatos potenciales para controles AC de bajo voltaje. Cualquier sistema de refrigeración con una amplia variación en las horas de operación o con cargas de calor inferiores a la carga pico pueden beneficiarse de los controles AC.

El sistema empleado en el ejemplo anticipa un recorte del 11 % en el consumo global de la instalación, y el payback del proyecto es de 2,3 años.

Tecnologías que incrementan la eficiencia de los compresores de refrigeración

2012-10-09T10:54:00.000-07:00

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Tecnologías que incrementan la eficiencia de los compresores de refrigeración

Tecnologías de refrigeración de alta eficiencia

Varias tecnologías están disponibles para incrementar la eficiencia de los compresores. Los compresores scroll y recíprocos de alta eficiencia, a menudo incorporan motores de velocidad variables y los encontramos en los sistemas de refrigeración comercial. Estos compresores tienen una eficiencia superior a un amplio rango de compresores recíprocos tradicionales comúnmente usados en refrigeración comercial. Sin embargo, en equipos tales como los refrigeradores autonómos y máquinas vending las ventajas de la eficiencia de los compresores de velocidad variable no es tan aparante. Algunos fabricantes suministran compresores de alta eficiencia destinados a congeladores-refrigeradores residenciales. Estos compresores tienen rangos de las unidades de presión de succión bajos. Un refrigerante común es el HFC-134a. Eficiencias certificadas de estos compresores son hasta 6,26 EER a temperatura del evaporador de - 23 ºC y temperatura del condensador de 54 ºC. Estos compresores se usan sobre la base de alcanzar la eficiencia de los compresores recíprocos herméticos. El máximo EEER isentrópico teórico para essa temperaturas es de 10.2. La eficiencia con EER 6,26 es por tanto del 61 %. Un comprendor de una máquina de cervezas puede modificarse para alcanzar similares eficiencias mediante el uso de motores de alta eficiencia (80 %), reduciendo las pérdidas de presión del gas de succión, reduciendo el hueco de espaciamiento de la válvula, reduciendo el calentamiento del gas de succión dentro de la carcasa del compresor, reduciendo la caída de presión a través de la válvula de descarga, y reduciendo las pérdidas mecánicas. Las mejoras en el compresor pueden alcanzar un 60 % de la eficiencia total, lo cual originará una reducción del 20 % de la carga eléctrica, y reduciendo las pérdidas mecánicas.

Para las máquinas de hielo, el ahorro de energía es conservador y se basa en el ahorro durante el ciclo de congelación.

Los compresores scroll comprimen gas de una forma diferente a la de los compresores recíprocos - entre dos espirales, una fija y otra orbital. Los compresores recíprocos de alta eficiencia son tan eficientes, o más eficientes, que los compresores scroll. Sin embargo, existen algunas desventajas respecto a los scroll como son ruido, coste y fiabilidad.

Motor de compresor ECM

La mejora en la eficiencia del compresor puede conseguirse con el uso de un motor de compresor ECM. Actualmente tales compresores están disponibles solamente en números especiales.

Compresor de capacidad de variable (Modulación del compresor)

Dos tipos de compresores de capacidad variable pueden también reducir el consumo energético: (1) Los compresores de velocidad variable implementados mediante el uso de un control electrónico en el motor del compresor, que permitirá al motor operar a velocidades diferentes, y (2) compresores scroll digitales, que implementan un control electrónico del tiempo en el que actúan los elementos scroll. Se consigue una modulación de la capacidad continua del 10 % al 100 % mediante un control rápido de la duración del tiempo de cada estado. Esta aproximación de la modulación también se ha desarrollado para compresores recíprocos semi-herméticos usados en aplicaciones de supermercados.

Los compresores de velocidad variable se implementan mediante el uso de un inversor operando con un motor de inducción, o con un motor de magnetismo permanente operando con un controlador de motor que permita la modulación de frecuencia.

Los compresores de capacidad variable reducen el consumo energético de tres formas:

Cuando el flujo de refrigerante se reduce durante la operación de carga parcial, el condensador y evaporador (dimensionado para condiciones de plena carga) opera más eficientemente.
En sistemas de refrigeración autónomos se usan refrigerantes por tubos capilares, y el sistema de presión se equilibra fuera del ciclo del compresor. Durante este proceso de equilibrio, el refrigerante caliente pasa del condensador al evaporador, donde añade a la carga térmica.
El arranque del compresor añade energía durante el tiempo en el que el sistema no proporciona capacidad útil.

