Enfriadores de refrigeración: introducción

Cuando pensamos en enfriadores, generalmente pensamos en los sistemas que están diseñados para hacer el trabajo pesado cuando se trata de enfriar grandes instalaciones: tiendas minoristas, torres de oficinas, centros comerciales, terminales de aeropuertos, campus universitarios y similares. Aunque principalmente para enfriar, los enfriadores producen calor que también se puede utilizar, como agua caliente sanitaria o incluso calefacción de espacios, a menudo con ayuda.

En pocas palabras, un enfriador utiliza un refrigerante y los principios de la termodinámica para eliminar el calor de un espacio acondicionado. Pero "enfriador" es un término amplio que abarca diferentes configuraciones de sistemas, tecnologías de refrigeración y métodos para rechazar el calor capturado.

Hay dos tipos principales de enfriadores. Los enfriadores de compresión utilizan un sistema mecánico para cambiar el estado del refrigerante y moverlo. Los enfriadores de absorción utilizan una fuente de calor para impulsar el ciclo de refrigeración.

Recientemente, NEWS pidió a expertos de toda la industria que explicaran varios sistemas y tecnologías de enfriadores y las ventajas, limitaciones y usos típicos de los diferentes tipos de enfriadores. Aquí está lo que tenían que decir.

Cómo funciona:Los componentes principales de un enfriador de compresión son un evaporador, un compresor motorizado, un condensador y una válvula de expansión, dijo Rob Tanner, director de marketing de productos para equipos aplicados de Johnson Controls Inc.

Un enfriador de compresión exprime mecánicamente un gas refrigerante y lo envía a través del ciclo de refrigeración por compresión. "Dentro de este ciclo, el agua fría se produce dentro del evaporador y se envía a través de serpentines de enfriamiento en las unidades de tratamiento de aire (AHU) ubicadas en todo el edificio", dijo Tanner.

FUNCIONANDO CALIENTE Y FRÍO: La bomba de calor YORK CYK es una combinación de enfriadora y bomba de calor que utiliza dos compresores centrífugos para generar temperaturas de agua más altas en comparación con una enfriadora con recuperación de calor, y puede proporcionar agua caliente y fría simultáneamente. La unidad puede ahorrar en el uso de agua y en costos operativos en comparación con la combinación de un enfriador y una caldera para refrigeración y calefacción. (Cortesía de Johnson Controls Inc.)

Se sopla aire sobre los serpentines de enfriamiento y las AHU mueven el aire enfriado a través del edificio y transfieren el calor no deseado de regreso al circuito de agua del enfriador. El calor es absorbido por el refrigerante que fluye a través del intercambiador de calor y luego regresa al compresor, según Jeff Sturgeon, director del centro de formación del Sur de California del Instituto Nacional de Confort (NCI).

"Después de que se produce el rechazo del calor, el agua enfriada regresa al condensador para repetir el ciclo", dijo Tanner.

Un enfriador por compresión emplea una de cuatro tecnologías de compresión mecánica.

Los compresores centrífugos utilizan impulsores giratorios para agregar energía cinética al refrigerante, dijo Eddie Rodríguez, gerente senior de productos de Danfoss. "El impulsor luego aumenta la velocidad del fluido, lo que agrega energía y aumenta la presión", dijo.

Los compresores de tornillo, scroll y alternativos aumentan la presión del refrigerante al disminuir su volumen, dijo Rodríguez. Un compresor de tornillo utiliza un tornillo helicoidal giratorio, un compresor de espiral combina un espiral estacionario con un espiral en órbita para crear la presión y un compresor alternativo utiliza un sistema de pistón; Las tres tecnologías se denominan “desplazamiento positivo”, dijo Rodríguez.

TURBOCOR: Un compresor centrífugo Danfoss Turbocor TGS380, utilizado en enfriadoras por compresión de vapor. La tecnología Turbocor utiliza cojinetes magnéticos sin aceite, un variador de velocidad, compresión de dos etapas y un motor síncrono de imán permanente. (Cortesía de Danfoss)

Aplicaciones: La capacidad de enfriamiento de los enfriadores de compresión varía ampliamente según el tipo de tecnología de compresión utilizada. Los enfriadores de compresión de espiral y alternativos se usan típicamente para aplicaciones más pequeñas, los enfriadores de compresión de tornillo son para aplicaciones de tamaño mediano y los enfriadores de compresión centrífuga son para aplicaciones de tamaño mediano a grande, dijo Rodríguez.

