Los Sistemas de Refrigeración Distribuidos están ganando terreno debido a su mayor eficiencia de energía, y por sus bajos costos durante arranques y en operación.
Ing. Rajan Rajendran
En un mundo donde el alto consumo de energía, el continuo aumento del costo del petróleo y el calentamiento global, son factores de mayor preocupación, los comerciantes, contratistas y fabricantes de equipos, están considerando nuevas formas de reducir las pérdidas de energía. Una de las principales causas de un excesivo consumo de energía en el medio de los supermercados y comercios, es el sistema de refrigeración.
En la medida que los comercios contemplan la actualización de los diseños de sus tiendas, o se preparan para reemplazar o mejorar sus sistemas de refrigeración, los sistemas de Refrigeración Distribuidos se encuentran ganando popularidad como una solución a la eficiencia energética, ambientalmente amable, en relación al sistema estándar centralizado.
Actualmente los sistemas de refrigeración para supermercados han venido usando comúnmente bastidores o racks de hierro donde son montados grandes compresores reciprocantes los cuales se localizan en uno o más cuartos de máquinas de refrigeración. Los compresores de estos racks son conectados a las cámaras frías de conservación, congelación, vitrinas, refrigeradores, etc. mediante grandes longitudes y cantidades de tuberías.
Esta gran red de tuberías es el origen principal del consumo de energía y de la consecuencia ambiental. Se requiere una considerable cantidad de refrigerante para esas tuberías de gran longitud, las que con un mayor número de uniones se aumenta las posibilidades de fugas de refrigerante, además los sistemas centralizados requieren mayor espacio de pisos y techos.
Estos sistemas operan más eficientemente que los centrales con racks, debido a que permiten una mejor igualación de la unidad condensadora al grupo de succión.
Beneficios del Sistema
Los sistemas de Refrigeración Distribuida han venido ganando popularidad en los últimos 50 años, en gran parte porque ofrecen unidades de menor tamaño y manejables, debido a esto se pueden localizar muy cerca de sus cargas térmicas. Esto reduce la complejidad de la instalación, así como sus costos inicial y anual.
Esto mejora su flexibilidad, y elimina las consideraciones estructurales asociadas con los pesados sistemas de Centrales con Racks de compresores. Los tendidos de tuberías se reducen, y los espacios de techos y pisos se aprovechan para poner mercancías. Lo más importante es que la cantidad de refrigerante es reducida en un 70%, consideración ambiental muy importante.
En adición, los sistemas de refrigeración distribuidos operan más eficientemente que los sistemas centrales con racks, debido a que permiten una mejor igualación de la unidad condensadora al grupo de succión. Los contratistas saben que operar vitrinas a diferentes temperaturas requiere que el cabezal de succión se divida en un circuito para cada temperatura.
La ineficiencia se crea cuando el refrigerante se pasa a través de una válvula reguladora de presión del evaporador (EPR), y también por las caídas de presión en las líneas de tuberías largas. En los sistemas de refrigeración distribuida las líneas de tuberías son cortas, y por lo tanto la ineficiencia se afecta menos por razón de caídas de presión en la succión.
La arquitectura de la refrigeración distribuida ofrece beneficios significativos sobre el sistema de refrigeración en racks: En su costo inicial, en el costo diario, y en el costo de mantenimiento.
Entre los beneficios adicionales de los sistemas de refrigeración distribuida se incluyen:
➤ Costos menores de operación
➤ Costos menores de instalación
➤ Mayor flexibilidad dentro de la tienda
➤ Menor tiempo de arranques comparados con los sistemas centrales
➤ Mayor diversidad en la selección de los alimentos
➤ Componentes y materiales menos costosos
Los sistemas refrigeración distribuida pueden reducir los costos de puesta en servicio y de la construcción de la tienda. La reducción de los costos iníciales durante la construcción de la tienda en acero estructural y tuberías de refrigerantes, pueden ser del orden de $2,000,000 (200,000 dólares).
A medida que los comercios tienden más hacia la refrigeración, los sistemas de refrigeración distribuida permiten una gran variedad de arquitectura de la tienda, que impacta en la venta de los productos. Las tiendas ofrecen mayor cantidad de productos especiales tales como cafés al gusto, comidas gastronómicas, alimentos orgánicos preelaborados, y otros servicios dependientes de la refrigeración. Este diverso arreglo requiere mucha flexibilidad en la ubicación del equipo de refrigeración.
La base fundamental es también afectada por la distribución de la refrigeración, y su reducción del costo anual de operación y de mantenimiento. Con la reducción en tuberías se eliminan miles de soldaduras disminuyendo así el riesgo de fugas de refrigerante.
Tendencia de Sistemas
Avances en componentes
Los sistemas de refrigeración distribuida han llegado a ser una solución de la eficiencia de energía, simplemente a través de los avances en la tecnología de componentes tales como el uso de los Compresores Scroll. Estos avances en tecnología ayudan a optimizar la eficiencia a través de una combinación de simple modulación, de un control de temperatura extremadamente preciso y reducción lineal de potencia.
