Technical Papers. 37th Annual Meeting. International Institute of Ammonia Refrigeration. March 22 25, 2015

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1 Technical Papers 37th Annual Meeting International Institute of Ammonia Refrigeration March 22 25, Industrial Refrigeration Conference & Exhibition San Diego, California

2 ACKNOWLEDGEMENT The success of the 37th Annual Meeting of the International Institute of Ammonia Refrigeration is due to the quality of the technical papers in this volume and the labor of its authors. IIAR expresses its deep appreciation to the authors, reviewers and editors for their contributions to the ammonia refrigeration industry. ABOUT THIS VOLUME IIAR Technical Papers are subjected to rigorous technical peer review. The views expressed in the papers in this volume are those of the authors, not the International Institute of Ammonia Refrigeration. They are not official positions of the Institute and are not officially endorsed. International Institute of Ammonia Refrigeration 1001 North Fairfax Street Suite 503 Alexandria, VA (voice) (fax) Industrial Refrigeration Conference & Exhibition San Diego, California

3 International Technical Paper #6 Condensadores híbridos y sus ventajas en sistemas de amoníaco Raul Perea ALFRIO Bogotá, Colombia/Miami, Florida Resumen Los costos de agua y energía eléctrica afectan la operación y el diseño de un sistema de refrigeración con amoníaco. Los condensadores enfriados por aire consumen más energía que los condensadores evaporativos, pero también incrementan el consumo del compresor al tener mayor presión de condensación. Sin embargo, aunque los condensadores evaporativos ahorran energía, también consumen agua. Cuando los costos del agua son altos, la solución de un condensador híbrido, enfriado por agua en horas de altas temperaturas y enfriado por aire en horas de bajas temperaturas, puede ser una solución viable. Este trabajo analiza y compara los consumos de 3 sistemas de refrigeración, uno con cada tipo de condensador, usando Bogotá, Colombia como ejemplo para calcular los consumos eléctricos y de agua en cada hora de un año ejemplo basado en la temperatura ambiente de cada hora. En el caso Bogotá, por sus altos costos de agua, y por sus temperaturas ambiente, la opción del condensador híbrido resulta ser la mejor, aunque el retorno de inversión comparado al evaporativo es de 8-10 años. Este retorno se reduce a la mitad cuando el costo del agua incrementa 10%. En el futuro, el costo del agua seguirá incrementando en muchas ciudades y el análisis de Bogotá se podrá aplicar más y más. IIAR

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5 Condensadores híbridos y sus ventajas en sistemas de amoníaco Introducción Es relevante resaltar la importancia del tipo de condensador y la temperatura de condensación sobre el consumo total de energía eléctrica en un sistema de refrigeración de amoníaco. La temperatura de succión/evaporación es determinada por la necesidad del producto que se va a enfriar o congelar, pero la temperatura/ presión de descarga o condensación depende del ambiente específico de cada lugar, así como del criterio del ingeniero diseñador de acuerdo al condensador que seleccione. Para ilustrar el tema, un compresor de tornillo de determinado modelo con presión de succión/evaporación de -10 C (14 F), al aumentar la temperatura de descarga, tiene los siguientes consumos eléctricos al eje, BHP (brake horse power) con los demás factores iguales. Temperatura de Condensación Consumo Eléctrico Capacidad Frigorifica C F BHP kw Ton. Ref. kw Ref Table 1. International Technical Paper #6 IIAR

6 2015 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, San Diego, CA Figure 1. Consumo eléctrico y capacidad en diferentes temperaturas de condensación Esta tabla y gráfica muestran que el ascenso en los consumos de energía es proporcional al incremento de la temperatura de condensación, al igual que el descenso de la capacidad frigorífica. Comparando entre dos temperaturas de condensación, una a 30 C (86 F) y la otra a 38 C (100 F), el consumo eléctrico aumenta 17% y la capacidad disminuye 5%. Las condiciones ambientales de temperatura del bulbo húmedo, y temperatura de bulbo seco, nos ponen el límite de hasta dónde puede descender la presión de descarga, pero el tipo de condensador y el diferencial de temperaturas de diseño resulta en un mayor o menor consumo de energía. Condensadores híbridos adiabáticos como alternativa Los condensadores híbridos adiabáticos (referidos simplemente como híbridos en este trabajo) son condensadores que están compuestos de los siguientes componentes: (1) intercambiador(es) de calor de serpentín aleteado, (2) ventilador(es) para forzar 4 IIAR 2015 International Technical Paper #6

