CAPÍTULO 2
SISTEMAS. GENERALIDADES. DISEÑOS BÁSICOS.
Proceso de Refrigeración.
El proceso de extraer calor de un elemento para enviarlo a otro está basado en el ciclo de refrigeración. Es amplísimo el campo de aplicación de este proceso, pero generalmente en la mayoría de sus aplicaciones es realizado por lo que se conoce como ciclo de refrigeración por compresión de vapor. La refrigeración de alimentos, productos químicos, tratamiento de aire, procesos de gases, transporte refrigerado y un sin número de otras aplicaciones se efectúa por este ciclo. En estos procesos de refrigeración se utilizan fluidos refrigerantes que satisfacen los requerimientos para cada aplicación. En una primera clasificación se dividen en refrigerantes naturales y sintéticos. La refrigeración actual en todos sus campos, inclusive la de tratamiento de aire industrial y aún de aire acondicionado está orientada al uso de fluidos naturales.
Mayoritariamente el fluido refrigerante más utilizado en instalaciones industriales es el amoníaco por sus cualidades de eficiencia energética, apto para todos los rangos de temperatura de los procesos, su bajo costo y su condición de NO contaminante del medio ambiente.
Partiendo de esta selección se diseñan diversos sistemas que por sus características responden a las distintas condiciones de cada proceso específico.
Según las configuraciones de estos sistemas se pueden dividir de acuerdo a los siguientes tipos.
A) Etapas de compresión. Según las distintas etapas en que se efectúa la compresión del fluido refrigerante:
I. Compresión en una etapa
II. Compresión en una etapa con economizador
III. Compresión en dos etapas
B) Alimentación. Según cómo se produzca la alimentación del refrigerante a los equipos que producirán el “enfriamiento” del medio o producto a procesar:
I. Por expansión directa del refrigerante
II. Por inundado de refrigerante por gravedad
III. Por recirculación de refrigerante líquido
C) Sistemas primario o secundario. Según el proceso de “enfriamiento” del producto o medio a “enfriar” se produzca en forma directa por el fluido refrigerante “primario principal” o por medio de un fluido intermediario secundario:
I. Fluido secundario agua
II. Fluido secundario solución agua glicol (o “brine”)
III. Fluido secundario CO2
Características de cada uno de los sistemas enunciados.
A) Sistemas de compresión en distintas etapas.-
I.- Compresión en una etapa.
El ciclo de compresión en una etapa consiste en el diseño básico elemental que incluye los componentes principales: compresor, condensador, recibidor, evaporador, sistema de control de expansión y accesorios. La compresión en una etapa se efectúa desde la presión de evaporación hasta la presión de condensación del refrigerante.
Dichas presiones las definen la temperatura a obtener del medio a refrigerar (aire, agua, producto, etc.) y la temperatura del aire y/o agua utilizado para condensar el refrigerante. De estos valores surge inmediatamente la selección del sistema a adoptar. Dependiendo de las temperaturas requeridas, del fluido utilizado, del tipo y de las cualidades mecánicas de los compresores, se visualiza el salto de presión y sus valores y la aplicabilidad o no del sistema de compresión en una etapa.
II.- Compresión en una etapa con “economizador”.
Según sea la relación de compresión que surja de las condiciones de aplicación, en algunos casos se diseña un sistema en una etapa alternativo. Este sistema es aplicable en sistemas que incluyen compresores del tipo “tornillo”. Cuando las exigencias de las temperaturas de evaporación y de condensación hacen que la relación de compresión en una etapa sea importante se produce una pérdida muy apreciable en la eficiencia energética de los compresores. En el caso de los compresores de pistón no es modificable y además causaría la avería mecánica de los mismos. En cambio en los compresores de tornillo se presentan dos diferencias substanciales. La primera es que mecánicamente y debido a sus sistemas de lubricación y enfriamiento toleran mayores presiones finales y diferenciales. En el aspecto energético se produce otra variante importante. Por la geometría de sus componentes se ha observado que en algún punto de su etapa de compresión se puede introducir una masa de refrigerante a una presión “intermedia” entre la de aspiración (evaporación) y la de descarga (condensación). La novedad interesante de esa observación fue que la introducción y compresión de ese caudal de fluido adicional no implica un aumento similar del consumo de energía del compresor. Esa capacidad/cualidad se utiliza para aprovechar esa capacidad de “enfriamiento adicional” (por supuesto a una temperatura mayor a la de aspiración pero aún aplicable para distintas finalidades) para mejorar el ciclo frigorífico. De esa manera es posible operar en una etapa en límites más amplios que con el sistema de una etapa convencional.
SISTEMA DE REFRIGERACIÓN PARA BAJA TEMPERATURA CON ECONOMIZADOR
III.- Compresión en dos etapas (o sistema “compound”).
