Nuevos caminos en la refrigeración comercial

La industria de la refrigeración cada día enfrenta nuevos retos. El último reporte del IPCC urge a desarrollar alternativas en el sector que impacten con menor intensidad en el balance ambiental. La tendencia apunta hacia una mayor reducción en el consumo energético y hacia el uso de componentes más pequeños para cumplir con las demandas del mercado.

José Luis Lemke.

Durante los últimos años, el mercado ha desafiado a la industria de la refrigeración a buscar maneras nuevas de hacer el mismo trabajo, a intercambiar calor para enfriar y calentar los productos más diversos. Para lograr ser competitiva, la industria de la refrigeración trabaja duro en el desarrollo de intercambiadores, compresores, fluidos refrigerantes, motores, aislantes y fuentes de energía.

Las industrias de refrigeradores se mantienen atentas al panorama a fin de estar listas ante las solicitudes del mercado o para enfrentar el desafío con la oferta de productos revolucionarios; sin embargo, al final lo que determina la velocidad de las innovaciones es el mercado.

Impulsores tecnológicos
Los grandes impulsores de mejoras tecnológicas en los refrigeradores comerciales siempre han sido los especificadores, pero las necesidades de los puntos de venta determinan las principales características de los refrigeradores.

Gracias a estas variables, las tendencias actuales de la industria de los refrigeradores se centran en mantener la dimensión externa de sus productos y aumentar el volumen interno.

Componentes impactados
Hay una tendencia en el mercado de solicitar a las industrias de equipos de refrigeración nuevos diseños que permitan poner más productos en refrigeradores con las mismas dimensiones externas. Esto se observa con bastante fuerza en las tiendas de conveniencia, donde una determinada marca para entrar en la tienda ofrece refrigeradores con mayor volumen externo, lo que permite ocupar el mismo espacio de la competencia aunque con un refrigerador que alberga más producto y que, en muchas ocasiones, consume menos energía. Esto, al final, permitirá ofrecer un costo menor por producto vendido.

Esta tendencia impactará con fuerza en tres componentes del refrigerador:

• Intercambiadores de calor
• Micromotores
• Compresores

Figura 1. Evolución dimensional en compresores

Relación entre los componentes
Uno de los componentes que más está revolucionando la tendencia de reducción de dimensiones es el compresor, que en los últimos años ha ofrecido al mercado opciones que posibilitan a los expertos en diseño de refrigeradores aprovechar los espacios para aumentar el volumen interno de los equipos.

Como muestra de esta evolución, en la década de 1980, un compresor con capacidad de refrigeración de 600 BTU/h (ASHRAE LBP), el conocido compresor ¼ hp, presentaba una altura de más de 200 mm; en la década de 1990 contaba con altura de 195 mm; en la década de 2000, 170 mm, y en breve la industria ofrecerá compresores con menos de 150 mm.

Todos los componentes en el sistema de refrigeración están integrados y cuando la ingeniería tiene como desafío aumentar el volumen interno para disminuir el volumen del compartimiento del compresor, aparece la necesidad de rediseñar el intercambiador (condensador) y probablemente buscar alguna alternativa de motor-ventilador.

En el condensador se tienen que considerar dos puntos importantes, pues, por un lado, se tiene mayor carga térmica dentro del refrigerador, debido a que, al rediseñar y colocar más producto en el refrigerador, aumenta la carga térmica interna y, por consecuencia, el calor que debe intercambiarse en el condensador; por otro lado, se busca reducir la altura del condensador para permitir aumentar el volumen interno, todo esto manteniendo o mejorando el consumo energético. Los principales factores de determinan la capacidad de intercambio de un condensador son determinados por el material, su área de contacto y flujo, y la temperatura del aire que pasa por él.

Figura 2. Dimensiones de los intercambiadores

Normalmente, en el rediseño de refrigeradores no se modifica el material para volverlos más eficientes; las variables que usualmente se trabajan son las dimensiones del intercambiador, su longitud, altura y anchura. Al evaluarse una alternativa de intercambiador, la primera referencia es el área de contacto. Si se asume que el condensador original está bien dimensionado, el condensador sustituto tiene que proporcionar, por lo menos, la misma área de intercambio.

Esta orientación de mantener la misma área es sólo una referencia para evitar que se aplique un condensador con poca área y haga subir la temperatura de condensación, lo que disminuiría la capacidad de refrigeración y aumentaría el consumo energético.

La velocidad de flujo del aire influye directamente en la capacidad del intercambiador. Se puede considerar que cuanto mayor es la velocidad del aire, más intensa es la turbulencia que se presenta alrededor de la tubería y mejor debe ser el coeficiente de transporte del calor; en otras pablaras, un flujo de aire más fuerte permite disminuir el tamaño del condensador.

Al dimensionar el condensador hay que considerar que para un determinado flujo de aire existe un límite de restricción en la entrada del aire en el intercambiador; si está demasiado restringido puede generar aumento en la presión estática en el espacio entre el intercambiador y el motor, lo que traería como consecuencia un aumento en el consumo energético y en la temperatura del motor.

Otro aspecto demasiado restringido en los condensadores es la saturación del aire que pasa entre las aletas. Se sabe que cuanto mayor es la diferencia de temperatura entre el intercambiador y el aire que pasa, mayor es la velocidad de intercambio de energía para el aire.

Esta orientación de mantener la misma área es sólo una referencia para evitar que se aplique un condensador con poca área y haga subir la temperatura de condensación, lo que disminuiría la capacidad de refrigeración y aumentaría el consumo energético.

