Diseños sustentables de instalaciones frigoríficas en plantas industriales con servicio de refrigeración.

CAPÍTULO 4
Diseños sustentables de instalaciones frigoríficas en plantas industriales con servicio de refrigeración.

Condiciones preliminares para un diseño básico sustentable.
En el diseño de proyectos de plantas industriales usualmente se consideran, entre otros ítems, las características de los procesos involucrados, los servicios con los que se debe contar, el impacto sobre el medio ambiente, la energía y su conservación, la productividad operativa y la economicidad
de los procesos.
Cuando incluyen el servicio de Refrigeración, éste debe satisfacer y estar en línea con todos estos requerimientos.
Esta exigencia es válida también en los casos de expansiones del servicio, actualizaciones o adecuaciones tecnológicas.
Por lo tanto, es imperativo para el desarrollo de todo proyecto de Refrigeración, cualquiera sea su capacidad, aplicación, condiciones de proceso, ubicación geográfica, condiciones ambientales, etc., considerar cuidadosamente y desde su inicio todas las incidencias que afecten su fiabilidad.
Preliminarmente se deben tener en cuenta los siguientes conceptos:

  • Aplicación de tecnologías amigables con el medio ambiente.
  • Utilización de componentes no agresivos al ambiente, a la seguridad y a la sanidad de las personas.
  • Aseguramiento de la mayor eficiencia energética obtenible de la técnica actual.
  • Impacto mínimo sobre la economicidad de los procesos a los que sirve.
  • Robustez de sus componentes.

Servicio de Refrigeración.
Precondiciones particulares.
Se deberán tener en cuenta las particularidades de los sistemas de refrigeración, su diseño y especificaciones, según la industria de la planta a atender, pudiendo ser alimenticia, química, frigorífica, depósitos de almacenamiento y distribución de refrigerados o congelados, tratamiento de gases, tratamiento de aire de procesos, climatización industrial y procesos fabriles varios.

Gases refrigerantes.
El primer punto a considerar es la elección del gas refrigerante con el que operará el sistema.
La condición básica preliminar decisoria es que el sistema tenga bajas emisiones y que el gas seleccionado tenga valores mínimos de GWP, ODP, TEWI y LLCP*.
La tendencia actual está orientada firmemente a la utilización de refrigerantes naturales como el amoníaco (NH3 R717), el dióxido de carbono (CO2 R744) y a algunos hidrocarburos como el propano (R290), el iso butano (R600a) y el propileno (R1270), en desmedro de los refrigerantes sintéticos.
Los refrigerantes naturales son notablemente más utilizados que los sintéticos en plantas industriales de cualquier capacidad, incluyendo los equipos de tratamiento de aire de proceso y de confort.
A escala global y en las grandes y medianas industrias involucradas, el amoníaco es el gas refrigerante que prevalece de forma excluyente en instalaciones a partir de 500 kW y, como consecuencia de nuevos diseños de unidades modernas, ya es usual su aplicación desde 100 kW (aprox. 86000 kal/h, 30
TR.)

Resumiendo, las causales de la tendencia al uso de los refrigerantes naturales.

Amoníaco:

  • Satisface todos los valores relativos a respeto del medio ambiente muy por encima de cualquier refrigerante sintético.
  • Tiene mejor performance en la relación consumo energético – efecto de refrigeración (COP) en todos los rangos de temperatura usuales en los procesos.
  • Las normas consensuadas internacionalmente no estipulan limitaciones futuras a su utilización.
  • Es el más económico de todos los refrigerantes disponibles en la actualidad.
  • Ha sido utilizado como refrigerante por más de un siglo, por lo que su tecnología es ampliamente probada.
  • El estado de la técnica actual permite superar con holgura cualquier aspecto de la seguridad en su uso, los prejuicios y prevenciones que pudieran haberse producido en el pasado son inconsistentes en el presente.
  • Su producción es constante y en grandes volúmenes para muchos tipos de industria, es renovable y obtenible del aire y el agua.
  • En esta época (y futura) en que la sustentabilidad es imperativa, el amoníaco hasta es contemplado como substituto/alternativa/ complemento de los combustibles fósiles en la producción de energía. Se proyecta su utilización en motores propulsores de buques y otras aplicaciones. Esta técnica ya es existente, se han construido prototipos de vehículos experimentales con su aplicación como combustible desde hace casi 100 años.