Cuando las exigencias de temperatura del producto a enfriar o del medio disponible para condensación alcanzan valores extremos, los sistemas de compresión en una etapa (cualquiera sea) se hacen inaplicables, ya sea por consideraciones económicas (consumo de energía), técnicas (posibilidad de averías) u operativas (calidad de los productos a tratar). En estos casos se recurre a los sistemas de compresión en dos etapas. Estos sistemas, dependiendo del tamaño o capacidad, se instrumentan con compresores de pistón con unidades operando en una etapa de baja presión y unidades en serie operando en la etapa intermedia descargando a la de condensación. En plantas de menores capacidades los compresores de pistón pueden ser unidades integrales que incluyen ambas etapas en una sola unidad. En plantas con compresores de tornillo se instalan unidades en la etapa de baja presión (“boosters”) en serie con unidades de intermedia que a su vez descargan a la condensación. En esta aplicación (con compresores de tornillos) aún es posible incrementar la eficiencia del ciclo aplicando el concepto “economizador” en una de sus etapas aun cuando esto no sea muy frecuente.
SISTEMA DE REFRIGERACIÓN EN DOS ETAPAS PARA BAJA TEMPERATURA Y RECIRCULADO FORZADO CON BOMBA
B) Sistemas alternativos de alimentación de refrigerante.
En todos los sistemas el punto intermedio del ciclo básico (expansión del refrigerante) es objeto de control. La disposición o configuración del tipo de control a adoptar depende de las características de la planta, del tipo de equipo a alimentar, de las características físicas de los consumidores y de las plantas de procesos. Todos estos factores determinan el tipo de dispositivo o equipos de alimentación y distribución del fluido refrigerante condensado.
I.- Expansión directa.
En este caso la expansión / vaporización del refrigerante líquido se efectúa directamente entre la presión de condensación del refrigerante líquido y la presión de evaporación del intercambiador para el enfriamiento del medio/producto a refrigerar. Los dispositivos son simples, actúan normalmente por bulbos termostáticos que sensan la condición del retorno del refrigerante posterior a su paso por el evaporador. La eficiencia del intercambio en el evaporador depende del grado de evaporación. Se debe controlar la expansión del líquido para que esta sea lo más “seca” posible, ya que partículas o gotas de líquido sin evaporar podrían retornar al compresor y causar averías. Esta condición de retorno “seco” o “sobrecalentado” asegura la integridad de los compresores, aunque atenta contra la eficiencia del intercambio de los evaporadores ya que gran parte del proceso se produce en la fase gas del refrigerante.
Para minimizar el riesgo de averías a los compresores es habitual incluir recipientes separadores en la tubería de succión de los mismos y también intercambiadores de calor para vaporizar las posibles partículas de líquido.
SISTEMA DE REFRIGERACIÓN EN 1 ETAPA Y EXPANSIÓN DIRECTA
II.-Por inundado de refrigerante por gravedad.
Los intercambiadores de calor para enfriamiento de productos, de ambientes o de fluidos en todos sus tipos (aero-enfriadores, enfriadores de casco y tubos, enfriadores de placas, bancos de placas, etc.) pueden operar en régimen seco, pero su mayor eficiencia se produce al ser operados en régimen de inundado en el cual el refrigerante en estado líquido proporciona el mejor intercambio de calor posible. El refrigerante puede estar en estado líquido por el interior de los tubos en los intercambiadores de casco y tubos o en el casco del intercambiador mojando el exterior de los tubos. Los intercambiadores de placas operan satisfactoriamente por inundado al igual que los de bancos de placas. El refrigerante líquido que “inunda” a los intercambiadores es acumulado a la presión de evaporación en recipientes adecuados, en los que también se produce la acumulación del gas evaporado asegurando que el retorno a los compresores sea seguro.
SISTEMA DE REFRIGERACIÓN EN 1 ETAPA Y CIRCULACIÓN NATURAL POR GRAVEDAD
III:- Por recirculación del refrigerante líquido a baja presión.
El mismo efecto de “intercambio húmedo o mojado” en los intercambiadores se obtiene por medio de la recirculación de refrigerante líquido frío. Inclusive se mejora el intercambio por acción de la velocidad del refrigerante a través de los diferentes intercambiadores. La separación se produce en recipientes similares a los anteriores, los que operando a nivel constante además mantienen alimentadas las bombas que recircularán el líquido a los enfriadores. La ventaja de este sistema es que consta de un solo recipiente principal ubicado en la sala de máquinas y el refrigerante es fácilmente distribuido a los consumidores aún en ubicaciones remotas. La eficiencia total se degrada en razón de la potencia necesaria para el accionamiento de las bombas de circulación. Sin embargo las otras ventajas operativas y de eficiencia superan ampliamente esta inconveniencia. Este sistema permite además que en los locales o recintos a enfriar circule solamente refrigerante a baja presión con la consiguiente disminución de riesgos a la seguridad.
SISTEMA DE REFRIGERACIÓN EN 1 ETAPA Y RECIRCULADO FORZADO CON BOMBA
C.- Sistemas de refrigerantes primarios o secundarios.
Según lo requiera el proceso de “enfriamiento” del producto o medio a “refrigerar” se opta por un refrigerante en forma directa (Refrigerante Primario) o por medio de un fluido intermediario (Refrigerante Secundario).-
Sistema directo o primario: de acuerdo con las descripciones de los puntos anteriores.
