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La eficiencia

10 jun 2016

Sistema de enfriamiento

En el anterior escrito me centré en la importancia de mantener el flujo constante. Ahora, en este escrito describiré de manera breve los diferentes componentes del sistema de enfriamiento y daré algunas claves para su escogencia.

  • Bombas
  • Chillers
  • Torres de enfriamiento
  • Dry coolers
  • Atemperadores
  • Tratamiento del agua

Una adecuada selección e instalación de los anteriores equipos se traduce en mejoras de la eficiencia y en menor consumo de energía; por el contrario una mala selección puede reducir sustancialmente la eficiencia e incrementar muchísimo el consumo de energía.

Bombas

Se debe buscar que la presión a la salida de las bombas sea siempre igual, por lo que lo recomendables es tener siempre al menos tres bombas de igual tamaño, conectadas así:

1. Una bomba con un sistema ON-OFF que suministre aproximadamente el 50% del caudal requerido, por lo que siempre trabajará a full carga.

2. Una segunda bomba, igual a la anterior, con un inversor que trabaje según la presión para mantenerla constante, por lo tanto a mayor presión, menor velocidad y a menor presión, mayor velocidad. Las variaciones de presión causan variaciones en el flujo.

3. La tercera bomba que sea en stand-by para reemplazar cualquiera de las anteriores en caso de falla. Una sola parada por falla de una bomba, sin repuesto, usualmente implica pérdidas mayores al costo de la bomba.

Al momento de comprar la bomba, hay que calcular el flujo de agua, que debe ser igual a la sumatoria, del flujo de agua en los puntos de consumo y hay que tener en cuenta la presión requerida y las pérdidas de presión. Lo ideal son bombas de presión y flujo. Las bombas de flujo usualmente son muy susceptibles a las altas perdidas de presión, como las que se dan en la red de aguas de las plantas de plástico.

Chillers o enfriadores de agua

Son equipos para enfriar el agua por debajo de la temperatura ambiente.

Hay dos tipos:

  • Enfriados por aire
  • Enfriados por agua

Los chillers enfriados por aire son aquellos en donde la unidad condensadora es enfriada por aire. Son la opción a escoger cuando se trabaja un sistema centralizado de suministro de agua fría.

Las altas temperaturas ambientes o la inadecuada ventilación reducen sustancialmente la eficiencia de los mismos, al igual que la falta de limpieza de los radiadores o intercambiadores de calor, por lo que deben ser ubicados en zonas con buena ventilación.

Vale la pena anotar que los sistemas centralizados de suministro de frío tienen la gran desventaja de que trabajan con temperatura única, por lo que cuando hay que hacer ajustes a la temperatura de los moldes o cilindros, hay que variar el flujo de agua, lo que reduce mucho la eficiencia. Otra desventaja muy importante es que el caudal a través de los distintos moldes o cilindros varía cuando se para cualquier máquina enfriada por agua del circuito, lo que altera la eficiencia.

Aunque inicialmente se podría pensar que son más eficientes que los chillers enfriados por agua ubicados al pie de máquina, la realidad es que las pérdidas de presión y calor a través de las tuberías de conducción y el tipo de intercambiador de calor les resta muchísima eficiencia.

Una de las grandes causas de los altos consumos de energía, cuando se utilizan chiller centrales, es el dimensionamiento inadecuado de las bombas y tuberías; las pérdidas, por estas razones, hay que compensarlas aumentando el tamaño del chiller y además reducen sustancialmente la eficiencia de las bombas.

La segunda clase de chillers son los enfriados por agua, en donde el calor del evaporador se remueve por agua; son mucho más eficientes que los de aire, por que remueven el calor del condesador con intercambiadores agua – agua.

Este tipo de chiller se populariza cada día más, ya que al colocarse uno por máquina permite regular la temperatura del agua, manteniendo constante el flujo y contribuyendo de manera significativa a estabilizar las condiciones de proceso, de tal manera que aumente la eficiencia.

Últimamente se han venido sofisticando bastante este tipo de chillers; aquí algunos ejemplos:

  • Doble circuito, muy empleado para moldes de colada en caliente, en donde la parte de la colada caliente es muy pequeña y la de la fría muy grande, por lo que requieren temperaturas de agua sustancialmente diferentes.
  • Adición de inversores a los compresores para mantener constante la temperatura del agua, sin necesidad de tener que estar prendiendo y apagando el chiller.

Torres de enfriamiento

Éstas se utilizan para enfriar el agua que normalmente se usa para remover el calor de las máquinas y los chillers enfriados por agua. Dada la alta variación de la temperatura, no se recomienda que se utilicen para enfriar los moldes o los cilindros, aunque en algunos casos con la adición de un inversor o variador de frecuencia para el ventilador se puede mantener muy constante la temperatura del agua.

El cálculo del tamaño mínimo de la torre se debe hacer con base al flujo del agua y el ∆T, o sea diferencia entre la temperatura de entrada y salida del agua, el cual debe ser de 2o C. Mientras más alto el ∆T, mayor la capacidad en toneladas de refrigeración de la torre y menor la eficiencia del proceso.

Altas diferencias de temperatura entre el retorno y la salida de la torre son indicios de problemas, como flujo insuficiente, altas perdidas, etc.

Para efectos de eficiencia energética de los chillers, las torres deben estar trabajando con una temperatura de salida del agua lo más cercana a la temperatura del bulbo húmedo de la zona donde se encuentran.

