En la actualidad, una de las tendencias en la industria es fomentar el uso de refrigerantes con bajo impacto ecológico, siendo las sustancias naturales una de las opciones más eficaces para esta tarea. Por esta razón, es de sumo interés evaluar las condiciones climáticas de cada región para elegir la tecnología de condensación más adecuada
Raúl Alanis / Imágenes: cortesía de Güntner
Históricamente, los sistemas de refrigeración por compresión de vapor se han transformado, en gran medida, gracias al surgimiento de tecnologías mecánicas y electrónicas, así como de refrigerantes. El fluido natural de mayor empleo en la actualidad es el amoniaco (NH3). Pese a su toxicidad, sus propiedades físicas lo convierten en uno de los más versátiles y adecuados para aplicaciones de gran capacidad. Por otro lado, se encuentra el CO2, que resurge después de un largo tiempo. Este último es empleado en aplicaciones comerciales; sin embargo, se utiliza de forma preponderante en instalaciones de grado semiindustrial e industrial.
Como es sabido, uno de los factores más importantes de los que depende la eficiencia de los sistemas de refrigeración es la presión de condensación, la cual está estrechamente ligada a las condiciones ambientales de la zona de instalación del sistema: a mayor presión de condensación, el compresor requiere de más potencia para generar el efecto frigorífico deseado.
En México, las condiciones de temperatura ambiente oscilan en valores máximos anuales desde 26-27 °C, en ciudades como Toluca, Estado de México; hasta 45 °C en la región norte, como en Mexicali, Baja California; o Hermosillo, Sonora.
De acuerdo con lo anterior, el condensador es uno de los elementos que requiere atención especial, pues tiene impacto directo en la eficiencia del sistema de refrigeración y en el dimensionamiento de la mayoría de los componentes.
Si bien las condiciones atmosféricas rigen en gran medida el diseño de un sistema de refrigeración, existen diferentes alternativas para realizar la condensación del fluido refrigerante de acuerdo con la tecnología de intercambio de calor empleada para dicha tarea.
Las principales soluciones de condensación se clasifican según el mecanismo que emplean. En los sistemas de refrigeración, el aire es el fluido de enfriamiento que, directa o indirectamente, se emplea para realizar el proceso y, a su vez, se combina con el uso de agua para obtener mayores beneficios energéticos. Así, los condensadores, enfriadores y gas coolers se pueden clasificar en secos, adiabáticos y húmedos (evaporativos).
En las Figuras 1 y 2 se aprecia, de lado izquierdo, la tecnología de condensación que opera únicamente con el aire impulsado por los ventiladores; en el extremo derecho, los condensadores evaporativos, los cuales funcionan simultáneamente con agua y aire para obtener el beneficio del efecto evaporativo que implica trabajar bajo condiciones de bulbo húmedo; y en medio se encuentra la tecnología adiabática, con la cual es posible establecer puntos de operación con aire, y emplear agua en función de su disponibilidad y de las condiciones atmosféricas.
¿Qué tecnología de condensación se debe usar para un sistema de refrigeración?
La respuesta se encuentra en el perfil climático de la zona de instalación, la disponibilidad de recursos hídricos y energéticos, y de espacio, entre otras variables que se mencionan a continuación.
Condensadores de NH3
Los sistemas de refrigeración con amoniaco a menudo utilizan condensadores evaporativos que garantizan presiones relativamente bajas que, a su vez, permiten mantener las eficiencias y dimensiones de los compresores en niveles razonables de tamaño, costo y beneficio frigorífico obtenido.
Un valor comúnmente empleado, en el que las temperaturas máximas ambientales lo permiten, es el de 35 °C de condensación. Si bien puede ser considerado un valor nominal, a menor condición de condensación, el costo energético por unidad de energía frigorífica producida es más bajo, por lo cual es importante conocer cuál es el límite inferior de temperatura de condensación admisible.
A pesar de que energéticamente es benéfico disminuir la presión de condensación, las condiciones de operación requeridas en los sistemas de amoniaco impiden que ésta baje demasiado por aspectos como la disponibilidad de gas caliente para deshielo, la presión necesaria para recorrer distancias de tubería importantes, o el acarreamiento de aceite desde el compresor, por mencionar algunos.
