Miércoles, 21 Diciembre 2022 12:18

Instalaciones frigoríficas de baja potencia con refrigerantes sin halógenos

PRO37 Articulo 4 foto 0Todo el mundo habla de los refrigerantes naturales. Hace muchos años que todos los frigoríficos nuevos están cargados con ellos. Pero, ¿cómo está actualmente la técnica frigorífica estacionaria? ¿Cómo está la situación técnica y qué obstáculos tienen que superarse todavía? Un resumen del CO2 y el propano

 

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Desde hace algunos años, el refrigerante R744 (CO2) suele ser la solución preferida para las instalaciones frigoríficas centrales en el sector minorista de la alimentación, especialmente en Europa. Normalmente, se utilizan instalaciones de compresores compuestas con compresores alternativos semiherméticos. En las combinaciones de etapas de refrigeración normal y de congelación, esto suele dar lugar a potencias totales de refrigeración de 50 a 250 kW.

Las potencias son aún mayores, por ejemplo, en los mercados de cash & carry, en la logística refrigerada y también en otras áreas de aplicación comerciales e industriales. Normalmente, se utiliza al menos un compresor por etapa de presión, con un número de revoluciones variable. Cuanto mayor es la potencia frigorífica que se va a instalar, pueden y suelen realizarse más características técnicas diversas para mejorar la eficiencia energética del sistema. Entre ellas se encuentran, por ejemplo, la compresión paralela, la expansión multietapa, la recuperación de calor, el funcionamiento del eyector, los expansores, los evaporadores parcialmente inundados y el preenfriamiento adiabático del aire a la entrada del enfriador de gas, así como el subenfriamiento externo del líquido. 

En el rango de potencia inferior a 50 kW de potencia frigorífica, también se encuentran, cada vez más, instalaciones compuestas de R744 con pequeños compresores alternativos semiherméticos. Sin embargo, pueden surgir límites técnicos con respecto a la posibilidad de regulación cuando hay un requerimiento de carga parcial, teniendo en cuenta el funcionamiento subcrítico y transcrítico.

ALTERNATIVAS EN LA BAJA POTENCIA

Para explotar también la gama de baja potencia hasta el límite inferior de unos 2 kW de potencia frigorífica con R744, la empresa Rivacold inició hace unos años el desarrollo, la producción y comercialización de instalaciones frigoríficas compactas de R744 de baja potencia. Actualmente ya existe una amplia gama de experiencias de aplicación. Las instalaciones frigoríficas compactas de R744 de baja potencia no son totalmente comparables con las instalaciones compuestas de R744 de mayor potencia en cuanto al diseño, la planificación de proyectos y el funcionamiento. Por lo tanto, cualquier experiencia obtenida hasta ahora en la gama de mayor potencia no es necesariamente transferible en su totalidad. Esto hace que, a menudo, se subestimen los requisitos de planificación, montaje y funcionamiento en el rango de baja potencia y, como consecuencia, las instalaciones no funcionen óptimamente.

Paralelamente, se está produciendo un creciente desarrollo del mercado con instalaciones y equipos de R290. 

El propano (R290) es una alternativa, técnica y económicamente, muy interesante a los refrigerantes HFC y también al R744 por varias razones, especialmente para las bajas potencias.

SERIES ESTÁNDAR PARA R744 Y R290

Además de un gran número de diseños personalizados para proyectos y clientes para sistemas refrigerados por agua y aire, Rivacold ofrece una amplia gama de productos estándar, desde equipos frigoríficos compactos “enchufables”, hasta instalaciones compuestas de compresores con una potencia frigorífica de varios cientos de kilovatios. A continuación, solo se examinarán con más detalle algunos ejemplos seleccionados de series estándar refrigeradas por aire, en primer lugar, porque son las plataformas para las soluciones personalizadas y, en segundo lugar, porque la gran mayoría de los equipos y sistemas están refrigerados por aire. No se efectuará aquí una visión general completa de todas las series estándar ni se darán ejemplos de series de aparatos personalizados.

