Los sistemas de refrigeración industrial utilizan principalmente energía eléctrica, la cual es utilizada para mover compresores, motores y otros sistemas asociados. El uso de frío industrial es muy utilizado por la industria de alimentos y también por otros procesos industriales. Con el fin de promover el uso eficiente de la energía en este tipo de sistemas, es necesario conocer bien las opciones existentes en los sistemas de generación y distribución, así como de las oportunidades existentes en su uso final.
Como primer paso de diagnóstico energético, es extremadamente importante conocer muy bien las instalaciones. Los sistemas pueden ser variados y de diversa complejidad. Es importante identificar los equipos asociados y generar un esquema de las instalaciones, además de representarlos físicamente en un layout de la planta. A continuación se presenta un esquema típico de un sistema de refrigeración. Este puede tener múltiples compresores, evaporadores, condensadores y sistemas de expansión.
Idealmente sería de gran beneficio contar con un balance de energía de las instalaciones, con el fin entender como se consume la energía de refrigeración. Esto no está siempre disponible, pero podría ser de gran utilidad al momento de buscar oportunidades de EE.
Otro tema de gran relevancia es establecer los parámetros de operación, a lo largo de un día, mes o año. Pueden existir estacionalidades de uso que deben ser identificadas con claridad. Realizar mediciones instantáneas de operación, así como a lo largo de un período, ayudará a verificar y a identificar el régimen de funcionamiento del sistema.
Se recomienda establecer índices de consumo energético, como por ejemplo consumo de energía eléctrica por toneladas de producto refrigerada (kWh/ton). Esto ayudará a monitorear el uso de energía de las instalaciones.
Abordar el tema en gran profundidad no es posible en este artículo, es por eso que se han seleccionado sólo un par de medidas, que los autores han identificado durante la realización de auditorías energéticas durante el presente año.
Oportunidades de EE en la generación de frío
Aumento de la temperatura de evaporación
Mientras mayor sea la temperatura de evaporación de un sistema de refrigeración, menor será su consumo de energía. Un aumento de 1°C, podría significar ahorros que van entre un 1% y un 4%.
La reducción del volumen de específico del refrigerante, asociado al aumento de la temperatura de evaporación, afecta la capacidad frigorífica del compresor y las pérdidas en la línea de succión. Es posible estimar que por cada 1ºC de aumento en la temperatura de evaporación, podría obtenerse un aumento de un 4% a un 6% en la capacidad frigorífica del compresor.
Algunas maneras de reducir la temperatura de evaporación son:
•Mantener los evaporadores libre de hielo.
•Evitar obstrucciones al flujo de aire en las cámaras de frío.
•Mantener los intercambiadores de calor libre de obstrucciones, aceite, etc.
•Evitar la acumulación de aceite de los compresores en los evaporadores, para esto es necesario dimensionar correctamente las líneas de succión y utilizar separadores de aceite eficientes.
•Limpiar o cambiar periódicamente los filtros de refrigerante, con el fin de evitar minimizar las pérdidas de presión a través de ellos.
•Elevar la temperatura de evaporación hasta el mayor valor posible, en función de las necesidades del proyecto.
En uno de los estudios realizados por los consultores, para una planta exportadora de uva de mesa, fue posible identificar la siguiente situación:
•El sistema de refrigeración de la planta se encontraba en expansión. Durante una de las visitas fue posible observar que existían 2 cámaras de mantención para 0°C y 3 túneles de prefrío.
•Existían 9 unidades evaporadoras en cámaras de frío, 2 compresores en la sala de máquinas y un condensador evaporativo junto a la sala de máquinas. El sistema completo de refrigeración utiliza amoniaco (NH3) como refrigerante. El detalle de la potencia instalada de los equipos se presenta en la tabla Nº 1.
•Fue identificado que el trabajo de los compresores estaba en el rango adecuado en cuanto a presiones de trabajo y consecuentemente de rendimiento. Se verificó que la planta trabajan a presiones equivalentes a temperaturas de evaporación de -12,5ºC y temperaturas de condensación de +32ºC.De acuerdo con la experiencia de los consultores, se estimó posible que los compresores serían capaces de proveer los escalonamientos de control necesarios para mantener temperaturas de evaporación superiores y no menores a -10°C. El siguiente análisis muestra que esta diferencia, sólo 2,5ºC, pueden significar ahorros en los costos operacionales significativos
Tabla rendimiento compresores Mycom N6WB
La tabla presenta las capacidades de los compresores existentes, modelo N6WB. Con la actual temperatura de evaporación de -12,5ºC, es posible extrapolar el rendimiento de cada uno de los compresores, correspondiente a 80,6 toneladas de refrigeración o 241.983 kcal/h. Es posible apreciar que el rendimiento de cada compresor a una temperatura de evaporación de -10ºC es de 90,1 toneladas de refrigeración o 270.840 kcal/h (flecha azul). Esta diferencia de rendimientos implica casi un 12% de aumento de capacidad.
Utilizando una lógica simple, esta propuesta nos indica que si los equipos están en una condición de operación de un 12% de mayor capacidad, sus horas de operación para la misma cantidad de producto a enfriar sería de un 12% menor a la actual.
En la práctica, el aumento de la temperatura de evaporación conlleva un incremento en la exigencia al motor eléctrico del compresor. Esto implica que existe un aumento en el consumo eléctrico de este motor, pero en un porcentaje menor y no mayor al 50% del incremento del rendimiento frigorífico. Fue estimado que el aumento de eficiencia energética del compresor podría alcanzar un valor de un 7%.