Un valor mínimo de temperatura de condensación tradicional recurrente oscila alrededor de 30 °C. Dicho esto, se puede concluir que los sistemas de refrigeración con NH3 deben operar, en la medida de lo posible, en estas condiciones.
Como parte de los criterios de diseño de los sistemas de refrigeración, las temperaturas críticas se toman a menudo como base, es decir, las máximas alcanzadas históricamente en la región de instalación. Esto implica que casi en ningún lugar de México sería posible diseñar bajo una temperatura de 30 °C de condensación para amoniaco o cualquier otro refrigerante si dependemos únicamente de la temperatura de bulbo seco del lugar.
Sin embargo, es importante tomar en cuenta que la temperatura máxima de la región de instalación es un valor puntual con periodos de ocurrencia muy cortos, es decir, las condiciones máximas de temperatura ambiente se alcanzan sólo en un bajo porcentaje del tiempo total anual. Por lo tanto, bajo este criterio de selección, los sistemas de refrigeración operan de forma subutilizada la mayor parte del tiempo.
El método sugerido para seleccionar una tecnología de refrigeración es mediante un análisis anual, es decir, simulando la operación del sistema bajo las distintas condiciones ambientales periódicas de la región en cuestión. En términos coloquiales, estar preparado para el peor de los casos puede ser eficaz; sin embargo, uno de los objetivos principales en el diseño de un sistema frigorífico es que sea, además, lo más eficiente posible.
Considerando un análisis anual, si se hace una revisión de la incidencia de temperaturas por año (Figura 3) se puede inferir que en estados como Hidalgo, México, Puebla, Ciudad de México, Querétaro, Tlaxcala y Guanajuato, se puede condensar amoniaco sólo con aire la mayor parte del año en el rango de los 30 °C; sin embargo, sigue siendo necesario que el sistema y la tecnología de rechazo de calor sean elegidos considerando el peor de los casos que, dependiendo de la tecnología, es la condición de temperatura más alta posible de la zona de instalación.
Lo anterior es una de las razones por la cuales los condensadores evaporativos tienen mayor auge con el uso de amoniaco, pues trabajar con temperaturas de bulbo húmedo implica desarrollar sistemas más efectivos en cuanto a costos de inversión inicial y consumo energético. Sin embargo, dicha tecnología depende del uso de agua para su operación, y es importante considerar que, en un país como México, las temperaturas de bulbo húmedo a menudo se encuentran en niveles demasiado bajos durante la mayor parte del año en las regiones más pobladas del país, lo cual sugiere que podría suspenderse el uso del agua.
Retomando la pregunta sobre qué tecnología de condensación se debe usar, la respuesta se encuentra en el perfil de incidencia de temperaturas por año, contemplando la temperatura de bulbo seco más crítica y la de bulbo húmedo, es decir, si la temperatura de bulbo seco es por sí misma lo suficientemente baja como para condensar sólo con aire, los condensadores enfriados por aire son la tecnología adecuada para esta región, sin perder de vista los costos de inversión inicial, la disponibilidad de espacio y de recursos energéticos versus la disponibilidad de agua, entre otros.
Por otra parte, si la temperatura de bulbo seco en los puntos críticos del verano supera los 28-29 °C, se debe contemplar el uso de agua como apoyo para mejorar el rendimiento de los sistemas. Sin embargo, a pesar de que los picos de temperatura de bulbo seco superan los 30 °C, en la mayoría del territorio mexicano las condiciones de humedad implican temperaturas de bulbo húmedo muy bajas.
Por ejemplo, si bien en la Ciudad de México las temperaturas máximas llegan a los 32 °C, los niveles de humedad son tan bajos que la temperatura de bulbo húmedo, según esta condición, se encuentra alrededor de los 12 °C; en otras palabras, en el día más caluroso de la ciudad, el bulbo húmedo es tan bajo como 12 °C, por lo que será incluso menor el resto del año.
De acuerdo con este criterio, el uso permanente de agua para evitar el incremento de temperaturas de condensación resulta un tanto excesivo, pues las temperaturas altas ocurren muy pocas horas al año y, al mismo tiempo, las temperaturas de bulbo húmedo son “más bajas de lo necesario” para obtener temperaturas de condensación de, por ejemplo, 30 °C. Esto sucede en gran parte del territorio mexicano, por lo que lo más recomendable es el uso de condensadores adiabáticos.