Sistema indirecto o secundario: por medio de fluidos intermediarios.
Fluidos intermediarios.
I.- Agua
Se utiliza agua como refrigerante secundario exclusivamente para temperaturas de evaporación del refrigerante primario superiores a O ºC.
II.- Soluciones
Por debajo de O ºC (o en la práctica evaporación cercana a cero) el refrigerante secundario debe asegurar que su punto de congelación sea inferior a las temperaturas de evaporación del refrigerante primario. En ese caso se consideran: 1) salmueras de cloruro de sodio o calcio (actualmente casi en desuso). 2) soluciones agua glicoles, etilénico o propilénico. 3) alcoholes; metílico (metanol) o etílico (etanol).
El refrigerante secundario debe poseer las siguientes condiciones básicas:
o no tóxico,
o respetuoso del medio ambiente,
o biodegradable,
o no corrosivo,
o poseer buenas condiciones de transferencia de calor.
Normalmente en la industria de la alimentación se utiliza solución de agua glicol polipropilénico por sus condiciones de baja toxicidad a pesar de que el mismo no posee condiciones relevantes de transmisión de calor. Se lo utiliza con agregado de inhibidores de corrosión y en proporciones adecuadas a las condiciones de temperatura del sistema. Cuando se opera a baja temperatura se debe tomar en cuenta que los inhibidores pueden aumentar las temperaturas de congelación de la solución y por lo tanto no es conveniente usar los valores de tablas para la solución pura. La densidad también puede ser alterada por los inhibidores, lo que se debe considerar teniendo en cuenta posibles aumentos de la potencia de bombeo requerida.
Aspectos destacados de los sistemas indirectos con refrigerante secundario.
o La planta de refrigeración principal puede ser construida en forma compacta.
o Todos los componentes principales se ubican en una zona central, solo se montan en el exterior los componentes inherentes directamente a los procesos (consumidores), o sea: los equipos de intercambio, las tuberías de refrigerante secundario y cableados de fuerza y control de los mismos.
o Se simplifica el control de temperatura de cada espacio refrigerado con dispositivos (válvulas de control modulantes, tres vías, diverters, etc.) muy simples, confiables y de precisión.
o Todo el sistema de control puede ser centralizado en un solo punto, facilitándose la regulación y supervisión.
o En caso de aplicaciones de tratamiento de aire (HVAC) se opera todo el año con los mismos intercambiadores ya sea para los ciclos de refrigeración o calefacción.
o Todo el sistema de tuberías y controles del refrigerante secundario es más seguro e implica menores exigencias constructivas y de operación.
o También el sistema es más ventajoso en situaciones en las que los consumidores están alejados de la ubicación de las Salas de Máquinas ya que su piping es más sencillo que el de los refrigerantes primarios, cualquiera sea el tipo de refrigerante o sistema utilizado por los mismos.
Aspectos negativos o desventajas:
o El consumo de energía es mayor que con sistemas directos al incluirse en la operación un dispositivo de intercambio adicional.
o La potencia superior de bombeo también degrada la eficiencia energética total.
o Normalmente el costo inicial de estos sistemas es más elevado que el de los sistemas de refrigerante primario exclusivamente.
Resumen.
La elección del sistema a implementar en nuestra aplicación dependerá entonces fundamentalmente de las siguientes condiciones:
• Tipo de refrigerante seleccionado.
• Tipo de proceso a satisfacer y sus condiciones de temperaturas.
• Condiciones ambientales y características de la localización de la planta.
• Normativas y condiciones de riesgo o seguridad aplicables.
Tipo de refrigerante seleccionado:
Normalmente, en instalaciones industriales, consideramos la utilización de amoníaco por sus ya reconocidas cualidades.
Sin embargo, según criterios particulares y aplicaciones específicas el CO2 puede ser una alternativa, ya sea como refrigerante primario o secundario.
No consideramos deseable para los tipos de industria que tratamos la elección de refrigerantes sintéticos.
Tampoco se ha considerado la utilización de hidrocarburos (R290/R600).
Tipo de proceso:
Las temperaturas y exigencias de los productos o espacios a refrigerar definen el sistema a seleccionar, pudiendo ser simples, con refrigerante directo o secundario, expansión directa, recirculados, inundados, con economizadores, o de dos etapas.
Condiciones ambientales, normativas y condiciones de seguridad.
Estas condiciones deben ser consideradas en detalle, teniendo en cuenta la seguridad de las personas, la eficiencia energética, la confiabilidad operativa, la protección del medio ambiente y la atención a las normas vigentes y las previsiblemente a regir en el futuro próximo o dentro de los tiempos en que se espera operar los sistemas.
La determinación de los sistemas, equipos y componentes auxiliares debe ser estudiada cuidadosamente. Merece el desarrollo de consideraciones y discusiones previas exhaustivas y detalladas. Un análisis previo de la multiplicidad de factores intervinientes permitirá definir la configuración que mejor se adapte a las necesidades específicas de cada caso.