Estrategias Buenas Prácticas de Eficiencia Plantas Energética de Refrigeración en Industrial. IRBPG2010 Cascade Energy Engineering.

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1 Estrategias Buenas Prácticas de Eficiencia Plantas Energética de Refrigeración en Industrial Refrigeración Industrial IRBPG2010 Cascade Energy Engineering.

2 Vision General Los elementos de un programa de eficiencia energética no son diferentes a los que se pueden encontrar en otras iniciativas de CI dentro de una organización. Establecer metas, seguimiento de los resultados, designar líderes, delinear roles y responsabilidades, entregando oportunidades de educación y entrenamiento son partes fundamentales de cualquier iniciativa exitosa. El potencial del ahorro completo de energía viene del compromiso corporativo, en las cuatro áreas de la organización. La estructura, la gente, los sistemas productivos y las mediciones. Debe tener los siguientes atributos : Obtener el apoyo del nivel superior. Proporcionar Capacitación Asignar un responsable de la Energía. Reducir los costos de la Energía Establecer y seguir KPI Incluir un programa de incentivo Adoptar la filosofía de la mejora continua. Documentar y replicar éxitos. 2

3 Consideraciones energéticas en Sistemas de Refrigeración Los sistemas de refrigeración consumen app. el 70% del total del consumo de energía eléctrica de una planta. 3 Johnson Controls

4 Vision General Las buenas prácticas y estrategias en el uso eficiente de la energía son actividades en el ámbito del diseño, mantención, y operación que ayudan a minimizar el consumo de energía así como los costos operacionales al Propietario/ Usuario durante el ciclo de vida del sistema de refrigeración. Estas actividades deben abarcar al menos las siguientes áreas relacionadas con las plantas de Refrigeración Industrial - Equipos, Sistemas y Controles - Operación, Mantención y Commissioning. - Herramientas para Implementar la gestión de la energía. 4

5 Sistemas de refrigeración Sistemas de Refrigeración transfieren calor de un punto a otro Condensación. Expansión Compresión Evaporación

6 Equipos, Sistemas Y Controles. Relación de Compresión del Sistema Definición: La relación de compresión es la diferencia en sistema de refrigeración que se producen entre la presión de succión y la presión de descarga del compresor. Acción : Reducir la relación de compresión por medio de aumentar la presión de succión o reducir la presión de descarga Que sucede al aplicar la reducción: Al aumentar la presión de succión aumenta la capacidad del compresor y su eficiencia. Al reducir la presión de descarga decrece el consumo del compresor. Al aumentar la succión o reduciendo la descarga, aumenta el COP y así aumenta la eficiencia. 6

7 Equipos, Sistemas Y Controles. Eficiencia según la temperatura de descarga Specific power consumption vs. Tc Specific power cons. [kw/kw] ~3% higher power cons. per deg C higher Tc Tc [C] 7

8 Equipos, Sistemas Y Controles. Relación de Compresión del Sistema Specific power consumption vs. Te / COP [kw/kw] % higher specific power consumption at 4 C lower T evap Te [C] 8

9 Equipos, Sistemas Y Controles. Desempeño a Cargas Parciales El trabajo a cargas parciales es una característica de los sistemas de refrigeración. Pues es casi imposible que un sistema tenga una carga estable durante todo el tiempo. Para mejorar la eficiencia del sistema de refrigeración a cargas parciales, los esfuerzos se han enfocado en dos principales puntos : Control de operación por PLC Variadores de frecuencia (VSD). El estudio se centrará en el mejoramiento de la operación a cargas parciales de: Evaporadores. Compresores. Condensadores. 9

10 Equipos, Sistemas Y Controles. Control de Evaporadores El Control sobre los evaporadores presenta una de las mayores oportunidades para el ahorro de energía. Esto está en contraste con la creencia popular de que la secuenciación del compresor es el factor más importante en el ahorro de energía de la planta de refrigeración. Mirando el diagrama de ciclo de refrigeración, el evaporador controla el sistema completo. Apague los evaporadores y no se necesitan los compresores y condensadores. Funcionamiento de los ventiladores del evaporador cuando no se necesita, consume excesivo de energía. 10

11 Equipos, Sistemas Y Controles. Evaporadores Motores de una velocidad v/s dos velocidades v/s VDF: Dos velocidades es mejor que una sola velocidad. VDF son mejores que los de dos velocidades. El precio de VSD de haber caído hasta el punto de que esto debe ser considerado seriamente en el diseño del sistema. 11

