2. Descripción y clasificación de máquinas enfriadoras 2.1 Descripción El objetivo principal de una instalación de climatización es la obtención de un flujo de aire a las condiciones de confort adecuadas para combatir las cargas de calor del espacio que se desea acondicionar. Los sistemas de agua enfriada se utilizan en la actualidad especialmente para grandes instalaciones de aire acondicionado, dada las ventajas que ofrecen en cuanto a distribución y centralización. Son los llamados sistemas de expansión indirecta, ya que en ellos el evaporador no está en contacto directo con el producto a enfriar, sino que el agua es enfriada en transferencia térmica con un refrigerante, siendo empleada como refrigerante secundario y posteriormente distribuida para el acondicionamiento del aire hasta el lugar donde se produce la demanda. En los sistemas de agua enfriada circulante la temperatura del agua va bajando a medida que pasa por la sección del evaporador de la máquina. Luego, se hace circular por todo el edificio donde recolecta el calor. La temperatura típica para un sistema de agua enfriada circulante es de 7º C para el agua que se envía al edificio y de 12º C para el agua que retorna del edificio. El calor del edificio aumenta la temperatura del agua que retorna al enfriador, donde se elimina el calor y se vuelve a hacer circular el agua. Según la UNE-EN 14511-1 (Mayo 2004), una enfriadora de líquido es un Aparato montado en fábrica concebido para la refrigeración de líquido utilizando un evaporador, un compresor de refrigerante, un condensador integrado o externo y los controles adecuados. Puede además tener dispositivos para calentar que pueden ser por inversión de ciclo de refrigerante como en la bomba de calor. Las enfriadoras de agua se basan en el ciclo frigorífico de compresión mecánica para la obtención del efecto frigorífico, fundamentado en el ciclo inverso de Carnot (máquina frigorífica ideal) cuyos componentes básicos son un compresor, un evaporador, un condensador y un sistema de expansión. El corazón del sistema de refrigeración por compresión mecánica es el compresor. El principio básico que rige el funcionamiento de las enfriadoras de agua es la absorción de calor por parte de un líquido para realizar el cambio de estado a vapor, enfriando un medio externo. El refrigerante vaporizado, está dentro de un circuito cerrado y es recuperado para que se produzca cíclicamente el cambio de estado para una producción de frío continua. 9
La evaporación del refrigerante se produce a baja presión en el evaporador. Para poder ser de nuevo evaporado, debe pasar antes por estado líquido. Mediante un aporte externo de energía, se eleva la temperatura del gas a su paso por el compresor mediante una compresión isentrópica desde vapor saturado a la presión de evaporación hasta la presión de condensación. En el condensador se pasa de nuevo al estado líquido mediante la cesión de calor a presión constante un medio externo (enfriamiento sensible + condensación). Por último una válvula de expansión baja la presión del refrigerante mediante una expansión adiabática e irreversible (isentálpica) desde líquido saturado y lo lleva a las condiciones de entrada del evaporador para un nuevo cambio de estado. Condensador 3 2 Válvula de expansión Compresor 4 Evaporador 1 Figura 2.1.1 Componentes del Ciclo frigorífico de compresión mecánica. En realidad los procesos no ocurren como los descritos anteriormente, ya que las máquinas térmicas poseen distintas limitaciones, como pueden ser las pérdidas de carga a lo largo del circuito, la irreversibilidad de la expansión, la imposibilidad de realizar la compresión de manera isentrópica o las diferencias de temperaturas en los intercambios. A parte de estos, existen otros fenómenos como el recalentamiento del vapor a la salida del evaporador y el subenfriamiento del líquido a la salida del condensador, que hacen que el ciclo adopte un comportamiento más real. A continuación se definen algunos los parámetros fundamentales que caracterizan los balances energéticos en estos equipos y que evalúan sus rendimientos energéticos: Potencia frigorífica Total o Capacidad Frigorífica, Qf (kw) Calor extraído del medio de transferencia de calor por el equipo por unidad de tiempo. Potencia de compresión, Pc(kW) La potencia de compresión es la potencia necesaria para mover el compresor. Esta potencia es la potencia eléctrica absorbida total por todos los componentes del aparato. 10
Volumen de gas, vr (m3/s) Es el volumen de gas teórico que circula a la entrada del compresor por unidad de tiempo y depende de la cantidad de frío que suministra la instalación y de las condiciones de operación. COP (Coefficient of Performance) teórico según el ciclo de Carnot Partiendo de la base de que el objetivo de la instalación frigorífica es absorber una cantidad determinada de calor del foco frío Q 1, mediante la aplicación de una cierta cantidad de trabajo, de tal forma que se desprenda en el foco caliente una cantidad de calor Q 2 >Q 1 y que el ciclo es reversible pudiendo, por tanto, ser recorrido en ambos sentidos, entendiendo que el camino se recorre en camino inverso. COP Q Q Q 1 = (2.1.1) COP real, EER o Eficacia del ciclo (coeficiente de funcionamiento real) Cociente entre la Potencia Frigorífica Total y el trabajo de compresión realmente realizado para ello. 2 c 1 Q f COP = (2.1.2) P 2.2 Clasificación La obtención de aire frío se consigue gracias a un proceso de transferencia térmica. El aire es enfriado mediante el intercambio con un medio más frío y posteriormente distribuido a aquellos puntos donde se produce la demanda de frío. Existen dos tipos fundamentales de equipos de climatización empleados con este fin: Unidades de expansión directa o equipos autónomos: Son aquellas en los que la transferencia térmica se lleva a cabo entre un fluido refrigerante a baja temperatura y el aire a enfriar. El evaporador o el condensador del sistema de refrigeración está en contacto directo con el medio a enfriar o calentar. Unidades de expansión indirecta o equipos centralizados: El evaporador o el condensador del sistema de refrigeración enfría o calienta un fluido secundario que se hace circular para enfriar o calentar al medio. En general, el equipo productor de frío estará situado en un local distinto al de utilización. A esta tipología pertenecen las enfriadoras de agua. Se emplea el agua como refrigerante secundario y ésta es enfriada en la transferencia térmica con un refrigerante. Posteriormente esta agua es distribuida para el acondicionamiento de aire. 11