Dióxido de carbono:
Se está incrementando rápidamente la utilización de CO2 en plantas y aplicaciones de tamaños menores y características diferentes, como la refrigeración comercial, en las que en el pasado cercano prevalecían los refrigerantes sintéticos.
También se está popularizando su aplicación como refrigerante secundario o en cascada en instalaciones de gran capacidad o de muy bajas temperaturas combinado con el amoníaco como refrigerante primario.

Selección del equipamiento.
Definido el gas refrigerante, procede la elección del tipo y características de los equipos y componentes de la instalación, según la aplicación, características de la planta, condiciones económicas y particulares del proyecto y la satisfacción del principio de sustentabilidad.

Componente básico: compresores.

Compresor a tornillos con motor de alto rendimiento
Compresor a tornillos con motor de alto rendimiento

Actualmente para instalaciones mayores es casi excluyente la utilización de compresores de tornillo. Deben seleccionarse teniendo en cuenta que satisfagan las condiciones de presión y temperatura en que deberán operar, ofreciendo sistemas de regulación de capacidad que garanticen la eficiencia energética ideal en cada condición de operación.
Para ello deben contar con sistemas de regulación (preferentemente automática) de la relación volumétrica óptima para cada rango de compresión en que deberán funcionar.
Se requieren sistemas de regulación de capacidad de acuerdo a las exigencias variables de los procesos, debiendo contemplar la eventual caída de eficiencia a estados de carga parcial.
Para ello, una opción interesante es la regulación de velocidad por variación de la frecuencia del accionamiento en Compresor a tornillos con motor de alto rendimiento.
función de la capacidad solicitada.
En este sistema, la relación capacidad/consumo es casi lineal en el más amplio rango de variación de carga por lo que es sensiblemente más eficiente que la regulación mecánica por medio de la válvula deslizante del compresor.
Esta última es sólo ligeramente más eficiente al operar al 100% de capacidad.
Junto con la selección de compresores, se debe definir el sistema de enfriamiento del aceite lubricante. En la medida de su factibilidad de aplicación, la opción más económica, confiable y eficiente debería ser el enfriamiento por sistema de termosifón.
Los otros sistemas penalizan la eficiencia del compresor, incorporan bombas adicionales o requieren la circulación de fluidos independientes con sus bombas e intercambiadores específicos.

Condensadores:
De acuerdo con las condiciones geográficas y ambientales del emplazamiento de la planta se debe seleccionar el sistema de condensación y las características de los equipos.

Condensadores evaporativos.
Constituyen la solución más frecuente por ser el sistema más eficiente ya que disipan la carga térmica a la temperatura de bulbo húmedo.
Para asegurar la sustentabilidad y eficiencia del sistema, se deben considerar amplias superficies de intercambio, ventiladores y motores eléctricos de eficiencia máxima, al igual que las bombas de agua y sus motores.
Se deberían incluir sistemas automáticos de control propios con los algoritmos necesarios para la regulación de bombas y ventiladores en función del requerimiento y de las condiciones
ambientales.
En este caso también es sumamente conveniente la utilización de regulación por velocidad variable de los motores inherentes.

Condensadores de casco y tubos.
Los sistemas con condensadores de casco y tubos con torre de enfriamiento, al igual que los evaporativos, son eficientes al disipar a temperaturas de bulbo húmedo, sin embargo se
penalizan por el posterior intercambio agua-refrigerante en el intercambiador de casco y tubos.

Aerocondensadores.
En la mayoría de las ubicaciones geográficas de nuestra región desde el punto de vista de consumo de energía no es habitual la adopción de aerocondensadores.
Sin embargo, se consideran para pequeñas o medianas instalaciones por la simplificación de la instalación y por la carencia de agua, a pesar del mayor consumo por disipar a temperaturas de bulbo seco e incrementar la presión de condensación, con el consiguiente mayor consumo en los
compresores y la disminución de la capacidad de los mismos.

Evaporadores, aeroenfriadores, intercambiadores varios:

Evaporadores con ventiladores de alta eficiencia y variador de velocidad
Evaporadores con ventiladores de alta eficiencia y variador de velocidad

Cualquiera sea el tipo de enfriadores, evaporadores, etc., una de las condiciones básicas para obtener la operación energéticamente eficiente y sustentable es la selección de equipos con amplia superficie de intercambio.
Esto permitirá la operación con la más alta temperatura de evaporación posible, lo que redunda en menor consumo de energía de los compresores e incremento en la capacidad de los mismos.
En el caso de los aeroenfriadores, y de acuerdo con su temperatura de operación, además de su generosa superficie de evaporación se deberá definir cuidadosamente la separación de aletas de los mismos. De esta definición surgirán las menores frecuencias de la necesidad de desescarches y la duración de los mismos.
Con ese objetivo, en las zonas de baja o ultrabaja temperatura, se deberían considerar evaporadores con pasos de aletas variables.
Estos ciclos de desescarche penalizan substancialmente los consumos de energía, cualquiera sea el sistema seleccionado.