12 Equipos, Sistemas Y Controles. VDF en Compresores. Reduce el consumo de Energía. Mejorar el uso del Economizador. Retire Consigna Sobre Carga. Proporciona una respuesta más rápida a la fluctuación de la carga. Mantiene la válvula de capacidad completamente cargada Reduce los costos de mantenimiento Reducir los Niveles de ruido del motor. 12

13 Equipos, Sistemas Y Controles. VDF en Compresores. SV VDF IDEAL

14 Equipos, Sistemas Y Controles. Desempeño de Compresores en paralelo Optimo Constant 100% Cap. Constant 100% Cap. 30% Cap. S.V. Loaded Medio Constant 100% Cap. Constant 100% Cap. Constant 30% Cap. Bajo Constant 100% Cap. Constant 70% Cap. Constant 60% Cap.

15 Equipos, Sistemas Y Controles. VDF en Condensadores Beneficios Mantener la presión de condensación constante. Mantener el límite mínimo de presión de condensación. Leyes de Afinidad significar grandes ahorros. Aumento de la vida útil de los accionamientos elec/mec. Se eliminan los peaks de cosumo de corriente en las partidas de motores.

16 Equipos, Sistemas Y Controles. VDF en Condensadores Leyes de Afinidad 100% Torque and Power 80% 60% 40% 20% 0% Horsepower Torque 0% 20% 40% 60% 80% 100% Torque = % Velocidad ² Speed Horsepower = % Velocidad³

17 Equipos, Sistemas Y Controles. 4 Fan Motors, 15HP Motors Power Pel. per fan = 11.2kW Power Pel. all fans = 44.8 kw ON/OFF vs. VDF Control Running at 100% Air Q power Pel. 4 fans 100% 11.2kW x 4 = 44.8kW On / Off Control power Pel. 4 fans 100% 11.6kW x 4 = 46.4kW Variable Frequency ON n = 100 % Pel. = 100 % ON n = 100 % Pel. = 100 % ON n = 100 % Pel. = 100 % ON n = 100 % Pel. = 100 % ON n = 100 % Pel. = 100 % ON n = 100 % Pel. = 100 % ON n = 100 % Pel. = 100 % ON n = 100 % Pel. = 100 %

18 Equipos, Sistemas Y Controles. 373% Difference 4 x Fan Motors, 15HP Motors Power Pel. per fan = 11.2kW Power Pel. all fans = 44.8 kw n2 P2 = P1 n1 3 power Pel. 2 fans 100% 11.2kW x 2 = 22.4kW On / Off Control power Pel. 4 fans 13% 0.13x 11.6 kw x 4 = 6kW Variable Frequency ON n = 100 % Pel. = 100 % OFF n = 0 % Pel. = 0 % ON n = 50 % Pel. = 13 % ON n = 50 % Pel. = 13 % ON n = 100 % Pel. = 100 % OFF n = 0 % Pel. = 0 % ON n = 50 % Pel. = 13 % ON n = 50 % Pel. = 13 %

19 Upgrade de Equipos. Debe analizarse los componentes mayores de refrigeración, tales como Evaporadores, Compresores, Condensadores: Evaporadores. Buscar de alta eficiencia. Mayor capacidad (superficie) v/s Menor potencia de Motor.( Kcal/HP) Alimentación de refrigerante, más eficiente bombeado o gravedad que expansión directa. Instalación de evaporadores. Pentahosue, cubicos nichos, etc. normales, 19

20 Upgrade de Equipos. Compresores. En general todos los compresores tienen una eficiencia muy similar, sin embargo existen algunas opciones que pueden mejorar el desempeño de los compresores de tornillos. Enfriamiento del Aceite. Termosifón v/s Inyección Directa. Economizadores. Sub-enfriamiento de líquido por puerto lateral. VI Automático. Ajusta la descarga de los gases a la del sistema 20

21 Unisab II Automatic Vi regulation PRESSURE PRESSURE PRESSURE P1<Pc P1>Pc Pc P1 P1/P2 = (V2/V1) n P1 P1/P2 = (V2/V1) n P1 Pc P1/P2 = (V2/V1) n P2 P2 P2 V1 V2 VOLUME V1 V2 VOLUME V1 V2 VOLUME Optimum compression P1 = Pcond Under compression P1 < Pcond. Over compressi on P1 > Pcond. p30 21 Eficiencia Energética en Sistemas de Refrigeración Industrial Johnson Controls Building Efficiency Jan 2009 /CBI