Las enfriadoras de líquido se clasifican de modo que se indica primero el medio de transferencia de calor para el intercambiador de calor (según la UNE-EN 14511-1) resultando la tabla siguiente: Medio de transferencia de calor Intercambiador exterior Intercambiador interior Aire Agua Bomba de calor aire/agua o enfriadora de líquido condensada por aire Agua Agua Bomba de calor agua/agua o enfriadora de líquido condensada por agua Salmuera Agua Bomba de calor salmuera/agua o enfriadora de líquido condensada por salmuera Tabla 2.2.1. Clasificación de enfriadoras en función del medio de transferencia. Destacando los dos los grupos siguientes: Enfriadoras de agua condensadas por agua: Se benefician del calor específico del agua y su calor latente de vaporización. Requieren una red de suministro de agua. Enfriadoras de agua condensadas por aire: El aire está disponible a coste cero. Sin embargo, su bajo calor específico obliga a mover grandes cantidades del mismo para un buen intercambio térmico y se hace necesario el uso de ventiladores. A pesar de que la forma más común de clasificar las enfriadoras de agua es según el medio que se utilice para el intercambio de calor con el refrigerante en el condensador, es decir, en enfriadoras de agua condensadas por agua o por aire, existen sin embargo, varios criterios en función de los cuales se pueden clasificar estas máquinas, especialmente, dependiendo de la tipología de sus componentes básicos. Nosotros vamos a realizar una clasificación más exhaustiva en función de las siguientes características: Fluidos Refrigerantes Tipo y número de compresores Tipo de condensador Tipo de evaporador Número de circuitos frigoríficos Reversibilidad 12
2.2.1 Fluidos Refrigerantes La industria de la refrigeración está viviendo los últimos años su mayor cambio con la sustitución de los refrigerantes clorofluocarbonos (CFC), que llevaban empleándose mayoritariamente desde que, en 1928 Thomas Midgley sintetizó el R-12 (Cl2F2C). Desde finales del siglo XIX, en los inicios de la industria de producción de frío, se habían empleado distintos refrigerantes (ClCH3, SO2, NH3) con problemas de toxicidad e inflamabilidad inadmisibles, que hacían necesario que se encontraran nuevos refrigerantes para la expansión de la industria frigorífica limitada exclusivamente a aplicaciones industriales. Con la aparición de los llamados Freones (CFC, HFC y HCFC), consideradas sustancias inofensivas y extremadamente estables, con buenas propiedades termodinámicas y que no eran tóxicos ni inflamables, se extendió tanto su empleo, que en 1970 el consumo anual de CFC y HCFC era de 1 millón de toneladas. Sin embargo, en 1974, los investigadores Rowland y Molina, cambian el rumbo en la historia de la refrigeración cuando descubren el efecto destructor del Cl y el Br sobre la capa de ozono desembocando finalmente en compromisos a nivel internacional para eliminar gradualmente los refrigerantes que dañan la capa de ozono ( Protocolo de Montreal en 1987 y Protocolo de Kyoto en 1997) con la consecuente prohibición del uso de los CFC (R-12) desde 1996 y la reducción progresiva de los HCFC (R-22) y futura prohibición total en 2010 en la UE. En una máquina de refrigeración, el enfriamiento se obtiene usualmente por vaporización del fluido frigorígeno cuya definición según el Reglamento de Seguridad para Plantas e Instalaciones Frigoríficas es: Fluido utilizado en la transmisión del calor que, en un sistema frigorífico, absorbe calor a bajas temperaturas y presión, cediéndolo a temperatura y presión más elevadas. Este proceso tiene lugar, generalmente, con cambios de estado del fluido. Los fluidos refrigerantes pueden ser divididos en dos grupos: Fluidos firgorígenos, aquellos que evolucionan internamente en las máquinas de producción de frío para producir el efecto frigorífico y fluidos frigoríferos o refrigerantes secundarios, que son fluidos caloportadores entre el medio a enfriar y el fluido frigorígeno. Aunque, comúnmente, el término refrigerante se emplea para designar, en general, a los fluidos que por sus propiedades físicas resultan adecuados para absorber y extraer calor, nosotros, en lo que sigue, al hablar de refrigerante, nos referimos a fluidos frigorígenos, distinguiendo los Primarios (cuando producen el enfriamiento por evaporación) y Secundarios (cuando transportan el calor desde el producto a enfriar hasta el refrigerante primario), como por ejemplo, agua, salmueras y glicoles, que al encontrarse siempre en estado líquido precisan un trabajo de bombeo muy bajo para transportarlos. 13
Acción sobre el Medio Ambiente: Los refrigerantes pueden ejercer efectos perjudiciales sobre el medio ambiente mediante su acción sobre la capa de ozono y por su incidencia sobre el efecto invernadero. Varios estudios demostraron que los refrigerantes que contienen cloro o bromo en su molécula son poco estables ante la radiación solar, produciéndose una reacción fotoquímica que da lugar a la liberación de átomos de cloro, los cuales colisionan con los átomos de ozono destruyéndolo. El primer criterio que debe cumplir un fluido frigorígeno es el de poseer un potencial de agotamiento del ozono estratosférico nulo. Para comparar la destrucción de ozono relativa que provocan los distintos refrigerantes se emplea el índice ODP (Ozone Depletion Potencial) que se define como la tasa de destrucción de ozono de un refrigerante halogenado respecto a la que produce el R-11, al cual se le asignó el valor ODP=1. El segundo criterio se refiere al efecto invernadero: la radiación solar se convierte en calor al contactar con la tierra. Parte de este calor es remitido hacia el espacio bajo la forma de radiación infrarroja. Ciertos gases no dejan pasar estas radiaciones y se quedan atrapadas, produciendo el llamado efecto invernadero. Si los gases de efecto invernadero se encuentran en gran cantidad en la estratosfera, se producirá un aumento de la temperatura media del planeta. Los fluidos refrigerantes, entre otros, son responsables de este efecto. Se definen el factor GWP (Global Warming Potential): Nº de kg de CO2 que deben ser lanzados a la atmósfera para provocar el mismo efecto invernadero que 1kg de la sustancia objeto, que depende del periodo debido a que algunas sustancias se descomponen (usualmente a los 100 años) y el HGWP (Halocarbon Global Warming Potential): Mide el GWP relativo de los refrigerantes halocarbonados respecto al del R-11. Así mismo también se emplea el índice TWEI (Total Equivalent Warming Potencial) para medir el efecto directo de un refrigerante halogenado sobre el efecto invernadero y el calentamiento global por las emanaciones de los refrigerantes a la atmósfera, así como consecuencia del consumo energético necesario para el funcionamiento de la instalación. TEWI = GWP + a B (2.2.1.1) Siendo: a: Coeficiente de paso a CO2 (kg de CO2/kWh): Depende de la producción y distribución eléctrica nacional. b: Consumo de energía eléctrica asociado a 1kg de refrigerante, es función del COP del refrigerante. La clasificación de refrigerantes se puede hacer en función de varios criterios: En función de su composición química: 14