· Equipos frigoríficos compactos de r290

Los equipos compactos de la serie BEST están optimizadas para refrigerar cámaras frigoríficas para productos frescos o congelados. Con criterios de selección normales, usando un equipo individual pueden refrigerarse cámaras frigoríficas de productos frescos de 5,5 a 124 m3 o de congelados de 3 a 60 m3 de volumen. El trabajo de instalación y el tiempo de puesta en servicio se han reducido a un mínimo. Un gran número de mejoras de diseño en el desarrollo de estos nuevos equipos y en combinación con el refrigerante R290 dan como resultado una alta eficiencia energética, un gran respeto por el medio ambiente (alto TEWI) y una muy buena rentabilidad. Por medio de la regulación integrada puede comunicarse, por ejemplo, a través de Bluetooth y de una aplicación para smartphones, o bien se pueden conectar en paralelo hasta 10 equipos, de la misma o distinta potencia, en la función maestro-esclavo. Las potencias frigoríficas realizables de los diferentes equipos para refrigeración normal se muestran en la Tabla 1. Con el número máximo de diez equipos conectados en paralelo, se puede alcanzar teóricamente una potencia frigorífica de hasta 31,9 kW. Sin embargo, esto es inusual, ya que hay muy buenas alternativas en este rango de potencia, con instalaciones compuestas de compresores centralizados y similares.

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Los sistemas frigoríficos de R290 con evaporación indirecta, es decir, con un circuito secundario, ofrecen un enfoque de solución interesante para aplicaciones con condiciones de instalación críticas y/o potencias frigoríficas mayores. Los nuevos chillers, como la serie CHAMP, que está equipada con componentes altamente eficientes, un diseño óptimo y regulación digital, además de la opción de acceso remoto integrada, permiten unos costes de funcionamiento e instalación, en las aplicaciones prácticas, que pueden competir fácilmente con todos los demás sistemas, y esto en el rango de potencia más baja para los chillers típicos. El control y la regulación integrados permiten un funcionamiento paralelo con la función maestro/esclavo de hasta cuatro equipos. De este modo puede obtenerse una potencia frigorífica total del sistema de unos 70 kW. Además, existen módulos hidráulicos adaptados en consecuencia, adicionales, para todas las etapas de potencia y el control/ la regulación correspondiente.

 

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· Unidades de condensación de r744 de baja potencia

 

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Todos los equipos de las series MHX y MH2X (Tablas 3.1 y 3.2) están equipados con un regulador integrado que regula el (los) compresor(es), la válvula de regulación de alta presión y la válvula de derivación de gas. En combinación con la regulación de las revoluciones del ventilador del condensador/enfriador de gas, la regulación de las revoluciones del compresor, el uso de componentes de alta calidad y energéticamente eficientes, así como el diseño del sistema con cabezal de presión media, expansión en dos etapas e IWT (líquido/gas de aspiración), se logra un funcionamiento eficiente y seguro de la instalación. La serie MH2X dispone de una función de recuperación de calor como un kit de accesorios que mejora la eficiencia. Con un sistema de preenfriamiento adiabático del aire del enfriador de gas diseñado individualmente, el factor de rendimiento anual (JAZ, SCOP, SEPR, etc.) puede mejorarse aún más, de forma significativa. El regulador utilizado puede realizar esta función por defecto. Sin embargo, actualmente Rivacold no dispone de enfriamiento evaporativo como accesorio. Sin embargo, la situación es diferente en el caso de las grandes instalaciones compuestas de compresores. 

 

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Las instalaciones de refuerzo de R744 compactas para refrigeración normal y congelación pueden servir sólo para la refrigeración normal, sólo para congelación o para ambos, “en paralelo”, según sea necesario. Los datos de potencia frigorífica de la tabla 4 se refieren al rango de potencia frigorífica regulable respectiva si solo se requiere el nivel de temperatura correspondiente. 