7 Condensadores híbridos y sus ventajas en sistemas de amoníaco el aire a través del intercambiador, y (3) la cámara adiabática en la que se esparce agua en una superficie húmeda (filtro húmedo) o solamente aspersores de agua en la entrada del aire antes que éste pase por el serpentín. Por lo general los serpentines aleteados se ordenan en forma de V. Figura 2. Condensador Hibrido Los filtros humidificadores de aire aseguran una alta humedad, descendiendo al mismo tiempo la temperatura del aire que llega al serpentín para el intercambio de calor. En otras palabras, en un condensador enfriado por aire, el aire entra a temperatura de bulbo seco; pero al adicionarse la cámara adiabática, el aire ingresa a una temperatura cercana del bulbo húmedo. El sistema híbrido se activa automáticamente para pre-enfriar el aire que ingresa cuando la temperatura del bulbo seco sube por encima del punto escogido. International Technical Paper #6 IIAR

8 2015 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, San Diego, CA Figura 3. Las tuberías del serpentín generalmente son de acero inoxidable y las aletas son de aluminio/magnesio para obtener mínima corrosión. El refrigerante en estado vapor pasa a través del serpentín aleteado, o en la combinación de serpentín aleteado y no aleteado, para así ser condensado y pasa a fase líquida. Con el serpentín aleteado se obtiene más superficie de intercambio de calor, haciéndose posible operar a temperaturas de bulbo seco hasta de 20 C (68 F) sin necesidad de agua. Por lo general, los condensadores híbridos tienen ventiladores axiales de velocidad variable. También pueden ser de tipo EC (electronic controller). Los condensadores híbridos tienen un panel de control con sensores de temperatura y presión. 6 IIAR 2015 International Technical Paper #6

9 Condensadores híbridos y sus ventajas en sistemas de amoníaco Hay varias versiones de condensadores híbridos adiabáticos: 1. Con boquillas aspersoras colocadas al frente de los serpentines, generando niebla, sin bandeja para recoger sobrantes de agua ni tanque de recirculación. 2. Con paneles húmedos verticales, que tienen riego de agua, y donde el sobrante de agua va a un tanque y luego se recicla con la ayuda de una pequeña bomba. 3. Con boquillas aspersoras y cámara adiabática con filtros húmedos donde se acondiciona el aire; sin tanque, pero con bandeja para recoger el goteo eventual. El aire llega al serpentín a una temperatura cerca al bulbo húmedo, sin gotas. Cuando se utiliza aire a temperatura de bulbo seco por debajo de los 20 C (68 F), se tiene la ventaja de poder ahorrar agua. A esta temperatura se puede desalojar el calor al aire ambiente eficientemente sin necesidad de usar agua. En sitios donde las temperaturas lo permiten, se puede implementar un sistema de control donde, por ejemplo, solo durante el día cuando la temperatura de bulbo seco aumenta por encima de 20 C (68 F) se suministra agua a la sección húmeda. En esta forma, el condensador híbrido se comporta de manera similar a un condensador evaporativo, operando con una temperatura de bulbo húmedo más 1 a 2 C (~2 a 4 F) por encima de la temperatura de saturación. Ventajas del Condensador Híbrido Comparado al Condensador por Aire: 1. Similar a un condensador evaporativo, el aire que entra al condensador híbrido es de 5 a 12 C (9 a 22 F) más frío que el que le llega al condensador por aire (bulbo seco) en las horas de calor, disminuyendo la presión de descarga en el compresor al igual que el consumo eléctrico del compresor. 2. El condensador híbrido tiene menor superficie de transferencia que el condensador de aire standard. International Technical Paper #6 IIAR

10 2015 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, San Diego, CA Ventajas del Condensador Híbrido Comparado al Condensador Evaporativo: 1. El agua utilizada, al evaporarse, deposita carbonatos, sales, y otras impurezas directamente en el filtro húmedo que se puede cambiar fácilmente a bajo costo; a diferencia de un condensador evaporativo, donde los carbonatos se acumulan en la tubería de transferencia y en el tanque de agua, generando disminución de eficiencia y mucho mantenimiento para el lavado del tanque. 2. El condensador híbrido no necesita tanque de agua, ni bomba de recirculación. Se puede alimentar con la presión de entrada del agua y deja entrar solo la cantidad de agua que se evapora durante las horas más calurosas del día. 3. No se presenta contaminación del agua por bacterias, como la legionela. De este modo se elimina un riesgo para la salud de trabajadores y transeúntes. 4. El serpentín aleteado de intercambio de calor se mantiene seco y limpio, y es más eficiente 5. El consumo aproximado de agua es de 1.5 litros/min (0.4 gpm), por cada ventilador de 23,000 m 3 /hora. 6. No se usan químicos para tratar el agua, así se tiene respeto por el medio ambiente y se reducen los costos de operación. Comparación del consumo eléctrico de los condensadores Como ejemplo, se selecciona un condensador de cada tipo para desalojar 5,100 MBH (mil BTU por hora): Condensador Enfriado por Aire: requiere 20 ventiladores de tipo axial, cada uno con una potencia de 3 HP (2.2 kw) para un total de 60 HP (45 kw). Condensador Evaporativo: requiere un ventilador de tipo axial de 20 HP (15 kw) y bomba de agua de 5 HP (3.7 kw) para un total de 25 HP (19 kw). Si el ventilador es de tipo centrífugo para reducir el nivel de ruido, el consumo eléctrico se eleva aproximadamente al doble. 8 IIAR 2015 International Technical Paper #6