Compuestos inorgánicos: Incluye los compuestos refrigerantes empleados antes de 1931, como R-717 (Amoniaco), R-718 (Agua) y R-744 (Dióxido de Carbono). No producen destrucción de la capa de ozono. El amoniaco, debido a sus problemas de toxicidad e inflamabilidad, solamente se emplea en aplicaciones industriales y el R-744 posee un punto triple muy bajo. La designación de ASHRAE de estos componentes es: R-7+ Peso Molecular. Compuestos orgánicos: Hidrocarburos y derivados oxigenados, nitrogenados o halogenados. Hidrocarburos: Problemas de inflamabilidad y toxicidad. Ejemplos: Etano, Propano, Butano. Refrigerantes halogenados: Proceden de hidrocarburos saturados o insaturados con sustitución de átomos de carbono por halógenos (Cl, Br, F, I). Se denominan según el Standard 34-1992 de ASHRAE mediante R - X Y Z, donde X es el número de átomos de carbono menos 1, Y es el número de átomos de hidrógeno más 1 y Z es el número de átomos de fluor. CFC (Clorofluorcarbonados): Se denominan según el Standard 34-1992 de ASHRAE mediante R - X Y Z, donde X es el número de átomos de carbono menos 1, Y es el número de átomos de hidrógeno más 1 y Z es el número de átomos de fluor. Tienen una vida en la atmósfera de siglos y causan una importante destrucción de la capa de ozono (ODP de 0.6 a 1) Ejemplos son el R-11(muy usado en equipos centrífugos) y el R-12 (pequeños y medianos sistemas de compresión de vapor) HCFC (Hidroclorofluorcarbonos): Tienen una permanencia en la atmósfera de décadas y causan menor destrucción del ozono que los CFCs (ODP de 0.02 a 1). Ejemplos son el R-123, R-124 y el R-22, todavía hoy ampliamente empleado en todo tipo de sistemas de refrigeración por compresión de vapor. HFC (Hidroflurocarbonos): Actualmente son los refrigerantes alternativos diseñados para sustituir a los anteriores y su interés radica en que al no contener cloro, no dañan la capa de ozono (ODP=0). Ejemplos son el R-134a y el R-407C. BFC: Contienen bromo, flúor y carbono. Son altamente perjudiciales para la capa de ozono (ODP=10). Como ejemplo, el R-13B1 que se empleaba para sistemas de compresión de vapor a muy baja temperatura. Refrigerantes puros y mezclas: Refrigerantes puros: Fluidos refrigerantes formados por un componente con un único tipo de molécula. Para una presión dada, la temperatura permanece constante durante un cambio de estado. Entre estos refrigerantes podemos citar al R-134a, R-123, R-22, Amoniaco, Agua, etc. Mezclas: Una mezcla posee más de un componente y/o tipo de molécula. Sus componentes se seleccionan para crear un producto final con unas características específicas, 15
tales como capacidad frigorífica, eficiencia, temperatura de descarga, etc. que variarán dependiendo del porcentaje de sus componentes. En función del tipo de mezcla que forman: Mezclas Azeotrópicas: Son mezclas de dos o más refrigerantes halogenados puros. Que funcionan como una sustancia pura: no cambian la temperatura durante el cambio de fase a presión constante (para una presión y temperatura dada muestran la misma composición tanto en fase líquida como en fase vapor). Ejemplos R-502, R507. Mezclas Zeotrópicas: Son mezclas de dos o más refrigerantes halogenados puros. Durante el cambio de fase las proporciones de las sustancias en el gas y el líquido son variables en el proceso de evaporación a presión constante la temperatura aumenta, por lo que la temperatura de entrada y salida del evaporador y condensador son distintas, a esa diferencia de temperatura se le llama glide o deslizamiento. Ejemplos: R-407C, R-410A. En las mezclas zeotrópicas, las líneas de temperatura constante no son horizontales en la zona de líquido vapor sino que poseen cierta inclinación. Temperatura(a P cte) Figura 2.2.1.1. Diagrama Temperatura-Concentración (T-x) para mezclas zeotrópicas. Los puntos de burbuja y de rocío son utilizados para describir el comportamiento de las mezclas zeotrópicas en el evaporador y condensador de un sistema: El punto de Burbuja (Temperatura de saturación del líquido) es la temperatura a la cual una mezcla zeotrópica, (a presión constante) comienza a evaporarse, es decir, la primera burbuja de vapor aparece en el líquido. Es equivalente al punto de ebullición en refrigerantes de un solo componente. El punto de Rocío (Temperatura de saturación del vapor) es la temperatura a la cual la mezcla zeotrópica (a presión constante) comienza a condensar. Corresponde a la temperatura 16
de condensación de refrigerantes de un solo componente, es decir, la última gota de líquido se evapora y existe como vapor saturado. El deslizamiento de temperatura Es la diferencia en temperatura del refrigerante entre la entrada y la salida del evaporador debido al fraccionamiento de la mezcla. Si se toma una temperatura T, entre las temperatura T 1 y T 2, el refrigerante tendrá una parte de vapor y una de líquido. En esta temperatura T, hay más composición y2 del componente que se está evaporando, y menos composición x 1, que todavía es líquido. Por tanto, como se explicó antes, evapora primero el más volátil. Por ello las mezclas zeotrópicas presentan de desventajas con respecto a las azeotrópicas ya que en el caso de problemas como puede ser alguna fuga del sistema, escapará primero el componente más volátil, desequilibrando la composición de la mezcla. Entre las mezclas zeotrópicas y las azeotrópicas, se encuentran las mezclas casiazeotrópicas, cuando las curvas del punto de burbuja y rocío se cortan en un punto intermedio y la mezcla se comporta como azeotrópica en dicha composición. En estas mezclas el grado de deslizamiento es muy pequeño, en