Bombas:
En este rubro, ya se trate de bombas para circulación de agua, circulación de soluciones intermediarias, circulación de refrigerante amoníaco o de dióxido de carbono, son válidas algunas de las premisas anteriores.
Es conveniente seleccionar el accionamiento con motores eléctricos de alta eficiencia (IE3 – Premium). A pesar de su mayor costo inicial tienen un retorno rápido de inversión.
Preferentemente se deberán controlar caudales o presiones operando sobre la velocidad de las bombas con accionamientos de velocidad variable y dispositivos de control de regulación fina.

Sistemas de control:
En caso de tratarse de nuevos proyectos es imperativo no perder la oportunidad de diseñar con los sistemas de control más avanzados y completos posibles.
Aún en el caso de renovaciones parciales o adecuaciones es sumamente recomendable tratar de incorporar tecnologías de control actualizadas.
No siempre se analizan las posibles opciones de sistemas de supervisión y control en la primera etapa del diseño, sin embargo ninguna planta operará en forma sustentable y eficiente si su sistema de supervisión y control no asegura que todos sus componentes están efectivamente integrados y controlados.
Todas las operaciones, regulaciones y eventos deben estar supervisados para su eficiente y económica operatividad.
El sistema de supervisión y control debe además incorporar todos los dispositivos y mecanismos de seguridad, detección y alarma tanto de la maquinaria como de las condiciones
ambientales para el personal operativo.
Debe poder brindar datos de todos los eventos producidos, bitácoras de operación, históricos de fallas y averías, tendencias, y archivos de operaciones de mantenimiento.
Adicionalmente debe tener capacidad de comunicación con los niveles superiores de supervisión de la planta y, dónde fuera posible o requerido, comunicación externa de información de seguridad.

Software de control y monitoreo automático (PLC/SCADA).
Software de control y monitoreo automático (PLC/SCADA).
Panel de control
Panel de control

Configuración sustentable.
La planta de refrigeración puede tener distintas configuraciones de sus componentes, las que serán definidas teniendo en cuenta el servicio requerido, el tipo de aplicación y las condiciones particulares del proyecto o industria y la ubicación involucradas.
Existen distintas variables y condiciones a tener en cuenta considerando la sustentabilidad como objetivo:

– Compresión en una etapa, compresión en una etapa con aplicación de economizador, compresión en dos etapas con sistema booster.
La elección de estas opciones se definirá básicamente por el régimen de temperaturas que requieran los procesos de la planta y el punto de menor consumo operativo.
Se considerarán todos los rangos requeridos y se deberán fijar los parámetros operativos en los tiempos de operación.
Compresión en una etapa:
En caso de requerirse temperaturas medias se optará por el sistema más simple de compresión en una etapa, inclusive cuando existan cargas de no muy bajas temperaturas se podrá operar en una etapa incluyendo la aplicación de “economizador”.
Compresión en dos etapas:
Para bajas temperaturas en plantas con procesos de congelado es excluyente la operación en dos etapas.
En este caso se debe además ponderar la elección óptima de la presión de intermedia a efectos de evitar consumos de energía irrazonables.
Este punto intermedio será influenciado además por la existencia de requerimientos de procesos de media o alta temperatura.
Compresión en dos etapas sistema cascada:
En el caso de que los procesos requieran rangos de temperatura muy bajos, es posible adoptar el sistema cascada, con refrigerante amoníaco en la etapa de alta y dióxido de carbono en la etapa de baja temperatura.
Se obtendría eficiencia energética en estos rangos de muy baja temperatura y, adicionalmente, en los locales de procesos se utilizaría un refrigerante de condiciones menos agresivas que el amoníaco.
Las exigencias de materiales especiales, técnicas no tradicionales y costos de inversión mayores condicionan parcialmente esta solución.

– Alimentación a los consumidores de media y baja temperatura por recirculación de refrigerante impulsado por electrobombas.
Es el método más utilizado en los establecimientos de mayor capacidad. Sumamente eficiente y comprobado, la alimentación de todos los consumidores se produce por impulsión de bombas centrífugas, por lo que virtualmente no hay tuberías ni controles de alta presión en las zonas fabriles.
El amoníaco de alta presión está confinado solo en la Sala de Máquinas y su área técnica.