"Los enfriadores por compresión de vapor son sistemas dinámicos que pueden diseñarse para satisfacer una amplia gama de demandas de instalaciones y objetivos de descarbonización", dijo Tanner.

Los enfriadores enfriados por aire con compresores scroll pueden tener una capacidad de entre 15 y 35 toneladas de refrigeración, dijo Tanner, mientras que, para aplicaciones más grandes, algunos modelos de enfriadores, equipados con dos compresores centrífugos cada uno, pueden proporcionar hasta 6.000 toneladas.

“Puede ser necesario instalar varios enfriadores, dependiendo de las cargas de enfriamiento”, dijo Tanner. “Además, se pueden combinar varios tipos de enfriadoras para lograr la carga y el rendimiento deseados. La redundancia en el diseño del sistema de refrigeración también puede resultar ventajosa en instalaciones críticas como hospitales y centros de datos para minimizar el tiempo de inactividad”.

Beneficios:Los beneficios de los enfriadores de compresión, dijo Tanner, incluyen su amplio rango de capacidad y su capacidad para satisfacer las grandes demandas de enfriamiento de grandes edificios.

Consideraciones:Las desventajas, dijeron los expertos, incluyen el ruido del compresor, que puede ser mayor en los enfriadores alternativos, y la necesidad de espacio en un sótano o sala de máquinas para acomodar el equipo (las cargas de enfriamiento más grandes requieren espacios más grandes para los enfriadores).

Cómo funciona: Un enfriador de absorción depende de una fuente de calor, o calor residual, para comenzar el ciclo de refrigeración por absorción. Un refrigerante, generalmente agua, se mezcla con otra solución que funciona como absorbente, generalmente bromuro de litio pero a veces amoníaco, dijo Sturgeon.

A medida que la mezcla se calienta, el agua se convierte en vapor, dijo Tanner. "El bromuro de litio regresa a la cámara de absorción y el vapor de agua sube al condensador", dijo. “El vapor de agua luego viaja a una torre de enfriamiento, donde se condensa nuevamente en líquido y fluye hacia un evaporador de baja presión. Debido a esta caída repentina de presión, el agua se enfría rápidamente a una temperatura baja repentina. El agua enfriada fluye a través de un circuito de agua sellado separado que transporta el calor no deseado desde el interior del edificio”.

Aplicaciones: Las aplicaciones de los enfriadores de absorción han sido tradicionalmente limitadas debido a su dependencia de una fuente de calor, dijo Tanner, pero el uso del calor residual recuperado está ampliando las aplicaciones. "El Departamento de Energía de EE. UU. ha identificado los enfriadores de absorción como uno de los principales sistemas de calor y energía combinados (CHP) necesarios para generar energía asequible, confiable y de bajas emisiones", dijo.

Los enfriadores de absorción pueden variar en tamaño, desde enfriadores a gas para uso residencial que proporcionan dos toneladas de enfriamiento hasta enfriadores grandes con una capacidad de hasta 5.000 toneladas, dijo Sturgeon. Por lo general, se utilizan para edificios de tamaño mediano y grande, así como para campus universitarios, dijo.

Beneficios: Las ventajas, según los expertos, incluyen niveles de ruido reducidos, en comparación con el uso de enfriadores de compresión; eficiencia, especialmente cuando se utiliza calor residual como fuente de calefacción; y la falta de piezas móviles, lo que normalmente significa costos de mantenimiento reducidos.

Consideraciones:Las limitaciones, según Tanner, son que un enfriador de absorción que emplea calor residual requiere una fuente de calor de alta calidad, y que la solución de bromuro de litio utilizada como absorbente corre el riesgo de cristalizarse.

Si bien los enfriadores proporcionan refrigeración a un espacio, ellos mismos necesitan ser refrigerados; es decir, el calor capturado debe ser rechazado del sistema. Esto se puede hacer mediante agua, aire y evaporación.

Cómo funciona: Con la refrigeración por agua, el calor capturado se rechaza del edificio enfriando el condensador con agua en una torre de refrigeración exterior, que suele estar situada en el tejado o al lado del edificio. Parte del agua utilizada para enfriar el condensador se evaporará a la atmósfera.

Aplicaciones: La refrigeración por agua se puede utilizar tanto para enfriadores de compresión como para enfriadores de absorción, aunque Tanner dijo que los enfriadores de compresión centrífuga se enfrían principalmente con agua. Los enfriadores enfriados por agua se pueden utilizar en edificios de una amplia gama de tamaños, pero son más comunes en instalaciones más grandes.

