Eficiencia en Compresores

La eficiencia en una máquina motriz es la relación de la energía de entrada entre el trabajo / (energía útil) de salida, entre la energía de entrada (calor).

Ing. Javier Ortega C.

Cuando hablamos de qué tan bien se hacen las cosas, nos referimos indirectamente a qué tan eficiente o ineficientemente las hacemos. Una máquina motriz será más eficiente si realiza su trabajo en menos tiempo y con la menor cantidad de energía suministrada. Las máquinas térmicas motrices requieren una cantidad de energía para poder realizar un trabajo como el combustible que se transforma en energía calorífica en el caso de un motor de combustión interna de automóvil. En el caso de una máquina de refrigeración el ciclo se invierte, se requiere darle una cantidad de trabajo para mover una cantidad de energía térmica o calorífica. Toda máquina térmica, ya sea motriz o de refrigeración, requiere ceder Indudablemente una cantidad de calor al medio ambiente, por lo que su funcionamiento está gobernado por nuestra madre naturaleza o las condiciones ambientales que la rodean. Un mismo refrigerador o sistema de aire acondicionado operan muy diferente en Alaska o en el Desierto del Medio Oriente, en la Ciudad de México o en la ciudad de Yucatán, Inclusive el mismo equipo no funciona igual en diferentes condiciones ambientales o épocas del año (en invierno y en verano).

La eficiencia en una máquina motriz es la relación de la energía de entrada entre el trabajo (energía útil) de salida, entre la energía de entrada (calor). En una máquina frigorífica o de enfriamiento, es la relación del calor o energía de entrada (refrigeración), entre el trabajo o energía de entrada requerida para producir la refrigeración. Fig. 1.

En este artículo nos dedicaremos en principio al estudio de la eficiencia de las máquinas o sistemas de enfriamiento (de Aire Acondicionado y de Refrigeración).

Concepto de la Relación de Eficiencia de Energías (en inglés, Energy Efficiecy Rating EER). En relación a la Fig. 1 el ciclo de enfriamiento de mayor eficiencia es aquel que toma la mayor cantidad de calor QC de la máquina, con el consumo mínimo de trabajo mecánico del compresor (mínima energía eléctrica). Por lo tanto, se define como eficiencia de una máquina frigorífica o Relación de Eficiencia de Energías a la relación de QC entre W, en unidades Btu/h-W, ó Kcal./h-W.

Dado que el Watt-h es una unidad de energía eléctrica, equivalente a la energía calorífica de 3.413 Btu, se puede también  expresar la eficiencia de una máquina frigorífica en término de W/W (valor sin unidades, expresado por unidad p/u) el cual se denomina Coeficiente de Funcionamiento (en inglés, Coefficient of Performance COP).

Coefficient of Performance COP; su valor es p/u, relación de la Potencia Térmica en Watts, entre la Potencia Eléctrica de entrada al Motor del compresor en Watts.

En Refrigeración; COP, Potencia Térmica de Refrigeración en Watts (Qc enfriamiento) / Potencia de Entrada (W).

En Calefacción o Bomba Térmica; COP, Potencia Térmica de Calefacción en Watts (QH Calentamiento) / Potencia de Entrada (W).

Dentro del Ciclo de Refrigeración en lo que a eficiencias concierne, el compresor es quizás el de más consideración, se ve afectado por las siguientes pérdidas o ineficiencias:

Perdidas en compresores

Eficiencia Mecánica: Es la que toma en cuenta las pérdidas de potencia mecánica, (pérdidas por fricción interna, de lubricación, bomba de lubricación, etc.). El uso de aceite especificado, con sus características adecuadas de viscosidad, lubricidad, solubilidad y miscibilidad con los refrigerantes, son determinantes en la reducción de las pérdidas por fricción.