– Alimentación a los consumidores por inundado individual.
En algunos casos la alimentación a los equipos de los consumidores se efectúa por sistema de gravedad o inundado.
Este sistema es eficiente e implica la existencia de recipientes en los locales consumidores o en sus adyacencias.
Elimina la necesidad de electrobombas como el caso del sistema anterior con el consiguiente ahorro de energía.

– Alimentación a los consumidores por refrigerante y expansión directa del mismo en los consumidores.
Este sistema (Dx) popular en el pasado, cayó en desuso por las complicaciones operativas que presentaba, funcionamiento irregular, pobre eficiencia, etc.
Actualmente se ha reactivado su aplicación en algunos casos debido al mejoramiento de sus sistemas de control (nuevas válvulas especiales electrónicas, modulantes, etc.)
Una ventaja es la de requerir menores cargas de refrigerante, sin embargo el necesitar tuberías de alta presión de inyección y requerir que el refrigerante amoníaco sea rigurosamente anhidro juegan en contra de su aplicación.

– En una etapa central con refrigerante secundario para alimentación a los consumidores de alta y media temperatura, ya sea con soluciones o refrigerante CO2.
En establecimientos o plantas en los que en parte o en todas las áreas de sus procesos se requieren temperaturas altas o medias se debería considerar el diseño con un sistema de refrigeración por amoníaco centralizado y confinado en la Sala de Máquinas. La distribución se produce por refrigerante
secundario impulsado por bombas.
Este sistema es sencillo, los controles en las zonas consumidoras son simples y efectivos y las presiones de los fluidos son bajas.
La contrapartida es que se incrementa el consumo de energía por la potencia requerida por las bombas.

Consideraciones varias teniendo en vista la sustentabilidad del sistema de refrigeración.

– Cualquiera fuere el refrigerante seleccionado, los equipos y la configuración adoptada, se deberán analizar exhaustivamente las acciones para reducir al mínimo la carga de refrigerante: Investigar las posibilidades de aplicabilidad de sistemas de carga justa.

– Condiciones edilicias externas a Refrigeración, influyen en el diseño de Refrigeración y su sustentabilidad:
Coordinar, gestionar con proyectistas la arquitectura por un diseño pasivo, albedo, la especificación de aislaciones con cálculo de optimización según condiciones de horas anuales de operación, variación de temperaturas externas, tipos y espesores en relación a consumos de energía, tipos de puertas, accesos, etc.

– Costos de inversión:
A efectos de ponderar las inversiones iniciales tener siempre presente que el sistema de refrigeración implica usualmente el mayor costo operativo del establecimiento y su sustentabilidad es clave en la economicidad de la operatoria productiva.

– Costos de accionamientos eléctricos:
Los mayores costos que eventualmente demanda seleccionar motores Premium y accionamientos de velocidad
variable (VFD) se amortizan en cortos espacios de tiempo, teniendo en cuenta además que mejoran substancialmente la operatividad de los equipos accionados, la operación es más exacta y hay una disminución de averías mecánicas por mayor suavidad de funcionamiento.

– Consumo de elemento agua:
Evaluar alternativas de minimización del consumo de agua.

– Cálculos preliminares:
Realizar, como paso previo imprescindible, los más completos y exhaustivos balances térmicos, contemplando no solo los picos de carga sino también la optimización de cargas promedio reales con sus análisis estacionales, horarios y variables de producción.

– Recuperación de calor:
Evaluar la posibilidad de utilización práctica del calor de compresión y su aplicabilidad en procesos o necesidades de la planta.

– Tratamiento de aire, climatización:
En industrias que presenten cargas importantes para la climatización o tratamiento de aire ambiental, evaluar la incorporación de chillers de amoníaco independientes autónomos, aptos para free cooling o la inversión del ciclo para períodos de calefacción.
Hoy más que nunca, estamos ante el desafío de diseñar y proveer instalaciones frigoríficas customizadas, sustentables en el tiempo, eficientes, seguras y sin impacto negativo sobre el medio ambiente. Los sistemas de frío deben adaptarse a las necesidades de cada demanda particular variable, garantizando la mejor relación económica costo-rendimiento operativo, la seguridad de las personas y del entorno en el que operan, preservando la ecología como eje fundamental.

*
ODP: Ozone Depletion Potential
GWP: Global Warming Potential
TEWI: Total Equivalent Warming Impact
LCCP: Life Cycle Climate Performance