Los compresores semiherméticos son los que mueven la mayoría de los sistemas centrales de refrigeración. Estos grandes compresores cuando son conectados en paralelo mediante tuberías proveen la refrigeración requerida para toda la tienda. La eficiencia de los compresores es por lo general bastante alta y su confiabilidad es muy buena.
Para reducir el consumo de energía, en los comercios se está considerando re-arreglar los sistemas cambiando a los compresores Scroll de alta eficiencia. Recientes mejoras en su funcionamiento con avanzadas tecnologías de modulación, hacen al scroll en sistemas distribuidos un compresor viable como una alternativa de los compresores semiherméticos.
Los comerciantes continuamente buscan sistemas de refrigeración más eficientes de energía. La Refrigeración Distribuida por lo general cumple con este requerimiento
Por ejemplo, en términos de una más avanzada modulación, los compresores Scroll digitales de una compañía, son capaces de ajustar su capacidad de enfriamiento de 10 a 100 por ciento, respondiendo a las variaciones o cambios de carga térmica de los diferentes refrigeradores, vitrinas demostradoras, cámaras frigoríficas, etc.
La igualación de los requerimientos de carga ayuda a la reducción de ciclados de compresores, se mantiene una óptima temperatura en las cámaras y refrigeradores, es ideal en supermercados donde la calidad de los alimentos es importantísima y los márgenes de utilidad son bajos.
Los compresores Scroll tienen un menor número de partes móviles que los compresores reciprocantes, y son más confiables por su diseño. Un compresor reciprocante contiene nueve partes móviles por cada cilindro. En comparación el compresor Scroll tiene sólo dos partes móviles, lo que elimina las oportunidades de fallas. Las partes más susceptibles de falla tales como bielas, pernos, no existen en los Scrolls.
Una falla común en los equipos de refrigeración es cuando refrigerante líquido retorna al compresor. Debido a que los líquidos son incompresibles, harán fallar al compresor más rápidamente que cualquier otro problema.
Algunos fabricantes han tenido la habilidad de que sus compresores manejen líquido, utilizando la conformacia radial y axial en los scrolls. Conformancia es la habilidad de las espirales del Scroll de “separarse” bajo condiciones anormales, lo cual provee la capacidad de permitir pasar líquido a través de estas sin dañarlas.
Puesto que los compresores scroll no usan pistones para comprimir el gas, hay una muy pequeñísima pérdida de eficiencia volumétrica originada por la reexpansión, la que si ocurre en cada carrera del pistón en los modelos reciprocantes. Similarmente debido a que las válvulas internas son eliminadas no existen pérdidas en estas.
Durante la operación de un Scroll, la fuerza centrífuga mantiene las espirales en contacto y libre de fugas con una compresión continua y constante. La separación de la succión y la descarga de los gases, reducen las pérdidas por transferencia de calor.
Los sistemas distribuidos con compresores scroll permiten usar bases y áreas de montaje más pequeñas. En promedio, los compresores scroll usan menos partes que un semi-hermético de la misma capacidad y ocupan menos espacio. La orientación del scroll inherente proporciona una posición vertical y esbelta, haciéndolo ideal y a la medida para el concepto de refrigeración distribuida.
El diseño simple de los scrolls en comparación con los compresores reciprocantes, les permite operar con niveles muy bajos de ruido y vibración. De hecho pruebas demuestran que los scroll son hasta tres veces más silenciosos que los modelos reciprocantes.
Una de las razones de su bajo nivel de ruido, es que los compresores scroll no requieren válvulas de succión para tener una compresión eficiente. Un movimiento orbital balanceado resulta en operación silenciosa y con menos vibración.
Aumento de Capacidad y Eficiencia
Tradicionalmente la única forma de tener los beneficios adicionales del subenfriamiento mecánico era con múltiples compresores de tornillo grandes, o con sistemas de compresores semiherméticos reciprocantes, usando un compresor separado para el subenfriamiento mecánico.
Los compresores scroll permiten una ganancia significativa de funcionamiento con un sólo compresor utilizando el sistema de inyección con vapor. La técnica de la inyección de vapor puede mejorar la capacidad y eficiencia de los sistemas de baja y ultra baja temperatura en aplicaciones de refrigeración comercial.
La Inyección de Vapor Mejorada (Enhanced Vapor Injection EVI), introduce el vapor refrigerante a la mitad de las espirales del scroll en el proceso de compresión creando el efecto de subenfriamiento reduciéndose la temperatura de descarga. Un scroll con vapor de inyección tiene un consumo de energía similar a la de un compresor con subenfriamiento, pero sin la necesidad de añadir un compresor con subenfriamiento mecánico.
Cuando las cargas de refrigeración disminuyen, el circuito de inyección de vapor se puede desconectar como una forma de modulación de la capacidad. El efecto de la caída de presión en la línea de succión se reduce debido a un mayor cambio de entalpía a través del evaporador.