torno a los 0.5 K. Mientras el comportamiento azeotrópico no es común, el casi-azeotrópico lo es bastante. Teóricamente, el deslizamiento puede ser calculado encontrando la diferencia de temperatura entre los puntos de burbuja y de rocío a presión constante. Mediciones en el propio equipo pueden diferir ligeramente dependiendo del estado del líquido refrigerante en la entrada o salida del evaporador (o condensador). Pérdidas de presión a lo largo del evaporador pueden también afectar el deslizamiento. Actualmente la conservación de la capa de ozono y su efecto sobre el calentamiento global es la prioridad en la elección de refrigerantes. Por tanto, su ODP debe ser nulo y el GWP debe tener un valor reducido. Sin embargo, la eliminación de los refrigerantes halogenados no es sencilla puesto que un buen sustituto debe tener además las siguientes cualidades: Eficiencia del ciclo de refrigeración: Es deseable que tenga una eficiencia (relación potencia consumida y refrigeración producida) lo más alta posible. Propiedades físicas y químicas: Presión de evaporación baja, aunque superior a la atmosférica, evitando así fugas de aire u otros gases no condensables en el sistema. Presión de condensación lo más baja posible y alejada de la presión crítica para permitir menores espesores en el compresor, condensador, tuberías y depósitos. La capacidad frigorífica producida depende principalmente del calor latente de evaporación, que debe ser elevado, y del volumen específico a la temperatura de succión, que debe ser reducido, ya que afecta al tamaño y compacidad del compresor. 17
Conductividad térmica lo más alta posible, para que se dé un alto coeficiente de transferencia de calor en los intercambiadores. Bajo punto de congelación. La temperatura de congelación tiene que estar muy por debajo de cualquier temperatura a la cuál pueda operar el evaporador. Estabilidad química y térmica: Compatibilidad con los materiales: Los refrigerantes deben ser inertes, es decir, no producir corrosión o erosión a los componentes. Ejemplo: el Amoniaco es corrosivo al cobre y los halogenados los son con elastómeros y gomas. Buena coexistencia con los aceites: Cuando se mezcla una pequeña cantidad de aceite con el refrigerante, esto ayuda a lubricar las partes móviles del compresor. Este aceite debe realizar una lubricación continua y retornar, no adherirse a las paredes ya que reduciría la transferencia térmica. Ejemplo: el R-22 es compatible con aceites minerales y R-134a, R-407C y R-410A son compatibles con aceites POE ( Poliol Èster) Seguridad: Debido a posibles fugas de refrigerante durante la instalación u operación del equipo son fundamentales su inflamabilidad y toxicidad. La clasificación ANSI/ASHRAE 34-1992 divide los refrigerantes en clases A y B de toxicidad (baja y alta respectivamente) y clases 1, 2 y 3 de inflamabilidad (no propagación de la llama, baja y alta). Su nivel de seguridad se designa combinando ambas clases. La mayoría de los refrigerantes empleados son clase A1, excepto el amoniaco, que es clase B2, sólo empleado en refrigeración industrial. Las fugas de refrigerante deben ser fácilmente detectables o sino se deben emplear los medios de detección necesarios. Con la eliminación progresiva de los refrigerantes perjudiciales para la capa de ozono, los candidatos a sustituir al R-22 a largo plazo que han tomado mayor relevancia son el R-134a, R- 410A y R-407C ya que, al ser HFCs (hidrógeno, fluor y carbono) tienen un ODP=0 y cumplen con las características deseables en un buen refrigerante. El R-717 (Amoniaco), empleado en aplicaciones industriales de todo tipo, también posee un ODP=0 además de propiedades termodinámicas muy interesantes. Analizamos sus características: R-134a Este refrigerante es un gas puro que además de poseer nulo ODP, tiene un moderado HGWP de 0.28 y clasificación de seguridad A1. Es ampliamente utilizado en aire acondicionado doméstico y de automoción y frigoríficos. Su inconveniente es que precisa compresores e intercambiadores de gran capacidad volumétrica. R-410A Es una mezcla binaria casi azeotrópica de 50% R-32 y 50% R125. Además de un ODP=0, HGWP=0.43 y clasificación A1, es reciclable y reutilizable. Tiene un rendimiento energético muy bueno, COP ligeramente superior al R-22, pero el inconveniente que presenta es que tiene 18
una presión de diseño del lado de alta presión del orden de un 60% mayor que el R-22, por lo que necesariamente es necesario cambiar el compresor original por uno scroll. Posee un deslizamiento de unos 0.11 C. R-407C Este refrigerante fabricado a medida empleado en todo tipo de aplicaciones de aire acondicionado, no produce ningún daño a la capa de ozono, su HGWP es 0.38 y su clasificación A1. Posee propiedades termodinámica muy similares al R-22: su curva de saturación y COP son muy parecidos excepto a baja temperatura. Está formado por una mezcla ternaria zeotrópica de R-32(23%), R-125(25%) y R-134a (52%) y por tanto, como inconveniente, presenta un deslizamiento de hasta 5.4 C, lo que lleva asociado problemas de mantenimiento ya el sistema se debe purgar completamente cada vez que se hace una reparación. Como todos los HFC precisan aceites POE en vez de minerales. Amoniaco (R-717) El amoniaco posee ODP y GWP nulos, por lo que favorece a la conservación de la capa de ozono y es el menos dañino al calentamiento global. Tiene una alta eficiencia energética (mayor que la de los HFCs) y permite compresores más compactos. Su inconveniente radica en su clasificación de seguridad B2. La mezcla aire-amoniaco, es inflamable, por lo que precisa detectores y ventilación mecánica continua y no se permite su uso en aire acondicionado residencial. Se emplea mucho en almacenamiento industrial a baja temperatura y compresores centrífugos. El amoniaco, en presencia de vapor de agua, ataca al cobre, por lo que las tuberías deberán ser de acero. 2.2.2 Tipo y número de compresores El compresor en un sistema de refrigeración es el corazón del sistema de compresión de vapor. El compresor eleva la presión del gas refrigerante a la salida del evaporador, de forma que éste aumenta su temperatura produciéndose la condensación. Así mismo, mantiene la circulación continua del refrigerante a lo largo del circuito de refrigeración hasta las posteriores expansión y evaporación, obteniéndose finalmente el deseado efecto frigorífico. El motor de arrastre de estos compresores es en la gran mayoría de los casos un motor eléctrico, si bien existen también con motores de combustión interna. Atendiendo al proceso de compresión, los compresores se dividen en: Compresores de desplazamiento positivo o volumétricos: Aumentan la presión del vapor de refrigerante reduciendo el volumen interno de la cámara, consumiendo para ello un trabajo mecánico. Compresores de desplazamiento positivo pueden ser: 19