La gran desventaja es su alto consumo de agua, el cual se puede mitigar variando la velocidad del ventilador de acuerdo a la temperatura. Otras desventajas son que requiere tratamiento y filtrado de agua permanente.

Tienen varias ventajas, como son:

  • Su bajo consumo de energía, por tonelada de frío, el cual es el más bajo de todos los sistemas de enfriamiento, lo que se traduce en un bajo costo operativo a pesar del alto consumo de agua.
  • Sus bajas pérdidas de presión, lo que las vuelve muy flexibles y en la mayoría de los casos permite que se adicionen equipos, sin necesidad de ampliar la capacidad.
  • Su bajo costo.
  • Su facilidad de mantenimiento, que es casi 0.

Usualmente el agua es mucho más barata que la energía. 

Dry coolers

Son también conocidos como torres adiabáticas porque son unas torres de enfriamiento que trabajan en circuito cerrado, es decir, el agua nunca va en contacto con el aire. Fueron desarrolladas para países con estaciones, en donde hay temporadas del año, con temperatura ambiente por debajo de 0 grados, lo que imposibilita la utilización de las torres convencionales por el congelamiento del agua. Igualmente son muy adecuados en zonas con escasez o muy alto costo del agua.

Sus ventajas son menor consumo de químicos para tratar el agua, menor consumo de agua y permiten la utilización de anticogelantes en invierno.

Sus desventajas son un consumo de energía mayor que el de las torres, por lo que su costo operativo por tonelada es más alto, aún cuando consumen muy poca agua. Además son sistemas muy poco flexibles, por lo que al adicionar nuevo equipo hay que hacer ampliaciones de los dry coolers y de las bombas de agua, lo que incrementa de manera importante las inversiones, situación que no ocurre con las torres de enfriamiento.

Atemperadores

Son equipos que se utilizan para calentar y mantener los moldes o cilindros a una cierta temperatura. Se usan cuando la temperatura del molde debe estar muy por encima de la temperatura ambiente, lo cual es muy común en inyección de piezas de ingeniería o con propiedades ópticas.

En vez de tener un sistema de enfriamiento de agua tienen un sistema de calentamiento.

Existen de agua y de aceite. Este último es el mas utilizado, cuando la temperatura del molde o cilindro están por encima de 800 °C, para evitar la ebullición del agua y con ellas los peligros que esto acarrea. También son recomendables cuando las piezas son de materiales susceptibles a la oxidación, porque mientras mas alta la temperatura, mayor la rata de oxidación.

Una opción recomendable es comprarlos con la opción de monitoreo y control de la temperatura del molde o cilindro.

Igualmente los hay de uno o dos circuitos.

Tratamiento del agua

El tratamiento del agua, tanto para torres, dry coolers y chillers debe incluir:

  • Inhibidor de formación de óxido y de dureza
  • Alguicida

IMPORTANTÍSIMO, debe ser inhibidor, NO removedor de óxido ni de dureza. Los removedores de óxido y dureza, al remover el óxido o las incrustaciones, debilitan las tuberías, lo que puede causar perforaciones y que los aceites se mezclen con el agua, fugas de gas o reparaciones costosas en los cilindros.

Estos tratamientos usualmente son con químicos.

Cuando un intercambiador de calor de una máquina está obstruido por incrustaciones de carbonato o por óxido, lo que se debe hacer es cambiarlo, NUNCA tratar de remover este tipo de obstrucciones.

En los moldes es particularmente importante la remoción de óxido, porque éste reduce de manera dramática la capacidad de enfriar las piezas. Esto se debe hacer en una estación separada, que tenga su propia bomba y su propio tanque, y una vez removido el óxido se les debe echar a los moldes inhibidores de oxidación. Esta debería ser una práctica a ejecutar con cada molde antes de montarlo en la máquina, especialmente si el tratamiento del agua es químico.

Recientemente hay en el mercado unos equipos electromagnéticos que eliminan la necesidad de tratamientos químicos, lo que los hace unas excelentes opciones, porque además de mantener el agua en buenas condiciones, eliminan el óxido y las incrustaciones.

También hay opciones de eliminación de bacterias y algas, con lámparas UV o con ozono.

Los estándares mundiales buscan que la eficiencia de un proceso, una vez estabilizado después del arranque, sea superior al 99%.


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Alejandro
13 de diciembre de 2016 a las 11:32

Hola Ingeniero He estado en búsqueda de esta temática y su información me ha parecido muy completa. Encontré también este artículo que habla en específico de los tipos de chillers y me gustaría compartirlo: http://www.iaase.com.mx/diferencias-entre-chiller-enfriado-por-agua-y-chiller-enfriado-por-aire-en-los-sistemas-de-aire-acondicionado/ Muchas gracias y saludos!

JOSE LUIS
11 de diciembre de 2016 a las 11:14

Buen tema me agradaría ver los cálculos de carga térmica de un equipo PET. En la actualidad estoy investigando sobre el tema debido a que se nos presento un proyecto para mejora del sistema, toda la información que pueda recopilar sera importante para mi.

Carlos Edmundo
05 de agosto de 2016 a las 20:37

Ing. JC Oberndorfer importante exposición dando continuidad al anterior. Me enterado que existen equipos electromagnéticos para eliminar óxidos; Ing. sí puede citar en su próximo artículo un link para modelos y fabricantes de estos equipos?. Gracias anticipadas

Dayana
22 de mayo de 2018 a las 11:53

Hola Carlos, existen torres de enfriamiento fabricadas en fibra de vidrio, las cuales están diseñadas para ser mas duraderas y evitan el oxido. puedes revisar www.reymsa.com