En el funcionamiento combinado, la etapa de refrigeración normal debe disipar la carga térmica de la etapa de congelación, de modo que los consumidores de refrigeración normal sólo dispongan de una potencia de refrigeración reducida, lo que es habitual en los sistemas de refuerzo.

Opcionalmente, hay disponibles los acabados/complementos siguientes: Carcasa de chapa (carcasa resistente a la intemperie), aislamiento acústico adicional, refrigeradores de gas apropiados de la serie RRCX con motores de ventilador CE. 

· Instalaciones compuestas de compresores compactas de potencia media - 

· Instalaciones compuestas de compresores de alta potencia 

 

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La serie TS (Figura 5 y Tabla 5.1) permite una transición perfecta de una potencia de sistema pequeña a una grande, para la refrigeración normal con R744. La expansión de dos etapas con colector de media presión y la válvula de derivación de gas son estándar. 

 

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Hay disponibles varios accesorios y opciones de diseño, por ejemplo, carcasa de protección contra la intemperie, aislamiento acústico adicional, recuperación de calor, refrigerador de gas independiente, refrigeración de parada y “paquetes de seguridad”. Pueden realizarse adaptaciones específicas para el proyecto y el cliente, de muchas formas.

 

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La serie TB (Tabla 5.2) es la de mayor potencia de las unidades compuestas estándar para R744. Además de las opciones y accesorios ya descritos, hay opciones de acabado complementarias como el preenfriamiento adiabático (para el aire de refrigeración del enfriador de gas), la compresión paralela y el funcionamiento del eyector. 

En el rango de potencia por encima de las instalaciones compuestas enumeradas, solo se ofrecen soluciones personalizadas. Prácticamente, no existen límites de potencia.

Para el funcionamiento del convertidor de frecuencia, se ha asumido como norma general un rango de revoluciones de 30 a 60 Hz. Según la aplicación, el sistema, el tipo de compresor y la marca, los límites de revoluciones pueden restringirse o ampliarse.

CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN DE SISTEMAS Y EQUIPOS

Los criterios fundamentales para la selección de sistemas y equipos se derivan del lugar de instalación y el espacio necesario, los aspectos de seguridad, la eficiencia energética, la relevancia medioambiental y la rentabilidad.

Si en los sistemas de evaporación directa no debe o puede utilizarse ningún refrigerante del grupo de seguridad A3 (p. ej., R290), un sistema indirecto puede ser una buena solución. Para las potencias más bajas, el uso de equipos R290 compactos es la mejor opción desde el punto de vista de la relevancia medioambiental y la economía. En cambio, para requisitos de seguridad difíciles, una instalación pequeña de R744 puede ser la solución con refrigerantes sin halógenos. Cuanto mayor sea la potencia requerida, más interesante resulta el R744.

Experiencias prácticas hasta ahora 

Los equipos de R744 y las instalaciones de baja potencia son más costosos en términos de planificación, mantenimiento y asistencia técnica en comparación con las aplicaciones con refrigerantes convencionales. Esto puede mejorar en los próximos años con la creciente difusión, el aumento de los conocimientos técnicos y una mayor experiencia con el R744. Sin embargo, está surgiendo una fuerte competencia con los equipos de R290, que suelen tener un diseño más sencillo y son más fáciles de poner en marcha. Las normas y los reglamentos avanzan hacia mayores volúmenes de carga de refrigerante y, por tanto, potencias mayores, lo que favorece esta evolución.

En resumen, los equipos pequeños compactos de R290 son muy rentables y los sistemas indirectos de R290 son buenas soluciones, tanto técnica como económicamente. La sustitución de los HFC por soluciones de R290 y/o R744 ya es técnicamente posible en casi todas partes, pero puede ser comparativamente compleja y costosa en función de los requisitos específicos del proyecto. 

Especialmente en el caso de las instalaciones de R744 de baja potencia, suele apreciarse, en un primer momento, una relación coste/beneficio muy desfavorable. Sin embargo, las instalaciones de R744 tienen el potencial “natural” de seguir funcionando, incluso en condiciones climáticas extremas de verano, es decir, con temperaturas exteriores muy altas. 