11 Condensadores híbridos y sus ventajas en sistemas de amoníaco Condensador Híbrido: requiere 14 ventiladores de tipo axial para un total de 40 HP (29.8 kw), todos con motores de velocidad variable. El condensador híbrido no requiere bomba de recirculación. Condensador enfriado por aire Condensador evaporativo Condensador híbrido Bomba de agua 5 HP (4 kw) Ventiladores 60 HP (45 kw) 20 HP (15 kw) 40 HP (30 kw) Total 60 HP (45 kw) 25 HP (19 kw) 40 HP (30 kw) Tabla 2. Comparación del consumo de energía En este caso, el condensador híbrido consume casi dos veces más energía que el condensador evaporativo, pero el análisis debe incluir también el costo del agua y el consumo energético de los compresores. Otras Consideraciones: El condensador híbrido necesita de 10 a 15% menos superficie de transferencia y necesita menor volumen de aire, cuando utiliza agua. El costo del condensador híbrido, sin instalación, es de un 10 al 15% más que el condensador enfriado por aire. Comparación de los costos operacionales de tres sistemas en Bogotá, Colombia (estimado) En este caso, se comparan los costos operacionales (consumo eléctrico y consumo de agua) de tres sistemas en Bogotá, uno con condensador enfriado por aire, uno con condensador evaporativo, y uno con condensador híbrido. Se supone que los condensadores trabajan con una carga del 80% durante 8,000 horas al año y que la temperatura de condensación del refrigerante es de 32 C (90 F) para el condensador evaporativo e híbrido y de 40 C (104 F) para el condensador enfriado por aire. También se supone que la diferencia entre la temperatura ambiente y la temperatura International Technical Paper #6 IIAR

12 2015 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, San Diego, CA de condensación se mantiene constante: 15 C (27 F) por encima del bulbo seco para el condensador enfriado por aire, y 15 C (27 F) por encima del bulbo húmedo para el condensador evaporativo y el híbrido. El agua del condensador híbrido se habilita cuando la temperatura del ambiente (bulbo seco) es mayor a 18 C (64 F). Para obtener el consumo eléctrico anual del sistema, se usan las temperaturas de cada hora en Bogotá (estación meteorológica del aeropuerto el Dorado) del año Para cada temperatura de bulbo seco, se calcula el consumo eléctrico del sistema usando la misma capacidad de rechazo en todos los sistemas (5,100 MBH). Así se llega al consumo total anual de cada sistema. Como ejemplo, la siguiente tabla muestra el cálculo de algunas horas del primer día de Temperatura bulbo seco Consumo compresor con condensador Consumo compresor Fecha Hora (C) aire (BHP) evap (BHP) híbrido (BHP) 1/1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ /1/ con condensador Consumo compresor con condensador 10 IIAR 2015 International Technical Paper #6

13 Condensadores híbridos y sus ventajas en sistemas de amoníaco La siguiente grafica muestra la temperatura mínima y máxima de cada día (weatherspark.com). Figura 4. International Technical Paper #6 IIAR