El ahorro de energía por la modulación del compresor en un supermercado se estima alcanza entre un 7 y 10 % del uso de energía de la batería de compresores.

Tecnología híbrida

2012-10-09T10:45:00.004-07:00

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Tecnología híbrida

Tecnología híbrida de turbinas de gas de células de combustible y sus aplicaciones en climatización

Continuando con la descripción de las tecnologías emergentes para la generación de frío vamos a hablar de las aplicaciones que en edificios comerciales tiene la tecnología híbrida de turbinas de gas con células de combustible (Fuel Cell Gas Turbine Hybrids o FCGT). .

FCGT es un excelente candidato para las instalaciones de Generación Distribuida (DG), y la DG es considerada cada vez más como la mejor opción para obtener electricidad porque mejora la fiabilidad, reduce las pérdidas de transmisión, disminuye los costes asociados con la distribución, y proporciona una gran oportunidad para capturar calor para aplicaciones de cogeneración en ciclo combinado. .

En este artículo analizamos el potencial de utilizar el calor recuperado de un FCGT hybrid para suministrar energía térmica para aplicaciones de calefacción, ventilación y aire acondicionado en edificios comerciales. .

Aunque el papel principal de la tecnología FCGT hybrid es obtener electricidad, capturando y usando el calor residual podemos mejorar la eficiencia total de estos sistemas en DG. El calor residual de estos sistemas es de bajo grado (low-grade heat o LGH). Capturando este LGH y usando la energía que contiene obtendremos ventajas sobre un recurso que de otra forma se perdería. El calor recuperado puede usarse para reemplazar otras fuentes de energía tales como gas natural o electricidad. .

Las instalaciones de células de combustible (fuel cell o FC) se utilizan cada vez más para proporcionar energía en edificios, y los ingenieros con experiencia en estos sistemas vienen demandando la aplicación de la tecnología de absorción para recuperar el calor, ya que la tecnología de absorción puede producir agua fría. Los edificios comerciales tales como los de oficinas tienen gran demanda de frío para aplicaciones de climatización. .

Uso de la tecnología de absorción .

Aunque el ciclo de refrigeración de absorción es generalmente menos eficiente que el ciclo de refrigeración de compresión, su potencial es grande si disponemos de fuentes de LGH sin coste o con coste reducido. El equipo de absorción es también más silencioso, debido a que tiene pocas partes móviles; y tampoco usa CFCs o HCFCs. Los avances en la tecnología de absorción continúan mejorando la eficiencia y reduciendo los costes, lo cual hace que esta tecnología sea cada vez más atractiva respecto a los sistemas de producción de frío convencionales. La tecnología FCGT hybrid, sin embargo, es inherentemente más eficiente que la célula de combustible convencional, porque el sistema está optimizado para maximizar la producción de electricidad. Esto reduce la cantidad de energía térmica disponible en el calor residual para aplicaciones de cogeneración. No obstante, los cálculos llevados a cabo con calor residual de FCGT hybrid indican que el sistema puede todavía contener bastante energía como para proporcionar la energía que necesitan las aplicaciones de climatización para edificios comerciales. La cantidad de vapor que puede generarse en una caldera de recuperación de calor de un sistema híbrido FCGT fue calculada por National Energy Technology Center (NETL) y las estimaciones son las siguientes: .

Veamos los resultados obtenidos en este ejemplo para un sistema de dos etapas:

42 MW a 1 atm de presión y 157 ºF se obtienen 370.000 lb/h.
15,9 MW a 1 atm y 442 ºF se obtienen 166.000 lb/h.
4,1 MW a 1 atm y 335 ºF se obtienen 54.000 lb/h.
399 kW a 1 atm y 444 ºF se obtiene 3.890 lb/h.

Con las 166.000 BTU/h se calculó una capacidad de enfriamiento máxima para el sistema de 311 tons.

. El sistema de caldera de recuperación de calor propuesto contiene un gran conducto al que se desplaza el calor residual sobre un banco de tubos de vapor. La superficie de intercambio de calor estimada fue de 6.000 ft2 suministrando vapor a 115 psig a una enfriadora de dos etapas. El factor limitante, sin embargo, no es necesariamente el tamaño y los costes del recuperador de calor, sino el hecho de que el calor residual se obtiene a la temperatura ambiente. Esto supone que no tienen capacidad para superar la caída de presión para través de la caldera y proporcionar la suficiente velocidad como para promover una buena transferencia térmica. .