Alternativos Rotativos: De paletas De espiral (scroll) De tornillo (screw) De excéntrica Compresores de desplazamiento cinemático o dinámicos: En este caso no se introduce el fluido en ninguna cámara, comprimen acelerando el fluido muy rápidamente y después lo frenan, convirtiendo la energía cinética en energía de presión. Compresores dinámicos pueden ser: Centrífugos Axiales Los compresores más usados en refrigeración industrial son los alternativos y los de tornillo. Para climatización se usan alternativos y de espiral para máquinas pequeñas y alternativos, de tornillo y centrífugos para máquinas de mayor tamaño. Para evitar las pérdidas de refrigerante se deben tomar medidas de estanqueidad. Los compresores según su tipo de montaje se clasifican en: Hermético: El motor del compresor está montado en la misma carcasa sellada que el compresor para evitar pérdidas de refrigerante. Se usan en ciclos de baja potencia. En el interior de la carcasa nos encontramos el compresor alternativo de pistón, el motor eléctrico y el aceite. Alguna de sus ventajas son que tienen bajas fugas de refrigerante y que el motor eléctrico está refrigerado con la temperatura de evaporación. Las desventajas más significativas son que si se rompiese algún elemento, hay que romper el compresor por la mitad para poder abrirlo. Semihermético: El motor del compresor está montado en la misma carcasa que el compresor pero son accesibles desde la cabeza del cilindro para reparaciones y mantenimiento. Se utilizan en potencias medias y eliminan los problemas de alimentación entre el motor y el compresor. Abiertos: Compresor y motor se montan en distintas carcasas y se acoplan. El cigüeñal es accionado por un motor exterior al compresor. Muy usados con Amoniaco. Se utilizan para medias y grandes potencias y son los más versátiles y accesibles. Sus inconvenientes son que el eje gira a la velocidad del motor eléctrico, por tanto, el cierre que conecta el eje se puede desgastar y fugar el refrigerante por él, provocando un peor rendimiento mecánico. Además el motor eléctrico precisa un sistema de refrigeración. 20
Figura 2.2.2.1. De izquierda a derecha: compresores hermético, semi-hermético y abierto. El factor más importante que regula la capacidad de un compresor, es la temperatura de vaporización del líquido en el evaporador. Según la temperatura de evaporación a la que tiene que trabajar la instalación, requiere que el compresor sea de: Alta temperatura: desde + 10 C a 10 C Media temperatura: desde + 0 C a 20 C Baja temperatura: desde - 10 C a 30 C Aunque algunos fabricantes toman la temperatura de 15 C como frontera, entre los compresores de alta o baja temperatura de evaporación. 2.2.2.1 Compresores alternativos En los compresores alternativos, el gas refrigerante se mueve en el interior de un cilindro efectuando su aspiración y su compresión, a través de uno o varios pistones (normalmente son dos, tres, cuatro o seis) que se mueven en el interior del cilindro mediante una biela. Cada cilindro dispone de al menos una válvula de aspiración de gas refrigerante para la admisión, y de una válvula de descarga a través de la cual el refrigerante descarga hacia el condensador una vez comprimidos. El vapor de refrigerante es conducido a través de la válvula de succión en el cilindro, hasta que el pistón alcanza su posición más baja. Mediante el empuje del cigüeñal en el pistón, se comprime el vapor a una presión ligeramente superior a la de descarga. El vapor caliente abre la válvula de descarga y sale del cilindro. El refrigerante gaseoso en un compresor alternativo es comprimido mediante al cambio de volumen interno. La capacidad frigorífica de un compresor alternativo tiene un rango de 1 a 3.5 kw hasta 800 kw. Los refrigerantes normalmente empleados con compresores alternativos son R-22, R- 21
134a, R-404A, R-407A y R-407C para aire acondicionado residencial y el Amoniaco en aplicaciones industriales. Poseen una amplia gama de volúmenes desplazados en el intervalo, que va desde 0 a 1000 m3/h y su eficiencia volumétrica va típicamente desde 0.92 hasta 0.65 El diseño de compresores alternativos está actualmente en su etapa de madurez, por lo que no se desarrollarán mejoras significativas. Los compresores alternativos todavía son ampliamente usados en sistemas de refrigeración de tamaño medio. Sin embargo, están siendo desplazados paulatinamente por los compresores scroll, screw y rotativos. Figura 2.2.2.1.1. Compresor alternativo seccionado. Los compresores alternativos se clasifican en función de varias características: Por el modo de trabajar el pistón: De simple efecto: Trabaja sobre una sola cara del pistón, que está dirigida hacia la cabeza del cilindro. La cantidad de aire desplazado es igual a la carrera por la sección del pistón. De doble efecto: El pistón trabaja sobre sus dos caras y delimita dos cámaras de compresión en el cilindro. El volumen engendrado es igual a dos veces el producto de la sección del pistón por la carrera. Por el número de etapas: Compresores de una etapa: Se componen básicamente de un cárter con cigüeñal, pistón y cilindro. Para su refrigeración llevan aletas en la parte exterior. Se utilizan en aplicaciones en donde el caudal está limitado y en condiciones de servicio intermitente, ya que son compresores de pequeñas potencias. De etapas múltiples: El aire se comprime en dos etapas; en la primera (de baja presión BP) se comprime hasta una presión intermedia Pi y en la segunda (de alta presión AP), se comprime hasta una presión superior. Estos compresores son los más empleados en la industria cubriendo sus caudales una extensa gama de necesidades. 22