Beneficios: La refrigeración por agua puede rechazar el calor de los enfriadores con mayor capacidad de eliminación de calor; es eficiente, especialmente para grandes cargas de refrigeración; y reduce los costos de energía, en comparación con el enfriamiento por aire, al usar agua en lugar de ventiladores eléctricos, dijo Tanner.

Consideraciones: Los enfriadores enfriados por agua requieren un suministro constante de agua, lo que podría plantear un problema en áreas con mandatos de conservación de agua, dijo Tanner. Debido a que tienen más componentes, los enfriadores enfriados por agua tienen costos de instalación y mantenimiento más altos, y también requieren una mayor huella del sistema, dijo Rodríguez.

Cómo funciona:"Los enfriadores enfriados por aire dispersan el calor en la atmósfera mediante el funcionamiento de ventiladores eléctricos colocados sobre un condensador abierto", dijo Tanner.

"El calor de la carga de la aplicación se transfiere desde el circuito de agua enfriada por el evaporador al refrigerante en el condensador", explicó Rodríguez. "El calor del condensador se expulsa a la atmósfera mediante ventiladores".

Aplicaciones:Los enfriadores enfriados por aire se pueden utilizar en una variedad de aplicaciones y es más probable que se encuentren en edificios más pequeños.

Beneficios: Un enfriador enfriado por aire ocupa un espacio más compacto en comparación con un enfriador enfriado por agua de capacidad similar y elimina la necesidad de una torre de enfriamiento. "Los sistemas a menudo se pueden instalar en el tejado o en el suelo", dijo Tanner. Los enfriadores enfriados por aire también utilizan menos agua y tienen menores costos de mantenimiento e instalación.

Consideraciones: Sin embargo, las limitaciones incluyen capacidades de refrigeración inferiores a las de los enfriadores enfriados por agua y una menor eficiencia energética debido al uso de electricidad para alimentar los ventiladores de refrigeración. A medida que aumenta la temperatura del aire exterior, dijo Sturgeon, se reducen la capacidad y la eficiencia de un enfriador enfriado por aire.

Cómo funciona:El enfriamiento evaporativo puede describirse como un híbrido de enfriamiento por agua y enfriamiento por aire, dijeron Sturgeon y Troy Reineck, quienes dirigen la capacitación en Evapco Inc., que diseña y fabrica equipos de transferencia de calor.

Mientras que el enfriamiento por agua, o enfriamiento por evaporación indirecto, implica cierta evaporación en la torre de enfriamiento, "el enfriamiento por evaporación directo utiliza la evaporación en la entrada del serpentín del condensador en un enfriador enfriado por aire para reducir los impactos de las condiciones del aire ambiente en el rendimiento y la eficiencia", dijo Sturgeon. . "Se necesita un ambiente muy caluroso y lo normaliza parcialmente para reducir las pérdidas de eficiencia y capacidad".

"El agua caliente de una fuente de calor se mezcla con aire ambiente frío", afirma Reineck. "Un pequeño porcentaje del agua se evapora, eliminando el calor del agua restante, y el aire caliente se descarga a la atmósfera".

Aplicaciones:El enfriamiento evaporativo se puede usar para enfriadores que brindan enfriamiento confortable para una variedad de instalaciones, incluidas escuelas, edificios de condominios y oficinas, y también se usa en procesos industriales que requieren grandes cantidades de calor, dijo Reineck.

Beneficios: "El agua es un medio muy eficiente de transferencia de calor", y el enfriamiento por evaporación no requiere tanto movimiento de aire como el enfriamiento por aire, dijo Reineck. "Si necesito mover menos aire, no necesito tantos ventiladores".

Consideraciones: Será necesario mantener el agua en el sistema de enfriamiento para regular el contenido de minerales y evitar la corrosividad. Puede plantear problemas en un área con regulaciones de uso del agua o un suministro de agua limitado.

"Algunas áreas no pueden o no pueden proporcionar tanta agua como se necesita", dijo Reineck.

CICLO DE ABSORCIÓN: Una ilustración simplificada del ciclo de refrigeración por absorción utilizado en enfriadores de absorción. (Cortesía de Trane)

CICLO DE COMPRESIÓN: Una ilustración simplificada del ciclo de refrigeración por compresión de vapor en un sistema de refrigeración. (Cortesía de Trane)

Matt Jachman es el editor de legislación de ACHR NEWS. Tiene más de 30 años de experiencia en periodismo comunitario y una licenciatura en inglés de la Universidad Estatal Wayne en Detroit.