Consideraciones de Eficiencia energética en refrigeración con Amoniaco

San José, Costa Rica

Septiembre 2016

Ing. Mario Mora Carli

La refrigeración industrial es una actividad de alto consumo energético.

Además, el uso de algunos refrigerantes tiene un alto costo ambiental definido por el potencial de destrucción de la capa de ozono ODP (Protocolo de Montreal) y el potencial de calentamiento global. GWP. (Protocolo de Kioto y Reunión de París 2015).

El amoníaco y el CO2 usados actualmente en refrigeración industrial son considerados como ecológicos.

Introducción

Le refrigeración ineficiente aún con refrigerantes ecológicos, tiene un alto costo ambiental. Por cada KWh de consumo energético se producen 0.345 KG de CO2 que se van a la atmósfera y aumentan el calentamiento global.

Tanto en el diseño de proyectos nuevos como en la operación de existentes, el reto es buscar oportunidades de mejora para aumentar la eficiencia energética.

Esta charla pretende ayudar a identificar los factores de mayor influencia en el consumo energético y proponer mejoras para aumentar la eficiencia energética.

Introducción

En general el concepto de eficiencia se puede aplicar a un solo componente o a todo el sistema de refrigeración , y representa la razón entre la potencia de refrigeración obtenida y la potencia utilizada para lograrlo.

La definición más usada es HP/Ton. Que representa la razón el uso de potencia en HP entre la capacidad del sistema en toneladas de refrigeración. También se utiliza la razón KW/Ton.

La razón HP/Ton, cambia con la variación de temperaturas de evaporación y condensación, y con el tipo de compresores entre otros aspectos. Para comparar sistemas distintos, o un mismo sistema con varias temperaturas de succión antes y después de cambios, se utiliza el coeficiente de desempeño o ( COP) que representa la razón de la capacidad total de refrigeración obtenida entre la potencia aplicada al fluido para lograrlo.

Eficiencia Energética en Refrigeración Industrial:

Base instantánea: Se utilizan las condiciones más críticas durante el año, tanto ambientales como de operación de demanda térmica.

Base de largo plazo: El análisis debe considerar la variación de condiciones ambientales durante el año, en particular la temperatura de bulbo húmedo y la variación de la demanda de refrigeración a las diferentes temperaturas.

Análisis de campo: Medición del consumo real del sistema y sus componentes

Análisis teórico usando herramientas tradicionales - Diagrama de Mollier.

.

Evaluación de la Eficiencia Energética

en Refrigeración Industrial:

Diagrama de Mollier:

El mas utilizado en refrigeración incluye un “domo de vapor” el cual es una curva que muestra los puntos donde una substancia se evapora o condensa a diferentes presiones y/o temperaturas

El área a la isquierda del domo representa las condiciones para la sustancia en estado líquido y el área a la derecha del domo representa las condiciones en estado Vapor o Gas.

Y dentro del Domo, a las condiciones de Presión y Temperatura, la sustancia existe en estado de Líquido y Vapor simultáneamente como se encuentra dentro de un Condensador o Evaporador.

CICLO IDEAL y EFICIENCIA COP

Diagrama de Mollier:

Este diagrama muestra las propiedades termodinámicas de una sustancia (densidad, entalpia, entropía, etc.) a diferentes estados físicos (vapor, liquido solido o combinados)

VOLUMEN EXPECÍFICO: Es Volumen de una sustancia por unidad de masa (ft3 /lb (m3/kg) ) es el inverso de la densidad

ENTALPIA: Es la suma de la Energía Interna de una sustancia – u , mas el producto de la presión - p y el volumen - v u + pv Algunas veces referido como al “Contenido de Calor” o “Calor Total” en procesos termodinámicos y el símbolo es la Letra “h”.

Típicos cambios en Entalpia son generados por compresión, calentamiento, enfriamiento, evaporación y condensación

ENTROPIA: Medida de la cantidad de energía térmica no disponible para hacer un trabajo. Símbolo es la Letra “s”.

Compresión Isoentrópica – Sin incremento en la Entropía durante la compresión.