Por su refrigeración: Mediante aire o por agua, es decir, el refrigerador intermedio (entre etapas) puede actuar a base de un ventilador o una corriente de agua a través del mismo. Por el número y disposición de los cilindros: En los compresores de cilindros, los fabricantes utilizan diversas formas de montaje para éstos, siendo las más frecuentes la disposición vertical, la horizontal, en L ó en ángulo a 90º, y de dos cilindros opuestos, así como la colocación en V, para los compresores pequeños. Los compresores alternativos no funcionan bien si trabajan con relaciones de compresión elevadas y con fluidos poco densos. La capacidad de un compresor es el gasto másico de fluido que circula por el compresor, que debe ser controlado en forma manual o automática. El rendimiento que tienen a cargas parciales no es bueno a no ser que se haya equipado con un sistema de variación proporcional al gasto. Los métodos más utilizados en el control de la capacidad y carga son: Control todo-nada: Normalmente utilizada en pequeña potencia, y consiste en poner en servicio o desconectar el grupo compresor por actuación de un termostato de cámara, ya sea directamente o mediante el presostato de regulación de baja presión. Empleo de motores de velocidad variable: Se puede conseguir una aportación de potencia proporcional al gasto. Es costoso por lo que su empleo más general es en el caso de motores con dos velocidades de conmutación, sensible a presión o temperatura. Descarga de uno o más cilindros: Se dispone de tantas etapas de parcialización como número de cilindros existe. El método más comúnmente usado es el de apertura de válvulas de aspiración de manera que el cilindro continúa moviéndose pero sin realizar trabajo. Es el más usado entre los métodos de regulación pero presenta problemas de desequilibrio. By- pass del gas de descarga hacia la aspiración: Mediante un acoplamiento de aspiración y descarga cuando la demanda frigorífica cae, parte del gas caliente retorna al lado de aspiración y la capacidad del compresor se reduce en esa proporción. Este sistema no produce reducción apreciable de la potencia consumida. By- pass de una culata de cilindros: Cuando la demanda de potencia frigorífica se reduce se abre la válvula presostática y el gas de descarga de una culata se pasa a parte de la aspiración. Mediante una válvula de retención se logra equiparar las presiones de aspiración y descarga de los cilindros controlados. Los pistones dejan de producir trabajo útil y la potencia absorbida del motor disminuye de modo casi proporcional a la reducción de la potencia frigorífica. En todos estos casos las presiones de descarga y aspiración se mantienen invariables en el proceso. Sólo se regulan las cantidades de gases enviadas. La eficiencia de la compresión es una medida de las pérdidas que resultan de la divergencia entre el ciclo real y el ciclo teórico (isentrópico) de compresión. Estas pérdidas son debidas a 23
que tanto el fluido como el compresor, no son ideales sino reales produciéndose a causa de ello: Rozamiento interno a causa de no ser el fluido un gas perfecto y a causa también de las turbulencias Retraso en la apertura de las válvulas de admisión y escape Efecto pared del cilindro Compresión politrópica 2.2.2.2 Compresores rotativos 2.2.2.2.1 Compresor scroll o espiral Consiste en dos piezas metálicas en forma de espiral llamadas volutas. La superior es fija y la inferior está accionada por el eje del motor, pero no describe un movimiento rotativo, sino que se trata de un movimiento giratorio de traslación. Los ejes de las espirales describen movimientos orbitales que reducen progresivamente el volumen del gas hasta el centro donde se encuentra el orificio de descarga. Los compresores de espiral presentan una serie de ventajas: Reducción de las piezas en movimiento, con lo que son menos los elementos sometidos a fricción y por lo tanto, las posibilidades de averiarse. Reducción de los niveles sonoros. Resistencia a las averías: Los compresores rotativos presentan una resistencia total a los golpes de líquido. El diseño del eje en que gira la espiral móvil permite un cierto pivotamiento que anula el efecto de un posible golpe de líquido sin llegar a sufrir ningún daño mecánico como consecuencia del mismo. Aumento del rendimiento volumétrico: A diferencia de los compresores alternativos, los de espiral permiten un llenado y vaciado total de las cámaras, es decir, un rendimiento volúmetrico del 100%. Eliminación de vibraciones: La producción de un caudal constante mejora las condiciones de mantenimiento de los materiales, que no se verán sometidos a estrés ni a esfuerzos de fatiga. Este tipo de compresores presentan la dificultad de la regulación de la capacidad de carga. El caudal de refrigerante que se mueve es constante en el tiempo y no puede ser regulado. 24
Los compresores de espiral trabajan, por lo general dentro de una gama de potencias que va desde los 50 hasta los 200 kw. Si se requieren mayores potencias se podrán usar varios compresores. Figura 2.2.2.2.1.1. Compresor scroll seccionado. Los compresores inverter son compresores rotativos que mediante un sistema electrónico regulan las revoluciones del motor a través de la frecuencia y hace que se adapten a las diferentes necesidades de la instalación. Los sistemas convencionales trabajan en corriente alterna y regulan la temperatura con un control todo-nada o por etapas, los sistemas de tecnología inverter son capaces de variar la corriente en el compresor de alterna a continua y variar su velocidad para ajustar las potencias frigoríficas a las demandas energéticas. Algunas de las ventajas de la tecnología inverter son: Se consiguen grandes ahorros energéticos, gracias al funcionamiento del régimen del compresor Reducidos niveles sonoros Se alcanza antes la temperatura deseada Reducción de las fluctuaciones de temperatura (mayor confort) Los elementos fundamentales del sistema inverter son el convertidor que transforma la corriente alterna en corriente continua y el inverter, dispositivo electrónico de control situado en la unidad exterior que consigue cambiar la frecuencia y por tanto variar la velocidad del compresor. Cuan do la frecuencia aumenta, la velocidad de rotación del compresor aumenta, lo que produce un aumento de la circulación de refrigerante, consiguiendo un mayor intercambio de calor y cuando la frecuencia disminuye, la velocidad de rotación del compresor disminuye y se produce una reducción de la circulación de refrigerante, consiguiéndose por tanto, un menor intercambio de calor. 25