14 2015 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, San Diego, CA La siguiente tabla es un resumen de los costos operacionales (en dólares americanos) de los tres sistemas: Sistema con condensador de aire Sistema con condensador evaporativo Sistema con condensador híbrido Costo de agua Consumo de agua 0.0 m 3 /hr 3.6 m 3 /hr 2.1 m 3 /hr Costo de agua $2.90 $/m 3 $2.90 $/m 3 $2.90 $/m 3 Horas de operación 8,000 hrs 8,000 hrs 1,525 hrs = Total costo agua $0 $/año $83,520 $/año $9,287 $/año Costo eléctrico Potencia bomba de agua 0 HP 5 HP 0 HP Potencia bomba de agua 0.0 kw 3.7 kw 0.0 kw Horas de operación 8,000 hrs 8,000 hrs 1,525 hrs Costo kwh $0.16 $/kwh $0.16 $/kwh $0.16 $/kwh = Costo eléctrico bomba agua $0 $/año $4,768 $/año $0 $/año Potencia ventilador(es) 60 HP 20 HP 40 HP Potencia ventilador(es) 44.7 kw 14.9 kw 29.8 kw Horas de operación 8,000 hrs 8,000 hrs 8,000 hrs Factor de uso 80% % 80% % 80% % Costo kwh $0.16 $/kwh $0.16 $/kwh $0.16 $/kwh = Costo eléctrico ventilador $45,773 $/año $15,258 $/año $30,515 $/año Consumo eléctrico compresor 2,350,948 kwh/año 1,924,357 kwh/año 2,271,169 kwh/año Costo kwh $0.16 $/kwh $0.16 $/kwh $0.16 $/kwh = Costo eléctrico compresor $376,152 $/año $307,897 $/año $363,387 $/año = Total costo operativo anual $421,924 $/año $411,443 $/año $403,190 $/año En este caso, por el alto costo del agua en Bogotá ($1.75 de entrada y $1.15 de alcantarillado para un total de $2.90/m 3 ) y por las temperaturas del sitio, la solución 12 IIAR 2015 International Technical Paper #6

15 Condensadores híbridos y sus ventajas en sistemas de amoníaco de menos costo operativo anual es la del condensador híbrido ($403k/año vs $411k del evaporativo y vs $422k del de aire). Es un ahorro en costos operativos de ~$8k anuales comparado con el evaporativo y $19k anuales comparado al enfriado por aire. En la medida que el costo del agua sea diferente, la mejor opción puede cambiar. La siguiente grafica demuestra cómo cambia cual es la opción de menor costo operativo dependiendo del costo del agua. Si el costo del agua en Bogotá es mayor a $2.60/m 3, el condensador híbrido es la mejor opción, pero si el costo es menor a $2.60/m 3, el condensador evaporativo es la opción de menor costo operativo. Figura 5. El consumo de agua no toma en cuenta tratamiento del agua, pero si la sangría recomendada por los fabricantes. Con este ahorro (~$8k comparado al evaporativo) y suponiendo costos promedio de los condensadores se tendría un retorno de inversión estimado (payback) de 8 a 10 años el cual rápidamente se reduce a la mitad si el costo del agua se incrementa un International Technical Paper #6 IIAR

16 2015 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, San Diego, CA 10%. Este resultado puede parecer optimista, pero muestra el impacto de la tendencia del aumento del costo del agua. Otras consideraciones: controles y setpoints Todos los condensadores deben tener una lógica de control y el condensador híbrido debe tener un controlador tipo PLC. Este recibe señales de sensores de bulbo húmedo, bulbo seco, presión de descarga, y consumo del compresor, para iniciar o apagar el suministro de agua a la parte adiabática y manejar la velocidad de los ventiladores. En la lógica de control es muy importante utilizar la característica de los ventiladores, que al reducir su velocidad al 50%, consumen solo un 12% de la energía. Si se apaga la mitad de ventiladores y se deja la otra mitad funcionando a plena carga, se tiene el consumo de ventiladores reducido a la mitad (50%) de consumo eléctrico, con el 50% de capacidad. De esta manera la lógica de prender y apagar ventiladores no es recomendable. Se puede fijar la temperatura de bulbo seco a 20 C (68 F) y cuando la temperatura suba a 20.5 C (69 F), se prende el agua y así se pueden obtener temperaturas de descarga de 32 C (90 F), un diferencial de 11.5 C (21.8 F). Cuando la temperatura de bulbo seco baja de 20 C (68 F), el condensador queda funcionando solo con aire y se fija una presión de descarga mínima, que puede ser de 100 psig; y nada impide que se fije el punto de control a 18 C (64 F), por ejemplo. Scott (IIAR, 2014) nos dice que El aspecto más importante para optimizar el consumo de energía en el sistema es la fijación del setpoint. El objetivo principal es balancear el consumo del compresor y del condensador para obtener el mínimo consumo posible. Él propone usar el método de controlar la presión flotante con la lógica de seguir la temperatura ambiente, para determinar así la temperatura objetivo de temperatura de condensación. Este offset es normalmente llamado el 14 IIAR 2015 International Technical Paper #6