10 bar (-40 Deg.C)

65 bar (25 Deg.C)

Efecto de la caída de presión en las líneas

de succión y descarga

SUB-ENFRIAMIENTO DE LIQUIDO

PUNTO CRITICO

CAIDA PRESION LINEA DESCARGA

PRESION DESCARGA DEL COMPRESOR

PRESION DE COND. A LA CORRESP. TEMP. SATURADA

LINEA DE LIQUIDO SATURADO

LINEA DE VAPOR SATURADO

PARTE LIQUIDO – PARTE VAPOR

SALIDA CONDENS.

P ENTRE CONDENSACION Y EVAPORACION

PRESION DE EVAP. A LA CORRESP. TEMP. SATURADA

PR

ESIO

N ,

PSI

A

ENTALPIA (H) CICLO DE REFRIGERACION A PRESION IDEAL DIAGRAMA DE PRESION - ENTALPIA

PRESION DE SUCCION DEL COMPRESOR

EFECTO REFRIGERANTE CALOR DE COMPRESION

GAS FLASH

CAIDA PRESION LINEA SUCCION

Diagrama incluyendo sobre-calentamiento y sub-enfriamiento

Como afecta el Sub-enfriamiento al Efecto

Refrigerante = Aumenta el COP

Disminuir Pc; Presión Pc flotante COP

Aumentar Pe: Pe flotante COP

Lados de Alta y Baja Presión

Lado de Baja Presión Las presiones (Temperatura) de succión y descarga de los compresores son posiblemente el mayor determinante de la eficiencia de un sistema, entre mas juntas estén estas presiones mayor será el potencial para alta eficiencia.

La máxima presión de succión del compresor está limitada por la presión (temperatura) de evaporación en las unidades enfriadoras que a su vez depende de la temperatura requerida por el producto y las características del intercambiador de calor del evaporador.

Un sistema con mas área de evaporación o con el intercambio de calor mejorado puede lograr la temperatura requerida en el producto con una presión de evaporación más alta, y por consiguiente una presión de succión del compresor más alta lo que resulta en la mejora en la eficiencia de operación.

Lado de Alta Presión La presión de descarga del compresor está determinada por la presión (temperatura) de condensación que a su vez depende de la temperatura exterior de bulbo húmedo y de las características de intercambio de calor del condensador.

Un condensador con de mayor área o con un intercambio de calor mejorado puede rechazar la cantidad requerida de calor a una temperatura menor de refrigerante, que permite al compresor operar a una presión de descarga menor y por consiguiente con mayor eficiencia energética.

Sistema de una etapa de compresión.

95 F

-40F

10 psia

195 psia

Sistema dos etapas de

compresión con inter-enfriador

-40F

20 F

95 F

10 psia

195 psia

48 psia

SISTEMA DE DOBLE ETAPA

DOBLE ETAPA – Presión Intermedia • Para Hallar la presión intermedia se toma la raíz cuadrada de la presión de

succión en presión absoluta x presión de condensación en presión absoluta.

• P intermedia = P succión * P Condensación

• P intermedia = 10.41 psiA ( -40 °F) * 195.8 psiA (95°F)

• P intermedia = 45.14 psiA equivalente a +17 deg F en Amoniaco según punto de saturación.

• Esta presión se puede ajustar hacia arriba o abajo dependiendo de temperaturas intermedias en el sistema, como por ejemplo a +20° F.

Sistema De Doble Etapa Con Carga En

Media Temperatura

LOW SIDE

BOOSTER

HIGH STAGE

HIGH SIDE

-40F 20F

95 F

Comparativo entre etapa sencilla y doble para -45°F de SST para 3 temperaturas de condensación y variando la

Temperatura intermedia

Comparativo entre etapa sencilla y doble para -10°F de SST para 3 temperaturas de condensación y variando la

Temperatura intermedia

Oportunidades en los compresores

• Los mas usados son reciprocante y Tornillo( mono-tornillo y con tornillos en pareja)

• Para ambos tipos la eficiencia baja (aumenta

HP/Ton) al disminuir la temperatura de succión y aumentar la temperatura de descarga.

