En el último año se ha experimentado en Europa una escasez de refrigerantes HFC y HFO debido a la reducción marcada por el Reglamento Europeo, además en España el IGFEI ha acelerado la búsqueda de soluciones que utilicen refrigerantes naturales y con bajo GWP. 

Dentro de las diferentes opciones, está la utilización del CO₂ en fase transcrítica, aunque la eficiencia de este tipo de instalaciones en climas cálidos es inferior.

El conocimiento y optimización de este tipo de soluciones es clave para su eficiencia energética y reducción de la huella de carbono.

CALCULO TEÓRICO DE LA PRESIÓN OPTIMA EN CICLO SUBCRÍTICO Y TRANSCRÍTICO

La presión de alta es una de las variables más significativas en cuanto a la eficiencia de funcionamiento de una instalación frigorífica. En régimen subcrítico la presión deseada es la mínima posible en función de la temperatura ambiente, esto es común para todos los refrigerantes, por el contrario, en fase transcrítica, diversos estudios han determinado que la presión de trabajo por encima del punto crítico debe ser controlada para garantizar un COP óptimo.

Esta consigna de presión es controlada mediante la válvula de control de alta presión o Back-Pressure, El mecanismo de regulación de la presión es la acumulación de una parte de la masa en enfriador/condensador y la parte sobrante en el depósito intermedio.

La consigna de control para los ventiladores es flotante con la temperatura externa, de modo que los ventiladores intentan mantener un salto de temperatura entre el aire exterior y la temperatura de salida del refrigerante. Es una regulación por temperatura, no por presión.

La presión en el enfriador de gas es controlada por la válvula de alta presión. La consigna es variable en función de la temperatura de salida. El porcentaje de apertura de la válvula de alta presión, varia el caudal y por consiguiente la temperatura de salida. Esta realimentación hace complicada la regulación del sistema. 

En este tipo de plantas, la regulación de cada una de las partes del sistema influye en gran medida en el resto de los elementos de la planta. Es decir, una regulación inestable de los ventiladores del enfriador de gas repercute en la regulación de la válvula de alta presión, esta a su vez repercute en la regulación de la válvula de flas-gas y finalmente en el funcionamiento de los compresores. 

Por tanto, es muy importante que los diferentes elementos del sistema funcionen de un modo estable para evitar oscilaciones. Este tipo de oscilaciones son debidas además de la estrategia de control convencional utilizada.

Este diseño permite adaptarse a las condiciones externas de funcionamiento y funcionar con diferente carga total de refrigerante, además, es posible optimizar su funcionamiento gracias a la utilización de válvulas de control a la salida del enfriador de gas y entre el recipiente y la aspiración de los compresores de media temperatura.

Enfriador de Gas

En un sistema booster Transcritico convencional, la consigna de enfriador de gas se calcula en función de la temperatura exterior. Es decir, una consigna flotante tal y como se puede ver en la siguiente imagen.

Habitualmente por debajo de una temperatura exterior de 5ºC se mantiene una consigna mínima de 8ºC para evitar problemas de lubricación de los compresores. Para temperaturas exteriores se puede optar por un funcionamiento continuo de los ventiladores o mantener la consigna flotante.

La diferencia de temperatura entre la temperatura exterior y la temperatura de salida del enfriador de gas es habitualmente muy pequeña debido a la alta eficiencia del gas cooler.

La velocidad de funcionamiento de los ventiladores está determinada por la temperatura de salida del enfriador de gas, a diferencia de un sistema convencional donde la regulación se realiza por presión.

A continuación, se muestra una simulación del funcionamiento del enfriador de gas, el funcionamiento de los ventiladores está determinado por la temperatura de salida y el set flotante calculado con la temperatura exterior.

Consigna de alta presión

En el ciclo subcrítico, como mencionaba anteriormente, lo deseable es reducir la presión, lo que permite aumentar la energía en el evaporador y reducir el trabajo de compresión y por tanto, aumentar el rendimiento del sistema.

A diferencia de otros sistemas, en este tipo de plantas la regulación de la alta presión se realiza mediante una válvula mecánica que permite aumentar y disminuir la presión en el enfriador de gas al variar la masa de refrigerante.

La consigna de regulación de esta válvula está determinada por la temperatura de salida del enfriador de gas, el objetivo en este tipo de estrategia es la de garantizar un subenfriamiento mínimo en el enfriador de gas. Para una temperatura de salida de enfriador de gas dada, se calcula una presión que garantice un subenfriamiento determinado, típicamente entre 3ºC y 6 ºC.

En el ciclo Transcrítico, no hay correlación entre la presión y la temperatura, porque no hay una relación única entre la temperatura y la presión por encima del punto crítico (31ºC).

Esto significa que el sistema puede operar a diferentes valores de alta presión, y esto lo determina la estrategia de control. 

Habitualmente el dispositivo de control fija la presión para que el ciclo funcione en óptimas condiciones y así obtener la mejor COP. El COP se define como la cantidad de energía útil dividida por la cantidad de energía de entrada.

Si el sistema trabaja a diferentes presiones de alta para una misma temperatura de salida del enfriador de gas T_GC , tanto Q_e y W varían y por tanto el COP. La expresión para determinar el Coeficiente de rendimiento COP es la siguiente:

Por ejemplo, para una temperatura de salida del enfriador de gas de T_GC=35ºC y una presión de 80 Bar estaríamos trabajando en las condiciones mostradas con líneas azules.  Para la misma temperatura de salida del enfriador de gas, T_GC=35ºC y una presión de 100 Bar mostrado en amarillo.

Finalmente, con temperatura de salida del enfriador de gas de T_GC=35ºC y una presión optima de 89 Bar la situación en verde.