2.2.2.2.2 Compresor screw o de tornillo Los compresores de tornillo pueden ser de un solo tornillo (monotornillo) o de doble tornillo. Son los más usados para la gama de potencias altas. La potencia de compresión oscila entre los 100 y los 1250 kw (máxima de 4000 kw) Compresores monotornillo: Se compone de un único rótor helicoidal y dos satélites opuestos, con ejes de rotación paralelos y situados en un plano perpendicular al del eje del tornillo. El tornillo y los satélites, se encuentran ubicados en una envoltura estanca. El tornillo está unido al motor de accionamiento, y los satélites son arrastrados por el giro del tornillo. Compresores de doble tornillo: Consta de dos rotores con lóbulos fileteados engranados el uno con el otro. En los canales, entre carcasa y tornillo se forman cámaras de volumen variable. La aspiración del gas comienza en una de las extremidades del bloque rotor. La compresión del gas a consecuencia del acercamiento progresivo de los lóbulos entre sí, produciéndose la reducción de volumen ocupado por el gas. Una vez alcanzado el valor de presión establecido, el gas encuentra la abertura de descarga y sale del compresor. Existe aceite entre ambos tornillos con doble función de lubricación y cierre. El compresor dispone de un orificio de succión y de dos orificios de descarga, uno axial y otro radial. La regulación se hace reduciendo el volumen fileteado, retardando el inicio de la fase de compresión. Mediante una válvula corredera, parte del gas refrigerante introducido para su compresión es desviado y vuelve a la succión sin ser comprimido. La reducción de la potencia absorbida es proporcional a la reducción de la capacidad frigorífica. Los compresores de tornillo regulan su capacidad sustituyendo la corredera longitudinal por un anillo rotativo que va descubriendo de forma progresiva un orificio que cortocircuita una parte más o menos grande de la etapa de compresión. El control de capacidad de estos compresores se puede llevar a cabo de forma continua y oscila entre el 10 y el 100% del valor máximo. Los compresores monotornillo regulan su capacidad siguiendo el mismo principio que los de doble tornillo, sustituyendo la corredera longitudinal por un anillo rotativo que va descubriendo de forma progresiva un orificio que cortocircuita una parte más o menos grande de la etapa de compresión. Existe también la posibilidad de utilizar motores de dos velocidades conjuntamente con la válvula de corredera, o añadir un variador de frecuencia al motor para poder variar la velocidad de giro del motor (sin válvula de corredera). El número de compresores para la misma potencia es mucho menor que el número de compresores alternativos. Respecto al rendimiento volumétrico, el compresor de tornillo obtiene unos resultados excelentes, rozando el 100%. 26
Figura 2.2.2.2.2.1. Doble Tornillo. Figura 2.2.2.2.2.2. Compresor de Tornillo seccionado. 2.2.2.3 Compresores centrífugos Las máquinas centrífugas se crearon para obtener grandes capacidades de enfriamiento, alcanzando potencia superiores a 1500 kw. El compresor centrífugo consta esencialmente de una o varias ruedas impulsoras montadas sobre un eje y encerradas en una cubierta de hierro fundido. El gas entra por el centro y es acelerado radialmente en el rodete, cuando pasa por los álabes se acelera y es recogido por una voluta donde la aceleración se convierte en energía de presión. Se suele utilizar compresión en múltiples etapas con enfriamiento intermedio y parcialización continua. Son necesarios refrigerantes de alta densidad R-11, R-113. Actualmente se emplea R-134a. 27
Figura 2.2.2.3.1. Esquema sección compresor centrífugo y rodete. Figura 2.2.2.3.2. Compresor centrífugo seccionado. Recientemente han entrado en el mercado los compresores centrífugos exentos de aceite u oil free que poseen unos valores de eficacia a carga parcial muy elevados, hasta hoy no alcanzados, consiguiendo ahorros de energía de hasta un 30%. La compresión se realiza mediante dos rodetes con un número muy alto de revoluciones, accionados por un motor con variación continua de la frecuencia, que suministra exactamente la potencia frigorífica requerida por la instalación mediante un control digital. Los cojinetes de levitación magnética mantienen suspendido en el aire, sin roces, el árbol. Esta tecnología derivada de las aplicaciones aeroespaciales, tiene muchas ventajas: Eliminación del aceite y, por consiguiente, mejores prestaciones de los intercambiadores de calor gracias a la ausencia de la película de aceite que, con otros tipos de compresor, se interpone entre el refrigerante y las superficies de intercambio. Ausencia de desgaste con el paso del tiempo y por tanto, mayor duración de los compresores. Ausencia de vibraciones en la máquina en cualquier condición de trabajo, incluyendo las fases de arranque. 28
Estos compresores controlan con precisión la temperatura del agua a la salida del evaporador mediante la modulación continua de la velocidad de los rodetes y la orientación de las paletas en la entrada al compresor. Esto permite una considerable capacidad de adaptación a la variación de cargas térmicas, reduciendo los consumos energéticos. Figura 2.2.2.3.3. Compresor centrífugo libre de aceite seccionado. 2.2.2.4 Número de compresores Muchos fabricantes han dejado de utilizar un único compresor grande para los enfriadores de gran tamaño y han empezado a utilizar varios compresores más pequeños. Por ejemplo, un compresor alternativo grande tendrá muchos cilindros para poder disponer de la capacidad de bombeo necesaria para mover grandes cantidades de refrigerante, algunos tienen hasta 12 cilindros. Son máquinas con muchas partes móviles y una fricción interna grande. Si falla uno de los cilindros, se detiene el sistema entero. Con múltiples compresores, si falla un compresor, los demás continúan el trabajo. Los compresores múltiples se utilizan puesto que ofrecen cierta cobertura contra el fallo total y permiten el control de la capacidad. Todos los enfriadores grandes deben contar con sistemas de control de capacidad. En caso contrario, el compresor estará siempre encendiéndose y apagándose. Esto no es deseable, porque la mayor parte del desgaste del compresor se produce durante la puesta en marcha, antes de que se establezca la presión del aceite. Es un mejor enfoque de diseño que el compresor se mantenga en línea y pueda operar a menor capacidad, lo que también reduce la fluctuación de temperatura que resulta de detener el compresor y esperar a que el agua se caliente para volver a ponerlo en marcha. El sistema con diversos compresores montados en paralelo es una solución moderna de refrigeración que apareja diversas ventajas técnico-económicas aplicadas en instalaciones de mediano y grande porte. Consiste básicamente en dos o más compresores montados en el 29