Eficiencia Volumétrica: Debida principalmente a la reexpansión del gas refrigerante dentro del cilindro, a la fuga del gas por válvulas y anillos de pistones (blowby), obstrucción o pérdida de carga del flujo de gases refrigerantes, estas pérdidas son función de la relación de compresión en la que el compresor opera y las temperaturas de operación del ciclo.

Eficiencia Eléctrica: Es debida a que las pérdidas suceden en los motores eléctricos, la mayor de éstas está en el cobre, debido a las pérdidas por efecto Joule P=I2R, (proporcional al cuadrado de la corriente de operación del motor por la resistencia eléctrica de sus devanados). Diseños de mejor eficiencia utilizan conductores de mayor diámetro, para acomodarlos dentro del motor se requiere que éste sea de mayor tamaño con ranuras mayores, aumentando también el número de laminaciones. Otras pérdidas son las pérdidas en el hierro y en las Laminaciones, las cuales se dividen en Pérdidas por Corrientes Parásitas o de Foucault, las que se producen proporcionalmente por el efecto inductivo magnetízante de la corriente y su frecuencia eléctrica. y las Pérdidas por Histéresis causada por la magnetización y desmagnetización del rotor y el estator del motor, las cuales son función de la frecuencia eléctrica, y de los materiales de las laminaciones. La disminución del espesor de las laminaciones, aisladas eléctricamente entre ellas, y aleaciones de hierro adecuadas reducen considerablemente estas pérdidas. Rotores más grandes ayudan a disminuir estos problemas, pero las laminaciones son el factor principal para su reducción. La mayoría de los motores de uso común usan laminaciones de acero al carbón, de espesores del orden de 0.025 pg con pérdidas aprox. de 6 Watts por kg. Motores de alta eficiencia usan laminaciones de Acero al Silicio con espesores del orden de 0.018 pg con pérdidas del orden de 3 Watts por kg. Adicional es el aislamiento de las laminaciones. Además de reducir las pérdidas magnéticas en los motores de Alta Eficiencia su temperatura de operación disminuye, y la vida del motor se aumenta, por cada 10 °F de reducción de temperatura la vida del motor y sus devanados se dobla.

Eficiencia Térmica: Debido a las pérdidas de calor en la compresión del gas en el compresor. A que la compresión no es perfectamente adiabática. La alta temperatura de la compresión hace disipar calor a través del cuerpo y las paredes del cilindro del compresor, es energía o calor perdido al medio ambiente.

Eficiencia de los Refrigerantes: Sus características presión-temperatura, su coeficiente de transmisión de calor, su coeficiente adiabático, etc.

La eficiencia del ciclo de refrigeración es variable, depende de los parámetros que lo rigen en sus dos temperaturas (y correspondientes presiones), como es bien sabido una máquina térmica debe funcionar siempre entre dos temperaturas. En nuestro caso de la Temperatura de Evaporación y la Temperatura de Condensación, ambas son continuamente variables.

La temperatura de evaporación varía de acuerdo a la aplicación de las condiciones del producto a enfriar, su temperatura de entrada, su frecuencia de rotación, humedad relativa, rapidez de enfriamiento, la carga térmica, etcétera.

La Temperatura de Condensación dependerá de las condiciones ambiéntales de temperatura; verano, invierno, etcétera, y las condiciones ambientales del lugar; Mexicali, Distrito Federal, Yucatán, Alaska. Si la temperatura ambiente aumenta 10 °F la temperatura de condensación tenderá a aumentar la misma cantidad de 10 °F, y viceversa: la temperatura (y su presión de saturación correspondiente), son función de la temperatura ambiente.

En la Fig. 2 se muestran algunos de los valores de funcionamiento de un compresor Semihermético Discus.

Por ejemplo, al tomar algún valor de capacidad (color rojo) se tiene que a 130 °F de condenación a 10 °F de evaporación, una capacidad de 45900 Btu/h y una potencia (color azul) de entrada de 8300 W. Ahora bien, si las condiciones varían a 120 °F de condensación y 10 °F de evaporación se tiene una capacidad de 51000 Btu/h y una potencia de entrada de 7950 W.