22 Upgrade de Equipos. Condensadores. Existen variados tipos de condensadores que son calculados una vez determinado el calor a ser liberado, los hay de tiro forzado, inducido, axiales o centrífugos. Elegir condensadores con alto eficiencia nominal (Kcal/hr / Hp ventilador). Condensadores inducidos axiales son los más eficientes. Especificar boquillas de distribución de agua que sean de alto desempeño y auto limpiantes. Instalar purgadores de aire automáticos en sistemas que operan en vacío. 22

23 Diseño del Sistema. Adicionalmente a la selección de los componentes del sistema, se necesita evaluar la solución del diseño del sistema como un total. Se recomienda evaluar la aplicación de : Compresión de Multi-etapas. Sub-enfriamiento de líquido. Recuperación de Calor. Sistemas de deshielo. 23

24 Diseño del Sistema. Compresión de Multi-etapas. La compresión es más eficiente si es hecha en etapas. Especialmente para sistemas de baja temperatura o multiples temperaturas de operación. Para amoniaco, el sistema de doble etapa o booster es tipicamente usado en sistemas que operan bajo los -33 C. 24

25 Diseño del Sistema. Sub-enfriamiento de líquido Es el proceso de enfriamiento de líquido bajo el punto de saturación, de modo a aumentar la capacidad y la eficiencia. Además reduce la cantidad de amoniaco que es necesario enviar y comprimir desde los evaporadores. En compresores de tornillos el puerto economizador puede usarse para enfriar refrigerante líquido, así como como para succionar los gases de la etapa de alta, pudiendo en este caso utilizar un compresor para dos rangos de temperatura. 25

26 Diseño del Sistema. Recuperación de Calor Esta aplicación es muy popular en plantas de proceso. Se utiliza el calor sensible de los gases de descarga para : Calefaccionar pisos de áreas de congelado usando glicol. Agua para calderas, duchas o de limpieza, Agua para deshielos 26

27 Reducción de las Cargas de Refrigeración. La reducción de cargas de refrigeración es tan importante como un sistema de refrigeración eficiente. En proyectos nuevos, la reducción de cargas puede resultar no solamente en ahorro de energía sino también en un menor costo de inversión. ( Menores Compresores o menos). Formas para reducir las cargas térmicas: Aislación térmica. Aumentar los espesores o la materialidad de la aislación ayudara a tener una mejor resistencia estructural del recinto, reducir la infiltración de calor por las paredes. 27

28 Reducción de las Cargas de Refrigeración. Puertas. Especialmente en cámaras de baja temperatura, la infiltración de aire por las puertas puede ser la mayor carga que debe absorber el sistema de refrigeración. Aumentando dramáticamente la necesidad de deshielos. 28

29 Reducción de las Cargas de Refrigeración. Iluminación. Usar equipos eficientes reduce la carga de refrigeración. Se utiliza Haluros metálicos, lámparas de inducción magnéticas o led. Actualización de Procesos. Utilizar equipos sin refrigeración mecánica, como torres de enfriamiento, enfriadores con aire ambiental, y regeneradores, que reutilizan producto enfriado para la primera etapa de enfriamiento. Enfriar los productos en etapas, usando altas presiones de succión primero y luego las de baja de manera a remover el calor final. Inapropiado uso de chillers donde se puede utilizar torres de enfriamiento. 29

30 Control Por PLC. El control por PLC es la columna vertebral de la eficiencia en un sistema de refrigeración. En el sistema tenemos muchas oportunidades de eficiencia. El elemento central de utilizar esas oportunidades es el sistema de control, no solo individualmente sino la relación entre los componentes. Centraliza la información de todas las características de eficiencia asociadas a compresores, condensadores, evaporadores. Hace más efectiva la puesta en marcha. Entrega información que ayuda a la mantención y operación. En general debe tener 3 atributos : Diseñado y construido por una empresa especializada en control de refrigeración Industrial. Debe ser capaz de adaptarse a la aplicación especifica que se requiere. Extensa capacidad de entregar y exportar registros de tendencias. 30

31 6. Operación, Mantención y Commissioning. La operación y mantención (O&M) puede ser definida como la mantención del desempeño originalmente especificados a través de un apropiado servicio en intervalos específicos. Aun el más eficiente diseño de un sistema y equipos pueden tener un bajo desempeño por una inadecuada O&M. Es importante que una apropiada práctica de O&M se mantengan a lo largo de la vida útil del sistema. Prácticas de Mantención Preventiva: Mantención de evaporadores y Condensadores para rendimiento máximo. Realización de la calibración periódica. Seguimiento del rendimiento de equipos y sistema. Búsqueda de optimización. Buena capacitación. 31

32 GRACIAS Johnson Controls Ayudamos a las personas a lograr grandes cosas

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