Se puede observar en la imagen anterior que las isotermas tienen una forma bastante horizontal en la zona del punto crítico para posteriormente convertirse en casi verticales, lo que curiosamente obliga a utilizar presiones más altas para obtener mayor COP.

Si analizamos la energía útil en el evaporador y la energía utilizada en la compresión podemos ver que conforme aumentamos la presión aumenta el COP :

Existen múltiples expresiones para el cálculo de la presión óptima para un COP máximo, algunas incluyen la temperatura de evaporación además de la temperatura de salida del enfriador de gas.

A continuación, se puede observar la curva desarrollada para el cálculo de la presión óptima para un COP máximo.

ANALISIS DE FUNCIONAMIENTO INSTALACION REAL

Para el desarrollo del presente estudio se han realizado pruebas de funcionamiento en un laboratorio de pruebas ubicado en Valencia. Para ello se ha utilizado una central frigorífica con 2 compresores para media temperatura y un compresor para baja temperatura.

La regulación de la central frigorífica esta controlada por una centralita EWCM 900 PRO HF.

Se han preparado 3 muebles frigoríficos de alta temperatura y uno de baja temperatura y se han ubicado en una cámara con temperatura y humedad controlada.

Lo que se observa en condiciones reales de funcionamiento es que la temperatura de salida del enfriador de gas varia constantemente.

Conforme la temperatura de salida desciende, la consigna de presión disminuye y la válvula de alta presión abre. Esto genera un mayor paso de refrigerante lo que implica un aumento de la temperatura. Al aumentar la temperatura de salida se incrementa el set de alta presión y volvemos a la situación inicial. Estas fluctuaciones, a su vez, generan fluctuaciones en la válvula de alta presión, la cual lo transmite a su vez a la válvula de vapor del recipiente. 

Esto nuevamente se transmite a los compresores que lo repercuten al enfriador de gas donde vuelve a comenzar el ciclo de inestabilidad.

En la imagen siguiente podemos observar el efecto mencionado, el set de alta presión (amarillo) sigue a la temperatura de salida del enfriador de gas (azul). La presión en el enfriador (gris) sigue al set de regulación.

Durante este periodo el funcionamiento los ventiladores del enfriador de gas estuvieron casi todo el tiempo al 100% y la potencia total de compresión se mantuvo igualmente muy estable.

MEJORAS EN LA REGULACION

Se han realizado analizado diversas opciones para optimizar la regulación y evitar oscilaciones en el funcionamiento del sistema. La intención es mantener más estable el set de alta presión y por consiguiente mayor estabilidad en la regulación de los compresores. Aunque esto implique aumentar ligeramente la consigna respecto al valor instantáneo calculado con la temperatura de salida del enfriador de gas.

No obstante, hay que recalcar que la temperatura de salida del enfriador de gas es un valor importante para tener en cuenta, dado que, en el supuesto de tener alguna avería en los ventiladores o suciedad en la batería, podríamos estar trabajando a la derecha de la campana del diagrama presión entalpia y por consiguiente trabajando con un rendimiento muy bajo. 

Por ello se ha realizado un algoritmo que constantemente analiza en funcionamiento de los ventiladores, la temperatura de salida del enfriador de gas y el subenfriamiento para garantizar trabajar a la izquierda de la campana. 

Para las pruebas se ha implementado un mecanismo configurado en un sistema de supervisión TelevisGO que permite registrar los datos de funcionamiento del sistema cada minuto y además cambiar el modo de funcionamiento de la maquina cada 2 horas, de este modo es posible ver el efecto en la regulación.

En la siguiente imagen se puede observar en azul el set de alta presión calculado y en amarillo la temperatura exterior. Es un periodo de un día completo durante el cual la maquina trabaja en modo subcrítico y transcritico.

El set oscila más cuando está calculado con la temperatura de salida, por el contrario, con la temperatura exterior se obtiene una estabilidad en la presión de alta, en el recipiente y por consiguiente en la de aspiración (gris).

Al estabilizarse la presión de alta, la válvula de alta presión se comporta de una forma más estable, lo que implica una estabilidad de presión en el recipiente y por consiguiente en la presión de aspiración.

En la siguiente imagen se puede observar en azul el set de alta presión calculado y en marrón la temperatura de salida del gas cooler. Se puede observar que cuando el set está calculado con la temperatura de salida del gas cooler, esta temperatura oscila más.

CONCLUSIONES

Los sistemas con cálculo del set de alta presión basados en la temperatura de salida del gascooler son susceptibles de tener un comportamiento oscilante que se transmite desde la válvula de alta presión al recipiente, desde el recipiente a los compresores, de los compresores al gascooler y de ahí de nuevo a la válvula de alta presión.

Un modelo matemático del sistema completo permite obtener una visión de conjunto y establecer estrategia de control optimizadas aportando estabilidad en la regulación de la alta presión, bien sea en Subcrítico como en Transcritico. los sistemas que utilizan el modelo matemático para el control de recalentamiento permiten que la presión de evaporación sea más estable.

Ese aumento de la estabilidad implica, por tanto, reducción del número de ciclos de arranque-paro de los compresores, que evidencia un beneficio a nivel de mantenimiento, aumentando el ciclo de vida de los compresores, reduciendo el coste de gestión de la instalación.

Así mismo, se obtiene estabilidad de la temperatura de cada mueble frigorífico, debido a que el valor del recalentamiento es más estable, obtenido con válvulas electrónicas de pulsos (mayor velocidad en la respuesta).

REFERENCIAS

• Impuesto sobre los gases fluorados de efecto invernadero. Ley 16/2013 de 29 de octubre y Real Decreto 1042/2013, de 27 de diciembre.

• Reglamento (UE) No 517/2014 del Parlamento Europeo y del Consejo de 16 de abril de 2014 sobre los gases fluorados de efecto invernadero.