Eficiencia a plena carga vs cambios en temperaturas de descarga-Reciprocante

Modulación de Capacidad para aproximar la curva demanda en reciprocantes

• El control de capacidad se logra mediante la descarga de cilindros, o mediante un variador de velocidad con el fin de desplazar menos vapor.

• En el caso la descarga de un compresor de 6 cilindros se puede tener 100, 66 o 33% de la capacidad.

• Al trabajar con cargas parciales, las pérdidas por fricción y otros, aunque no muy grandes, hacen que el consumo de potencia no baje proporcionalmente .

• Entre mayor sea el numero de cilindros menor será la desviación

Características a carga parcial para un compresor reciprocante

Compresores de Tornillo y eficiencia energética

• La variable que mas afectan la Eficiencia Energética es la razón volumétrica o Vi.

• La relación de volumen de gas succionado por los tornillos en el punto de máximo volumen de succión dividido por el volumen del mismo gas en el puerto de descarga. Vi = Vs / Vd

• Los compresores se construyen con Vi fija o variable.

RAZON VOLUMÉTRICA BAJA

VALVULA

DESLIZANTE

PUERTO DE SUCCION

RANURA DE RECIRCULACION

PUERTO DE DESCARGA

RAZON VOLUMÉTRICA ALTA

VALVULA

DESLIZANTE

PUERTO DE SUCCION

RANURA DE RECIRCULACION

PUERTO DE DESCARGA

Razón de Volúmen

• Presión de Succión determinada por temperatura de evaporación.

• Presión de descarga determinada por temperatura de condensación.

• Cambia con la caída de temperatura ambiente o cualquier cambio en el nivel de tempertura de evaporación

• Por lo tanto se pueden tener casos de sobre compresión o sub compresión

• Hay varias estrategias utilizadas para evitar tener diferencias entre las presiones y por consiguiente in-eficiencias.

Vi Fijo

Vi VARIABLE

39

Animación de compresor de tornillo

RELACIÓN VOLUMÉTRICA (Vi) En términos Generales hay tres tipo de compresores de tornillo

• De Vi fija con válvula deslizante

– Para compresores que operan a condiciones de presión relativamente fijas. Vi = ( 1.7, 2.2, 2.8, 3.0, 3.5 y 5.0)

• De Vi Variable con válvula deslizante y tope de deslizamiento de 2.0 a 5.0

– Recomendado para compresores de alta etapa, que operan con presiones de evaporación o descarga variables

• De Vi fija con puertos de bypass de válvula deslizante

•

Como afecta el Vi la eficiencia de un compresor a plena carga succionando a 0 F°.

Como afecta el Vi la eficiencia de un compresor a

plena carga succionando a -20 F°.

Como afecta el Vi la eficiencia de un compresor a carga

parcial succionando a 0 F° y descargando a 75F°

Comparativo de Eficiencia a SST = 0 F°plena carga de compresores con Vi fijo 2.2 y 3.0 y Vi Variable.

Rangos de Selección para compresores tornillo con Vi Fijo

Compresor de tornillo a cargas parciales

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Percent Capacity

Pe

rce

nt

Fu

ll L

oa

d B

HP

V i = 5 . 0

V i = 3 . 6

V i = 2 . 6

(Condensing Temperature > 75 F)

Screw Compressor

compressor-only

Gran oportunidad de ahorro a cargas parciales con un variador de velocidad VFD

50 60 70 80 90 100 1.5

1.6

1.7

1.8

1.9

2

2.1

2.2

Velocidad Variable

Velocidad fija (Válvula deslizante)

Etapa Simple

15 psi suction

181 psi discharge

thermosiphon oil cooling

Efi

cie

ncia

[B

HP

/to

n]

[%] Carga Parcial

Tornillos en pareja

Comparativo de eficiencia según el tipo de enfriamiento de aceite usado para los compresores de tornillo.

• En general entre mas baje la temperatura de succión mayor será la penalización sobre la energía

Distribución de la carga térmica entre varios compresores y secuencia de operación

• Para lograr eficiencia energética es de suma importancia escoger la adecuada secuencia y operación de compresores de acuerdo a las curvas de demanda de carga térmica a las diferentes temperaturas de succión.