Esta última solución tiende a ser la más adecuada para el uso racional de los recursos energéticos e hídricos debido a que su versatilidad de operación en modo seco y húmedo permite dimensionar los sistemas de enfriamiento en función del recurso que economiza más convenientemente. Otra característica importante es que el mantenimiento resulta mínimo en comparación con los condensadores evaporativos.
El otro caso sería para las regiones donde el agua no es un recurso escaso y, al mismo tiempo, la temperatura de bulbo húmedo se mantiene en niveles elevados la mayor parte del tiempo, como las zonas costeras de Guerrero, Oaxaca, Yucatán, Quintana Roo, Tamaulipas, entre otros.
En estas regiones, si comparamos las tecnologías, los condensadores enfriados por aire implican presiones de condensación que requerirían compresores y consumos de energía demasiado grandes. Los condensadores adiabáticos tendrían que operar en modo húmedo gran parte del tiempo con consumos grandes de agua, pero sin obtener la totalidad del beneficio que implica humedecer directamente la tubería del intercambiador. Para estos casos, la tecnología adecuada puede ser el condensador evaporativo, mientras la disponibilidad de agua no sea una limitante.
Si bien la selección del condensador adecuado aparenta ser una tarea difícil, para simplificar el proceso, además de evaluar la incidencia anual de temperaturas, resulta conveniente elaborar una curva de optimización de recursos para cada región y cada microclima (Figura 4). Mientras que el análisis anual con la curva de incidencia de temperaturas (Figura 3) indicará los valores máximos y mínimos alcanzables de temperatura ambiente entre bulbo seco y bulbo húmedo, la curva de optimización indicará en qué condiciones es conveniente operar y con qué tecnología de rechazo de calor.
Curva de optimización de recursos
La curva expresa, de izquierda a derecha, el uso de tecnologías de rechazo de calor, desde seco, para la iteración 1, hasta condensador evaporativo, en la iteración 5. Las iteraciones 2 a 4 corresponden a condensadores adiabáticos con distintos periodos de operación húmeda para considerar tres puntos de variaciones de consumo energético versus consumo de agua.
Entiéndase por iteración la selección de compresores-condensadores de un sistema propuesto de refrigeración. El conjunto de curvas expresa la demanda de potencia de compresión versus el consumo de agua, y permite apreciar de forma visual el consumo de agua y energía en función del desempeño del sistema, contemplando las distintas tecnologías de rechazo de calor (Figura 4).
El punto de cruce entre ambas curvas equivale al conjunto de selección del compresor y de la tecnología de condensador con los cuales se obtienen el menor consumo energético al menor consumo de agua, y se puede identificar como punto óptimo de uso de recursos. Si bien la curva actual tiene el objetivo de optimizar los recursos, ésta estará sujeta a colocar, en los ejes verticales, parámetros distintos de mayor relevancia, basados en la disponibilidad de los recursos más importantes para cada caso, por ejemplo, costos de agua o de energía eléctrica.
Tecnología de rechazo de calor para sistemas con CO2
El dióxido de carbono es un refrigerante cuyos sistemas de refrigeración son altamente dependientes de lo que ocurre en el condensador para ciclos subcríticos, pero, más aún, del gas cooler para sistemas transcriticos, esto en términos tanto de control como de eficiencia y dimensionamiento del total de componentes. Se trata de un fluido discriminado por la zona geográfica, que a su vez se traduce en temperatura ambiente, establecido para México para operación subcrítica, es decir, sistemas tipo cascada o con CO2 como refrigerante secundario. Esto se debe a sus condiciones de presión elevadas y a su bajo punto crítico: 31.06 °C a 73.8 bar.
A diferencia de los demás refrigerantes, para sistemas que operan con CO2 como elemento primario, el control de la presión en el enfriador de fluido supercrítico (gas cooler) es dependiente del coeficiente de desempeño del sistema (COP). Es decir, mientras el resto de los refrigerantes dependen de la temperatura ambiente para asociar una presión de condensación, el CO2 supercrítico depende, además, de la obtención del valor de eficiencia máximo, pues en la fase supercrítica no existe una asociación directa de presión/temperatura.
Contrario a lo que ocurre con el amoniaco, los condensadores o enfriadores evaporativos no son tan viables para este refrigerante, puesto que sus temperaturas de descarga son demasiado elevadas y las implicaciones en la tasa de evaporación de agua y niveles de incrustación tendrían consecuencias negativas en términos de costos de operación y de mantenimiento en estos sistemas. Esto se debe a que el agua entra en contacto directo con el metal de la tubería.