17 Condensadores híbridos y sus ventajas en sistemas de amoníaco TD (temperature diferential). Para los condensadores evaporativos se usa el bulbo húmedo y para los condensadores de aire se usa el bulbo seco. Entonces siguiendo la temperatura ambiente, el punto de control es limitada por un setpoint definido por la presión mínima de diseño, típicamente 21 C (70 F) así como también un setpoint definido como el máximo, típicamente 35 C (95 F). En la práctica es común buscar la optimización usando la velocidad del ventilador, sweet-spot, del 60 al 80%. Una velocidad promedio del 60-80% es normalmente cercano al punto ideal de operación. Así se utiliza gran parte de la capacidad del condensador y se obtiene una buena reducción del consumo de ventiladores. Simplemente, el objetivo es usar la mayor capacidad posible de condensación, sin incrementar el consumo en el condensador por encima del ahorro de consumo en el compresor. El clima y las condiciones del ambiente de la ubicación del proyecto, así como la altitud, la proximidad al mar, la contaminación y el tipo de compresor, fijan ya, algunos criterios para la aplicación de un condensador híbrido. Es importantísimo tener en cuenta la temperatura ambiente de bulbo seco, de bulbo húmedo, y la presión de descarga, que según el criterio del diseñador, definen cuál condensador es el más adecuado para cada caso. El trabajo técnico de 2008 de Jackmann y Runsey plantea tres situaciones de operación y de control para condensadores híbridos: Situación 1 bajas temperaturas ambientales, entre -10 y 10 C (14 y 50 F) a) los serpentines se enfrían con aire seco únicamente. b) el sistema funciona como un condensador de aire normal. International Technical Paper #6 IIAR

18 2015 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, San Diego, CA Situación 2 temperaturas ambientales medias, entre 10 y 25 C (50 y 77 F) a) parte de los serpentines se riegan con agua. b) el condensador funciona parcialmente como un condensador de aire y parcialmente como condensador evaporativo. Situación 3 temperaturas ambientales altas, entre 25 y 40 C (77 y 104 F) a) todos los serpentines están totalmente húmedos. b) el condensador funciona como un condensador evaporativo. El trabajo de Jackmann y Runsey concluye que los condensadores híbridos cada día mejoran su relación costo/eficiencia, especialmente cuando los costos del agua suban. Con el condensador híbrido, se pueden conseguir presiones de descarga aceptables similares a un condensador evaporativo. Suponiendo que ellos se refieren a un condensador híbrido con dos serpentines, uno liso (como todos los condensadores evaporativos) y otro serpentín aleteado, el costo del condensador híbrido tiene un precio más alto que un condensador evaporativo standard. Este puede llegar a un 60% más de la inversión del equipo, sin instalar. Desventajas de los condensadores híbridos: Tiene un consumo eléctrico mayor que un condensador evaporativo Tienen un mayor costo inicial Tienen un footprint más grande; necesitan más área piso El retorno de la inversión: con la inversión adicional comparado con un evaporativo, el retorno puede ser de 8 a 10 años para el caso estudiado en este trabajo, pero puede ser mucho menor dependiendo de los costos de agua, de las leyes locales, y el costo de energía eléctrica, así como de la conciencia ecología del inversionista. 16 IIAR 2015 International Technical Paper #6

19 Condensadores híbridos y sus ventajas en sistemas de amoníaco Conclusiones Comparado con el condensador enfriado solo por aire, el condensador híbrido ahorra energía en las horas que la temperatura de bulbo seco está en las máximas, al disminuir la temperatura de condensación en esas horas y reduciendo el consumo del compresor. En el futuro seguirá en aumento el costo del agua en varias ciudades. Cada día se verá mucho más interés por la utilización de condensadores híbridos con cámara adiabática por sus ventajas de menor consumo de agua comparadas al condensador evaporativo y probablemente disminuirá su costo inicial. Es una opción de condensador para considerar al momento de diseñar un proyecto nuevo, especialmente en sitios de altitud y temperaturas promedio de 10 a 20 C (50 a 68 F). Referencias Benz, Steven. (1987) Dry Operation of Evaporative Condensers. IIAR 9th Annual Meeting, Technical Paper. San Diego, CA. Jackmann, Heinz; Runsey, Ian. (2008) Air-cooled Ammonia Condensers as an Alternative to Evaporative Condensers. IIAR 30th Annual Meeting, Technical Paper. Colorado Springs, CO. Scott, Doug. (2014) Comparing Evaporative and Air Cooled Condensing for Ammonia Systems. IIAR 36th Annual Meeting, Technical Paper. Nashville, TN. International Technical Paper #6 IIAR

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