• Es preferible operar los compresores de tornillo cerca de la capacidad total y utilizar compresores mas pequeños o reciprocantes para las cargas variables.

Comparación a cargas parciales entre compresores tornillo de volumen variable y reciprocantes

Comparación para 2 compresores tornillo de volumen variable de igual capacidad(50% y 50%) incluyendo efectos del sistema.

Comparación entre compresores tornillo de volumen variable de diferente capacidad (38% y 62% )incluyendo efectos del sistema.

Distribución de la carga térmica entre varios compresores y secuencia de operación

• Es preferible operar los compresores de tornillo cerca de la capacidad total y utilizar compresores mas pequeños o reciprocantes para las cargas variables.

• Con dos compresores iguales para llevar c/u la mitad de la capacidad del sistema, se debe evitar que cualquiera opere bajo el 50% de su capacidad, si son diferentes ??.

• Con múltiples compresores la carga debería ser distribuida en partes iguales para evitar pérdidas en líneas de succión.

Consideraciones en la selección de compresor de tornillo.

Para escoger un nuevo compresor de tornillo o cambiar las condiciones de operación de uno en uso se debe considerar lo siguiente:

1. Rango esperado de presiones succión y descarga.

Operación en una o dos etapas( Booster o alta etapa)

Booster operando como una etapa ( Swing ).

Variación de carga en el tiempo( Enfriamiento rápido vs cargas estables).

Consideraciones en la selección de compresor de tornillo. (contiúa)

2. Tipo de clima y limitaciones para bajar P condensación

3. Selección y dimensión de separador de aceite

4. Método de enfriamiento del aceite.

5. Pérdidas en el sistema y en las válvulas y accesorios del compresor.

6. Costo de mantenimiento esperado en la vida útil.

Mejoras en el lado de alta presión

• Presión de condensación flotante.

• Selección y Operación de Condensador Evaporativo.

• Consideraciones de la tubería del lado de alta.

• Purga de Gases no condensables.

Presión de Condensación Flotante

Se utiliza la secuencia de control para bajar la presión de condensación al mínimo necesario para rechazar el calor necesario del sistema en cada momento.

Lo ideal es que la presión de condensación

Siga la curva de T Bulbo H

manteniendo la diferencial

Constante.

Opciones de control de ventiladores del condensador

• Con Variador de Frecuencia o Defina una presión de cabeza meta y module la

velocidad del ventilador para mantenerla.

o Un método muy simple de implementar.

Inversión inicial es mayor

Es la opción de menor consumo energético.

Para condensadores multiples es mejor modular los condesadores juntos.

Operación suave minimiza transientes.

Disminución Capacidad vs Potencia consumida

~44%

~6%

Sistema con dos condensadores

Heat

rejection

load

Fixed speed control Variable speed drive

#

condensers HP

#

condensers HP*

100% 2 30 2 @ 100% 30

75% 1 + 1/2 21.6 2 @ 75% 9.8

50% 1 15 2 @ 50% 1.8

Each condenser equipped with 15 HP fan.

* Sans drive losses

Mejoras en el lado de baja presión

• Elevar la presión de Succión.

• Comprimir el gas a la máxima posible presión de succión.

• Separar la compresión en grupos de presión de succión, e implementar multietapas.

• Reducir la pérdida de presión en las líneas de succión.

• Mejorar el descongelamiento de los evaporadores

• Aplicar sub-enfriamiento.

• Donde sea posible almacenar energía.

Comparativo de desempeño energético evaporadores con diferentes controles de capacidad

20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5 Fixed Speed / Fixed Suction Fixed Speed / Fixed Suction

Fixed Speed / Variable Suction Fixed Speed / Variable Suction

Duty Cycling / Fixed Suction Duty Cycling / Fixed Suction

Variable Speed / Fixed Suction Variable Speed / Fixed Suction

Variable Speed / Variable Suction Variable Speed / Variable Suction

T s p a c e = 3 5 [ F ]

N e v a p = 5

T D d e s i g n = 1 1 . 7 [ F ]

Refrigeration Load (%)

Co

mp

resso

r +

Eva

po

rato

r E

ffic

ien

cy

(kW

/to

n)