Figura 3. Temperaturas del aire

La velocidad de flujo del aire influye directamente en la capacidad del intercambiador. Cuanto mayor es la velocidad del aire, más intensa es la turbulencia alrededor de la tubería y mejor debe ser el coeficiente de transporte del calor; en otras pablaras, un flujo de aire más fuerte permite disminuir el tamaño del condensador.

Al dimensionar el condensador hay que considerar que para un determinado flujo de aire existe un límite de restricción en la entrada del aire en el intercambiador; si está demasiado restringido puede generar aumento en la presión estática en el espacio entre el intercambiador y el motor, lo que traería como consecuencia un aumento en el consumo energético y en la temperatura del motor.

Otro aspecto demasiado restringido en los condensadores es la saturación del aire que pasa entre las aletas. Se sabe que cuanto mayor es la diferencia de temperatura entre el intercambiador y el aire que pasa, mayor es la velocidad de intercambio de energía para el aire.

Otro punto por considerar es que velocidades de aire muy bajas favorecen la acumulación de residuos en el condensador, lo que reduce aún más la eficiencia del intercambiador y propicia mayor frecuencia en las labores de mantenimiento.

Más arriba se habló de los componentes compresor e intercambiador, pero el motor también es un factor importante por considerar para que se pueda reducir el espacio del compartimiento del compresor. El reto consiste en que, algunas veces, para reducir el compartimiento hay que disminuir también el diámetro del aspa del motor, pero normalmente no es posible reducir el flujo de aire que pasa por el intercambiador.

En este punto existe una ventaja del motor electrónico, pues permite variar la velocidad del motor y con eso generar el flujo de aire necesario para garantizar que el conjunto de la unidad condensadora cumpla con los requisitos del proyecto.

Figura 4. Velocidad del motor y flujo del aire

Como se observa en la Figura 4, es posible reducir el diámetro del aspa y mantener el flujo de aire con sólo cambiar la velocidad del motor. En la actualidad existen motores que pueden variar su velocidad desde 500 hasta 2 mil 300 rpm, por lo que el diseñador cuenta con muchísimas alternativas para lograr el flujo que necesita.

Por otro lado, como se ha mencionado en artículos anteriores, al subir la velocidad, en algunos casos, también se presenta un incremento en el nivel de ruido, pues el aire cuenta con una velocidad mucho más alta. Para este problema existen alternativas, como aspas, que generan mucho menos ruido y logran desplazar más aire. En otras palabras, ya hay alternativa para motores de alta velocidad.

Nuevas posibilidades
La evolución hacia compresores más pequeños permite la aplicación de la refrigeración en equipos de cada vez menor tamaño e incluso posibilita aplicaciones como cajones refrigerados, pequeños compartimientos refrigerados, refrigeradores pequeños para colocarse en los mostradores de las tiendas de conveniencia, refrigeradores muebles más eficientes que los actuales y numerosas aplicaciones donde la dimensión de los componentes de refrigeración pueden marcar la diferencia.

El límite para la reducción de los componentes es solamente el desarrollo de materiales que resistan las condiciones de operación, como trabajar a alta velocidad o, en el caso del compresor, que pueda operar de manera eficiente a altas velocidades y sin aceite.

La industria de los refrigeradores comerciales y domésticos tiene que estar atenta a la tendencia de reducir el espacio de los componentes del ciclo de refrigeración y utilizar todo el espacio disponible para la venta de productos o en las aplicaciones domésticas para el estibado de alimentos.

Autónomos
La evolución en las dimensiones de los componentes de refrigeración, con reducción de dimensiones y, por otro lado, disminución del consumo de energía, permite el lanzamiento de innumerables refrigeradores autónomos o que pueden operar básicamente con fuentes de energía renovables, como energía solar.

Actualmente, ya existen en el mercado congeladores para helados con compresor recíproco y con energía solar; es decir que quien vende este producto en la playa no necesita preocuparse por perder su producto o tener solamente la cantidad para vender inmediatamente.

Con estos mismos equipos ya es factible llevar medicinas a los sitios más remotos y mantenerlos bajo temperaturas adecuadas, sin la necesidad de contar con acceso a la red de energía eléctrica, pues se aprovecha la energía solar. Desde hace años, la ciencia sabe cómo aprovechar esta energía, sólo hacían falta refrigeradores de bajo consumo para que fuera factible fabricar estos refrigeradores a escala comercial.

Mirando hacia el futuro
En los últimos días, muchos medios de comunicación están hablando sobre los cambios climáticos que el mundo vivirá en los próximos años si no se modifica la manera en que se usan los recursos disponibles. No cabe duda de que la industria de la refrigeración tiene bastante que aportar para tener un mundo más equilibrado, pues puede aplicar más materiales renovables, refrigerantes menos impactantes y reducir drásticamente el consumo energético de los refrigeradores.

En nuestros días, lo que obstaculiza que la industria dé ese gran paso hacia adelante es el costo de dichas tecnologías. No obstante, hoy el sector está mucho más cerca que hace cinco años.

La industria, en la actualidad, es mucho más competitiva en costo y ser ecológico ya no cuesta tanto.
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José Luiz Lemke Arins
Es ingeniero de Aplicación desde hace tres años en Wellington Drive Technologies, empresa de Nueva Zelanda dedicada a producir motores conmutados electrónicamente, controladores electrónicos y soluciones especiales para la industria de la refrigeración y la ventilación.