Si se aplica la curva de optimización para este refrigerante (Figura 5), se encuentra que la tecnología adiabática permite aumentar la viabilidad de su uso, que actualmente compite con los sintéticos, o incluso con amoniaco, en zonas donde los riesgos por la toxicidad limitan el uso de este último.
Además, los enfriadores adiabáticos, al no tener agua en contacto directo con la tubería del intercambiador, evitan el problema de incrustación y, si bien puede llegar a ocurrir en los paneles evaporativos en función de la calidad del agua, basta con remplazarlos para recuperar la totalidad de eficiencia.
Un dato interesante es que, en el momento en que la operación del sistema de CO2 se vuelve subcrítica (iteración 3 a 5), los valores de eficiencia incrementan ampliamente, aumentando así la viabilidad del uso de este refrigerante natural y volviéndolo competitivo contra otras alternativas de mayor impacto ambiental o con riesgo sanitario.
La operación en modo subcrítico será posible en la mayoría de las zonas del país donde las temperaturas de bulbo seco asciendan hasta valores máximos de 35 °C o inclusive superior, quedando sujeta a la evaluación de que las condiciones de humedad permitan operar temperaturas de enfriamiento de CO2 del orden de 28 °C o menor, bajo operación húmeda en condensadores/enfriadores adiabáticos.
Para sistemas que operan con CO2 transcrítico, el objetivo será operar la mayor cantidad de horas posible en modo subcrítico para ahorrar energía.
Un diseño eficaz para cada clima
Las tecnologías de rechazo de calor deben ser elegidas tomando en consideración diferentes criterios, por lo que no es posible establecer cuál es la mejor en términos generales.
La evaluación microclimática basada en la incidencia de temperatura de la zona de instalación es de suma importancia para definir cuál es la mejor alternativa tecnológica para la condensación en un sistema de refrigeración.
Los condensadores enfriados por aire pueden ser utilizados para condensar amoniaco en zonas lo suficientemente frías. Para regiones ligeramente más cálidas, donde el bulbo seco no permite el enfriamiento sólo con aire y, a su vez, el bulbo húmedo es muy bajo, la mejor alternativa son los condensadores adiabáticos.
Similar al caso anterior, los intercambiadores enfriados por aire en sistemas de CO2 son una opción para operación en transcrítico en periodos cortos del año, y subcrítico la mayor parte, para zonas de temperatura ambiente baja como Toluca y Tlaxcala. Sin embargo, los condensadores adiabáticos permiten operar en subcrítico permanentemente en buena parte del territorio mexicano y reducir la operación transcrítica en zonas más cálidas. Los condensadores evaporativos son una opción poco viable en estos sistemas.
La selección de la tecnología de condensación correcta es un proceso iterativo y comparativo (curva de optimización de recursos) entre los desempeños de un sistema de enfriamiento bajo el uso de las distintas opciones existentes, tomando en consideración costos de instalación, operación y disponibilidad de recursos.
La tecnología adiabática tiende a sobresalir en la mayoría del territorio mexicano por su versatilidad de operación en modo seco o húmedo; además, es funcional para ahorrar agua y energía en sistemas de NH3, asi como para sistemas de CO2 transcríticos y subcríticos que dependen de la flotabilidad de la presión en función de la temperatura y eficiencia.
Los condensadores que dependen permanentemente de la operación seca o húmeda tienen aplicación limitada en términos energéticos y ecológicos, además de que son mayormente dependientes de las condiciones críticas atmosféricas del lugar de instalación. Según la región, esto puede implicar el dimensionamiento de sistemas de refrigeración que operan de forma subutilizada, lejos de su punto de eficiencia y del uso óptimo de recursos durante gran parte del tiempo.
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Raúl Alanis
Ingeniero mecánico egresado de la Universidad Autónoma Metropolitana, unidad Azcapotzalco. Trabajó como apoyo docente para el Departamento de Energía de esta institución durante sus últimos años de estudio. Actualmente, se desempeña como ingeniero de soporte técnico de ventas y aplicaciones en Güntner México, además de colaborar en actividades de desarrollo y normalización en materia de ahorro energético a nivel nacional.