Tanto los evaporadores, como el condensador evaporativo, del sistema parecían ser dimensionados adecuadamente. La potencia eléctrica del motor del compresor poseía un margen adecuado, donde los 90 KW (120 HP) son adecuados para manejar temperaturas de evaporación de hasta +5ºC según catálogo del fabricante.
Fue estimado que la inversión necesaria para los elementos de control, que ayudarían a realizar un proceso de regulación fina, no debiera superar $1.000.000. El apoyo del proveedor de los equipos y del instalador del sistema, fueron de suma importancia para identificar esta oportunidad. Este tipo de regulación debe ser siempre evaluada por el proveedor o prestador de servicios de mantención, ya que dependerá de las condiciones de diseño de la planta. La siguiente tabla resume la oportunidad de elevar la presión de evaporación de -12.5 ºC a -10ºC.
Este es un proyecto de EE, claramente atractivo y fue recomendada su implementación inmediata. Este tipo de oportunidad implica una acción que conlleva una baja inversión y la cual debe permanecer como una tarea del equipo de mantención.
Control de la presión de condensación
En otro estudio realizado por los consultores, para una aplicación comercial pequeña, fue posible identificar la siguiente situación:
•El sistema de refrigeración correspondía a uno típico utilizado para mantener productos alimenticios a medias/bajas temperatura
•Existía una unidad condensadora exterior y seis unidades evaporadoras interiores, que utilizan refrigerante 404A.
•Las unidades evaporadoras poseían consumos eléctricos muy parejos durante el día. Por otro lado, la unidad condensadora poseía consumos extremadamente variables, que dependían de factores tales como demanda de frío de las distintas unidades evaporadoras, condiciones de temperatura interna y temperatura ambiental externa.Se midió el consumo eléctrico de la unidad condensadora durante 4 días, los resultados de presentan en el siguiente gráfico. Durante las horas atención al público, entre las 08:00 y 22:00 horas, el consumo medio fue de unos 12,5kW. El consumo medio bajó a un valor de 7,4kW durante la noche, cuando el supermercado estaba cerrado al público. Esto representa una reducción de consumo del orden de un 40% (ver grafico).
Esta baja de consumo tiene relación con dos aspectos:
• el uso de cortinas en la vitrinas (lácteos, carnes, etc.) durante la noche reduce las pérdidas.
• las menores temperaturas exteriores durante la noche, ayuda a que la unidad trabaje en condiciones mas favorables.
Es evidente que el uso de cortinas genera una gran reducción de consumo de energía, el cambio es muy brusco y ocurre exactamente a las horas que se cierra el supermercado, alrededor de las 22.00 horas.
Se realizaron además mediciones de los consumos eléctricos, por fase, de los compresores y ventiladores de la unidad condensadora, en la mañana (10.30) y en la tarde (15.30), de un día de verano. De estas mediciones se puede mencionar:
a. Los compresores de refrigeración trabajan siempre muy por debajo de su amperaje nominal máximo. Esto es una característica propia de todo tipo de compresores herméticos y semi-herméticos de refrigeración.
b. El incremento de la temperatura ambiental externa y consecuentemente de la temperatura interna del local en alguna medida, genera aumentos de consumo eléctrico de un 4,4%.
Se realizaron además mediciones de presión de refrigerante, las cuales indican que:
a. La temperatura de evaporación de la mañana (-14ºC) es mas baja de lo necesario, lo cual implica un mayor uso de energía.
b. En el caso de las mediciones de la tarde se demuestra que la unidad condensadora esta bastante sobre dimensionada.
Utilizando tablas de rendimiento de compresores, se pudo establecer una comparación de consumos eléctricos con los rendimientos frigoríficos, lo cual se presenta en la siguiente tabla de arriba.
Es posible apreciar que existe un potencial de reducir el consumo eléctrico en por lo menos un 3.8% sin sacrificar el rendimiento frigorífico. Para esto se requiere un control más preciso de la presión de condensación.
Extrapolando estos ahorros a un año completo, fue estimado que los ahorros podrían ser superiores en los meses de invierno donde la unidad funciona a cargas parciales, y que sería posible lograr ahorros del orden de un 10%.
Las opciones de control de la presión se pueden lograr a través de controlar el funcionamiento de los ventiladores de la unidad condensadora. Esto se puede lograr mediante la incorporación de presostatos simples, tipo ON-OFF, de reposición automática para cada ventilador, que permitan mantener una presión de condensación más constante posible entre 16 y 20 bar.
En algunos casos es posible, que sólo se requiera de una regulación adecuada de los instrumentos de control para lograr presiones de trabajo adecuadas y estables. Esto permitirá mantener este equipo en una condición de máxima eficiencia.
Esta es otra medida de EE claramente atractivo y también se recomendó su implementación inmediata. Esta oportunidad corresponde nuevamente a una acción de baja inversión y que debe permanecer en el tiempo como un ítem de eficiencia en la operación.
Conclusiones
Se estima que es posible ahorrar entre un 2% y un 3% por cada grado que sea posible disminuir en la temperatura de condensación. A su vez se estima también que sería posible obtener ahorros entre un 1% y un 4% por cada grado que sea posible elevar la temperatura de evaporación.
Pero esto no es todo, existen variadas oportunidades en el área de refrigeración industrial y comercial. Algunas de ellas serán de tipo genéricas, pero la gran mayoría serán específicas al tipo de instalación. Es altamente recomendado realizar diagnósticos energéticos, que faciliten la identificación de estas oportunidades de EE y sus potenciales medidas asociadas. Es importante analizar las medidas desde el punto de vista técnico y económico.
Hoy en día existen instrumentos que permiten a las empresas realizar y co-financiar este tipo de estudios. Pero es siempre recomendable comenzar internamente y buscar la asesoría de expertos para temas específicos.