mismo circuito frigorífico, los cuales podrán funcionar todos simultáneamente o una parte de ellos, conforme a la demanda de frío necesario. Sus ventajas son las siguientes: Permite disminuir el número de compresores sin que se deje la instalación parada, en el caso de haber fallo de alguno de ellos. Facilidad de adaptación a la variación de la demanda de frío, con control modulante de capacidad: De un modo general, resulta muy difícil saber con exactitud la necesidad instantánea de frío requerida por una instalación debido a la variación de la carga térmica que se da en la gran mayoría de las instalaciones. Es importante destacar que apenas del 5 al 10% del tiempo se produce la carga térmica máxima. Durante lo restante de dicho tiempo (90 al 95%) el funcionamiento se desarrolla con gran ociosidad del equipo. Los ciclos de las estaciones del año y de los días y noches, asociados a los aspectos meteorológicos y operacionales, convierten la carga en ampliamente variable. Acompañar esta variación en la necesidad de frío es una tarea difícil en instalaciones convencionales. Normalmente se lo consigue variando el régimen de funcionamiento con un derroche muy grande de energía eléctrica ya que las paradas y arranques sucesivos consumen gran cantidad de energía eléctrica. Sin embargo en instalaciones equipadas con compresores en paralelo, a medida que la carga térmica sufre variaciones, los compresores acompañan estas variaciones colocando las máquinas en funcionamiento conforme sea necesario. En el sistema central se producen muchos ciclos de arranque y parada de los compresores toda vez que disminuye la carga térmica. Las paradas y arranques sucesivos consumen gran cantidad de energía eléctrica. Figura 2.2.2.4.1. Enfriadora de agua condensada por aire con 4 compresores alternativos en paralelo. 30
2.2.3 Tipo de condensador El condensador es el componente de la planta frigorífica cuya misión es el paso del estado gaseoso al estado líquido del fluido refrigerante gracias a un fluido que lo enfría y que evacua el calor hacia el exterior, normalmente será aire o agua. El condensador se sitúa entre el compresor y la válvula de expansión en el ciclo frigorífico. El gas refrigerante, comprimido hasta alta presión, sufre la transformación a líquido cediendo calor al exterior en el condensador, para ser expandido posteriormente en la válvula de expansión. Los condensadores en los equipos de climatización pueden ceder calor a aire o a agua, según sea uno u otro el equipo, se dice que está condensado por aire o por agua. Se pueden distinguir tres tipos de condensadores por el método de enfriamiento: condensadores de aire, condensadores de agua o condensadores evaporativos: Condensadores de aire o Enfriados por aire (intercambiadores a flujo cruzado aleteados con ventiladores axiales): Están formados por una batería de tubos aleteados dentro de los cuales circula el refrigerante que calienta el aire exterior. Por la forma de circular el aire para refrigerar, distinguimos entre dos tipos de intercambiadores, ambos de flujo cruzado: Circulación natural y circulación forzada El aire tiene un calor específico muy bajo, y por otra parte el coeficiente de transmisión térmica entre un vapor condensante y un gas es reducido. Ambas características obligan a mover grandes volúmenes de aire y poner en juego grandes superficies de intercambio para potencias frigoríficas relativamente pequeñas. Por esto, sólo en equipos pequeños se usa la circulación natural. En la mayoría de las instalaciones es indispensable, para obtener la circulación sobre el conjunto aleteado, el uso de varios ventiladores independientes. El condensador consta de un banco de tubos aleteados a través de los cuales circula el refrigerante. Teniendo en cuenta la longitud de tubo aleteado necesaria para obtener la superficie de condensación, el condensador puede constar de varias hileras de profundidad a fin de conservar una sección frontal compatible con el tamaño de los ventiladores. El diámetro interior de los tubos depende de la capacidad del condensador y oscila entre 10 y 20 mm. Así, la distancia de separación de las aletas, también dependiente del tamaño de la instalación, varía entre 1,5 y 2 mm. En cuanto a los materiales de construcción, el acero es el material más utilizado. Cuando se trata de fluidos halogenados, por razones de costo, es frecuente el empleo de tuberías de cobre con aletas de aluminio tratado contra la corrosión. 31
Para la correcta evacuación del aire se ha de buscar un buen emplazamiento, generalmente al aire libre, o en casos de pequeña potencia en el interior pero con un gran volumen de aire disponible. Según la disposición en el condensador se puede distinguir entre dirección del aire vertical y horizontal. Un factor importante a tener en cuenta es el nivel sonoro del conjunto que dependerá del ventilador elegido, así como de la disposición de los tubos. Los perjuicios por los sonidos se reducen en los modelos con circulación vertical de abajo hacia arriba. Este tipo de condensadores son de menor costo inicial y de mantenimiento, pero tienen un mayor coste de operación, porque tienen una temperatura de operación alta, y cuanto más alta esté la temperatura del condensador, más consume el compresor. Figura 2.2.3.1. Condensadores de aire con ventiladores axiales. Condensadores de agua o enfriados por agua: Pueden ser un intercambiador de carcasa y tubo o de placas. En el condensador de carcasa y tubos, el refrigerante condensa por la carcasa y el agua va por el interior de los tubos. El refrigerante cede calor al agua de los tubos, ésta se calienta y el refrigerante se condensa. El agua que se va calentando en el interior de los tubos se lleva a una torre de refrigeración (o a una red de agua fía bruta: pozo, río, etc.) donde se enfría para volverla a introducir en los tubos y calentarla de nuevo. El consumo en este tipo de condensadores es menor que en los de aire, porque trabajan con una menor temperatura de condensación, debido a que la fuente del enfriamiento es la temperatura de bulbo húmedo en lugar de la de bulbo seco del aire exterior, pero tienen un coste de instalación mayor. Además, cuando la distancia entre el compresor y el lugar donde se evacua el calor es grande, es mejor bombear agua que refrigerante (vapor). 32