Mejoras en la electrónica usada en los sistemas de refrigeración distribuida permiten un mejor control de los componentes tales como los compresores, motores, válvulas y sensores. Como ejemplo, el Regulador Electrónico a Pasos (Electronic Stepper Regulator ESR) es un regulador de succión de accionamiento directo que utiliza un motor de actuación lineal bipolar que actúa a pasos, manteniendo la mayor presión de succión posible en forma constante.
La válvula a pasos abre o cierra a la posición exacta necesaria, hasta lograr la temperatura preestablecida de la cámara. Si la cámara está más fría, la válvula cierra aumentando la presión del evaporador. Si la cámara está más caliente la válvula abre disminuyendo la presión del evaporador.
El ESR es una alternativa del Regulador Mecánico de Presión de Succión (EPR) usado en circuitos de cámaras refrigeradas. El ESR es controlado electrónicamente mediante un sistema de control integrado, diferente al empleado en las válvulas mecánicas EPRs.
Mediante modulación para el control de la presión de succión del evaporador, los esfuerzos en las tuberías y sus uniones se disminuyen considerablemente. Por lo que también se reduce la posibilidad de fugas costosas del refrigerante.
Los sistemas con ESRs pueden controlar valores de temperaturas de las cámaras del orden de 0.05°C (0.1 °F), que es una inhabilidad mecánica de la tradicional EPR. Esta precisión crea una tienda con operación eficiente, elimina mermas y pérdidas de producto, lo cual finalmente se refleja en ahorro de dinero.
Aunque la ESR es más avanzada que la EPR, sirve para la misma función en el sistema de refrigeración. La válvula de expansión que actúa con sucesión pasos trabaja en la misma forma que la válvula termostática de expansión, controla el sobrecalentamiento del evaporador regulando la cantidad de refrigerante en el serpentín del evaporador.
El regulador electrónico a pasos opera en la misma forma que un regulador convencional, abriendo y cerrando para controlar la presión de evaporación, la cual a su vez controla la temperatura del evaporador. El comerciante puede solicitar al fabricante de la ESR las instrucciones para su ajuste.
Para la selección del tamaño de la válvula se procede en la misma forma. Las leyes de la termodinámica no cambian por el mero hecho de que la válvula sea controlada por un motor eléctrico o por medio electrónico. La selección del tamaño de la válvula encierra el conocimiento del refrigerante en el sistema, la carga del evaporador, la temperatura de líquido, capacidad que se requiere y caída de presión a través de la válvula.
El motor paso a paso (stepper motor) que dirige la válvula, es como cualquier motor eléctrico y debe pensarse así como tal. Trabaja, actúa y se comporta como un motor eléctrico, pero opera con una onda eléctrica cuadrada en vez de una senoidal de un motor normal de corriente alterna CA. El técnico de servicio promedio está familiarizado con los motores eléctricos de corriente alterna, CA, y de corriente directa, DC, por lo que un motor paso a paso no debe presentar ninguna dificultad una vez que se familiarice con sus técnicas de servicio.
Los “cerebros” de la operación
Conforme la tecnología de la refrigeración ha avanzado, también ha avanzado la habilidad de los controles electrónicos para conectar los componentes críticos tales como, compresores, motores, válvulas y sensores. Por ejemplo, un controlador en un supermercado provee una efectiva y suave integración de la operación de las componentes de refrigeración y del acondicionamiento del aire, también integra los sistemas de control de un edificio tales como los de la iluminación y la seguridad.
La localización de los controles de una cámara, y la ubicación diferente y difícil de alcanzar de la válvula de expansión en la cámara y no en el rack, presentan un reto potencial de servicio. Algunos sistemas de control integran la electrónica del compresor, válvulas electrónicas y controles de flujo, monitoreando el equipo en línea. El resultado es un ambiente de una tienda “inteligente” donde todos las componentes, sistemas y controles del edificio son conectados, manejados, y monitoreados desde un lugar con un sistema centralizado.
En un sistema de operación central, mientras se reúne la información vital de funcionamiento de las operaciones de una tienda, otras tiendas también pueden recoger y analizar la información de toda una cadena de tiendas.
El inherente mantenimiento protector del sistema, permite prever inadvertencias técnicas obteniendo una mejor relación efectividad – costo, reduciendo los tiempos muertos, y redundando en la seguridad de los alimentos.
La arquitectura de la refrigeración distribuida ofrece beneficios significativos sobre la refrigeración tradicional central de racks, en costo inicial, operación diaria y costos de mantenimiento. Usando el altamente eficiente compresor Scroll se reduce el consumo de energía total de la tienda de un 5 a 10 por ciento.
La combinación de los ahorros en el costo inicial, ahorro anual de energía y mantenimiento, y la facilidad en el despliegue del equipo, ofrece a los directivos de las empresas nuevas opciones en el diseño de las tiendas y en su forma de vender. En adición, para bajar aún más los costos de instalación, los propietarios de las tiendas esperan arranques y puestas en servicio en menor tiempo, conduciendo a una más rápida apertura de la tienda y comenzar en menor tiempo con el flujo de dinero.
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