Sin embargo, esta posibilidad debe aprovecharse normalmente, mediante una parametrización adecuada del regulador. He aquí un ejemplo: 

El condensador refrigerado por aire de una instalación frigorífica está diseñado para una diferencia de temperatura específica. En los sistemas con HFC o también con R290, la alta presión aumentará durante el funcionamiento a medida que aumente la temperatura de entrada del aire. En algún momento, la instalación y/o el compresor alcanzan sus límites de funcionamiento y la instalación se desconecta por medio de la cadena de seguridad. Una contramedida es la “supervisión activa de los límites de funcionamiento del compresor”, que debe provocar el desprendimiento de la carga (=> funcionamiento a carga parcial del compresor) antes de la desconexión por medio de la cadena de seguridad. En este caso, la instalación sigue funcionando con una potencia reducida (aunque la demanda sea mayor), ya que la diferencia de temperatura desciende debido a la menor carga del condensador y, por lo tanto, es posible disponer de cierto grado de “margen de maniobra hacia arriba”. Sin embargo, esto no es posible para los equipos pequeños con un compresor no regulado.

Particularidades de las instalaciones pequeñas de R744

En las instalaciones R744 la situación es diferente. Incluso las instalaciones pequeñas de R744 están equipadas con un compresor de potencia regulada. Además, están en funcionamiento transcrítico en verano y ya no dependen de la curva de presión del vapor. El regulador de la instalación de los equipos controla la válvula de regulación de alta presión según un algoritmo que ajusta la alta presión óptima en cada caso en función de la temperatura de entrada del aire o de la temperatura de salida del refrigerador de gas. Sin embargo, esto puede llevar a que se alcancen aquí también las presiones de diseño ajustadas y/o los ajustes de la cadena de seguridad y se produzca una desconexión de seguridad por alta presión. Aquí es exactamente donde puede intervenir una estrategia de regulación modificada. Por encima de un valor de alta presión que se puede ajustar, la función “alta presión óptima” se puede desactivar y seguirse una limitación de presión. 

En muchos casos, esto puede lograrse ajustando los parámetros del regulador en consecuencia, pero en algunos casos deben modificarse otros ajustes (p. ej., la cadena de seguridad, el número de revoluciones máx. del compresor). 

En la práctica, de vez en cuando hay un malentendido respecto a los límites de temperatura establecidos: Por regla general, las instalaciones frigoríficas se diseñan para una temperatura ambiente máxima específica y se documentan en consecuencia. Para las instalaciones refrigeradas por aire, esto equivale a la temperatura de entrada del aire en el condensador/ enfriador de gas. Sin embargo, si un equipo se coloca bajo la luz solar directa, se produce un calentamiento adicional y los valores límite para un funcionamiento sin problemas se superan inevitablemente antes. 

Debido al aumento de los fenómenos meteorológicos extremos provocados por el cambio climático, esto también puede provocar problemas en zonas de clima moderado como Alemania, que antes sólo se conocían en el sur de Europa y otras zonas de clima cálido. En este caso, se puede aprender de la experiencia adquirida en las zonas de clima cálido y planificar los equipos/ las instalaciones de manera que, p. ej. se instalen a la sombra de los edificios o, si es necesario, se sombreen con medidas estructurales adicionales.

Perspectiva

En la planificación, construcción, puesta en marcha y el posterior servicio, los requisitos de cualificación de los especialistas están aumentando debido al mayor uso de refrigerantes naturales. También mediante el aumento de la digitalización, que puede ser al mismo tiempo parte de la solución. Por lo tanto, hay que seguir optimizando y ampliando los desarrollos de equipos y cualificaciones para el R290 y el R744. Debido a las importantes restricciones en la disponibilidad y las prohibiciones en el uso de refrigerantes sintéticos, el cambio ya está en marcha desde hace varios años y continuará, incluso sin un mayor endurecimiento de la normativa legal. 

 

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