Se observa que una reducción de la temperatura de condensado (o en la temperatura ambiente) de 10 °F nos conduce a un aumento de capacidad del 11.1 % una reducción del consumo de potencia del 4 %. Las figuras 3 y 4 nos muestran la operación de dos sistemas, el primero Fig. 3 en el que la temperatura de condensación se mantiene alta artificialmente con el propósito de mantener su presión alta para mantener el flujo de refrigerante requerido en la válvula de expansión (con ciclado de ventiladores, reducción del flujo de aire, válvulas reguladoras de la presión de descarga, etcétera). (Nótese que esta alta temperatura de diseño dura pocos días al año, como ejemplo ver Fig. 6).

Con el uso de válvulas termostáticas de puerto balanceado de Emerson Climate Technologies, el efecto de caída de presión en el condensador no afecta mayormente al flujo de refrigerante durante el tiempo, ya que sigue la variación ambiental o a la naturaleza (Fig. 4), por lo que se puede trabajar con presiones menores, conduciendo a una mayor capacidad, mejor eficiencia y ahorros de operación.

Por varios años los valores publicados de capacidad y valores de eficiencia EER han sido basados en los estándares del ARI de acuerdo a lo siguiente:

Las condiciones anteriores fueron usadas por muchos años con el  propósito de cumplir con las condiciones más desfavorables, sin tomar mucho en cuenta el ahorro de energía, que hoy día es imperativo contemplar, por lo que ahora además de cumplir con condiciones extremas de operación, es necesario optimizar eficientemente los compresores en condiciones reales de operación.

De la Fig. 5 se manifiesta en forma obvia que todos los sistemas de Aire Acondicionado (y Refrigeración) operan muy poco tiempo en las condiciones de alta temperatura ambiental.  La mayoría de los sistemas de enfriamiento o su mayor tiempo de utilización lleva a temperaturas de condensado menores de 130 °F (54.4 C).

La Fig. 6 nos muestra la variación de la temperatura ambiente en la ciudad de México, una gráfica similar y muy diferente debe existir para cada lugar; Monterrey, Acapulco, Río de Janeiro, Yucatán, Veracruz, etcétera.

Como se puede ver el rango de tempera-turas ambientales en México está por debajo de 54.4 C (de condensado), por lo que considerar un sistema con esta temperatura sería muy costoso en su operación.

Con lo anterior existe la pregunta ¿cuál es el COP o el EER? Para su determinación es necesario considerarlo en forma anualizada, y determinar el ACOP y el AEER como veremos a continuación.

Se consideran los valores reales tomados de las tablas de funcionamiento, capacidad (en Btu/h ó Watts) y su potencia requerida en Watts, del compresor que se desea obtener el ACOP y el AEER, y con los valores de la gráfica de variación de la temperatura ambiente del lugar que se desean conocer los valores, en este ejemplo se toman los valores de la Fig. 6. Como se puede observar el valor ACOP obtenido que sería el representativo de todo un año en la ciudad de México comparado con el valor a 130F (54C) de 0,99 que no significa prácticamente nada.

Es importante mencionar algunos términos usados en relación a la eficiencia de compresores y de sistemas de enfriamiento principalmente en aire acondicionado, y se refieren principalmente al funcionamiento estacional.

EER ESTACIONAL (Seasonal Energy Efficiency Rating)

SEER = Enfriamiento Total en un Año entre La Energía Total Usada en el Año.

FACTOR DE FUNCIONAMIENTO DE CALEFACCION ESTACIONAL (Heating Seasonal Performance Factor)

HSPF = La calefacción Total en un Año entre La Energía Total (Incluyendo la Calefacción Auxiliar) Usada en el Año.

FACTOR DE FUNCIONAMIETO ESTACIONAL (Annual Performance Factor)

APF = Calefacción y Enfriamiento Total en el Año entre La Energía Total usada en el Año

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