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Calculadores energéticos y artículos sobre el uso de la energía, su eficiencia e impacto sobre el medio ambente. Aplicaciones prácticas Biblioteca - ISSN 2326-6880 |
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Resumen termodiámico para entender como realizar la evaluación energética Volumen de refrigerante desplazado y capacidad frigorífica Pasos a dar para determinar la eficiencia energétcia del sistema de refrigeración Resumen
La capacidad de refrigeración de un equipo está dada por el calor absorbido en el evaporador (QB). En cambio, la carga de refrigeración corresponde a la energía térmica que contiene el medio que se desea refrigerar. El trabajo ejercido por el compresor sobre el fluido refrigerante (W) puede estimarse como la diferencia entre el calor disipado por el condensador (QA) y el calor absorbido por el evaporador (QB). El calor absorbido en el evaporador (QB), el calor expulsado en el condensador (QA) y la potencia o trabajo ejercido sobre el fluido refrigerante (W), pueden ser calculados de acuerdo a las variaciones de la entalpía del refrigerante en las distintas etapas del ciclo, suponiendo que las válvulas de expansión son isoentálpicas (entalpía constante). Consultando un texto sobre termodinámica, se pueden extraer las ecuaciones que nos ayudarán a evaluar el proceso, las que vienen representadas por:
hi : entalpías en los distintos puntos indicados en las Figura anterior Los ciclos reales se alejan en la práctica de los ciclos teóricos y esto es debido a que las sustancias no se comportan en los estados ideales sobre los cuáles se definen la tórica del proceso. Esta realidad se comprueba en las siguientes etpas del ciclo: a) La compresión no sigue exactamente un proceso adiabático, ya que se producen pérdidas de calor del gas refrigerante en el compresor. b) Los procesos de condensación y evaporación no son isobáricos debido a las pérdidas de carga por fricción. c) Existe normalmente un pequeño subenfriamiento del líquido que llega a la válvula de expansión y un sobrecalentamiento del vapor que llega al compresor. Esto ya los hemos revisado anteriormente. El coeficiente de operación (COP) nos da una idea de la eficiencia con que está operando el sistema de refrigeración. Este se define como:
También se puede calcular la potencia activa que desarrolla el motor eléctrico, si este es el caso, conocida su tensión eléctrica, (V) volt, la corriente nominal (I), amp y el factor de potencia (cos f ) que toma el motor. Teniendo en cuenta si el motor es monofásico o trifásico, esta puede ser calculada por la expresión: monofásico P = (V,volt )* (I,amp) * (cos (f)) trifásico P =1.7321 [(V,volt )* (I,amp) * (cos (f))] Volumen de refrigerante desplazado y capacidad frigorífica. Para completar el análisis energético del sistema, además de determinar los parámetros y variables termodinámicas del comportamiento del amoniaco en el Sistema de Refrigeración, necesitamos conocer el volumen desplazado y la masa de refrigerante que circula por el sistema. Conocida la masa de refrigerante que circula, en lb/h y el calor absorbido en el evaporador, en Btu/lb, se calculará la capacidad frigorífica, en toneladas de refrigeración. En los sistemas de mediana y gran capacidad, se instalan diferentes tipos de compresores, entre ellos: los reciprocantes o de pistones, los de tornillos, los compresores scroll, los centrifugos, mencionando los tipos más empleados.
El volumen desplazado de refrigerante es función de la capacidad, tipo de compresor y de las condiciones del refrigerantre en la succión. Hoy en día es muy corriente, que en los sistemas de mediana y gran capacidad se monitoree el flujo de refrigerante, a través de un sistema de medición, compuesto bien por un metro rotativo de flujo, o por toberas, platillos, tubos pitot, venturis, etc. Estos elementos de medición y sus convertidores, transmiten una señal eléctrica hasta un PLC o automáta. El automáta traduce la señal en el dato operativo que se requiere, en unidades de volumen o masa por unidad de tiempo. En los casos en que no se disponga de la medición del flujo del refrigerante, podría calcularse, según el tipo de compresor. Para los compresores alternativos, conocido el diámetro del pistón, plg (D), la longitud de la carrera, plg (L), del número de rev por min o rev por hora (n), la cantidad de pistones (N), el rendimiento volumétrico de la compresión nv y las características del volumen aspirado en la succión del compresor, puede calcularse el volumen que este desplaza, instantaneamente. Es normal que los sistemas tengan instalados un control del capacidad, por lo que existirán diferentes etapas de marcha, en ritmo con la demanda. Es por eso que las mediciones y cálculos son representativos para las condiciones instantaneas en que se han tomado los parámetros de temperatura, presión y flujo de refrigerante. Se recomienda tomar varias lecturas y mediciones de los parámetros y variables termodinámicas, cada juego considerando diferentes marchas. Así el comportamiento energético y los indicadores de eficiencia que resulten de los cálculos, serán rerpresentativos de las variantes operativas del sistema. Nota: Expresiones para determinar el volumen desplazado y la masa de refrigerante si el tipo de compresor es alternativo. Vd=N[0.785(D)2*L*2n*nv]=pie3/min o pie3/h La masa de refrigerante es igual al desplazamiento anterior Vd, dividido entre el volumen específico del vapor en la succión del compresor. Masaref= (Vd/vgasat)= kg/min o kg/h Frigorías=(Masaref)*(QB)=frigorias/min o frigorias/h Una relación de eficiencia, empleada para medir el comportamiento energético de los sistemas de refrigeración, es Energy Efficiency Ratio (EER): Es la relación entre las unidades de energía de enfriamiento QB, expresada en BTU/h y la potencia instalada en el sistema en Watt para un punto instantáneo de operación. Este coeficiente, al igual que el COP, también es mayor que la unidad.
Las normas internacionales que se establecen para la producción y desarrollo de nuevos sistemas de Aire Acondicionado, obligan a que los sistemas para este tipo de aplicación tan difundida se fabriquen con mayor eficiencia. Un parámetro que evalúa el comportamiento energético integral de los sistemas de Aire Acondicionado es el Relación Estacional de la Eficiencia Energética - Seasonal Energy Efficiency Ratio (SEER): Definido por el Air Conditioning, Heating, and Refrigeration Institute en su standar ARI 210/240 del 2008 para el Coeficiente de Comportamiento Estacional de un Aire Acondicionado o una Bomba de Calor. El SEER es la cantidad de unidades de BTU de enfriamiento que se generan durante un periodo o estación del año, dividido por el consumo total de energía eléctrica expresado en Watt-horas que se ha empleado en igual periodo. Esta relación tiene valores superiores a la unidad y actualmente las normativas en USA establecen valores SEER=24.
Existe una relación entre EER y SEER para los sistemas centrales residenciales que se muestra a continuación:
La eficiencia volumétrica del compresor se define como:
v1 : volumen específico en punto 1 vD : volumen desplazado por el pistón por unidad de tiempo La unidad práctica de capacidad de refrigeración son: la tonelada de refrigeración, la kilocaloría y la frigoría. La equivalencia entre estas dos unidades es la siguiente:
Pasos a dar para evaluar la eficiencia energética del sistema de refrigeración. Convencidos que estamos frente a uno de los sistemas energéticos de mayor demanda en el consumo de energía, es razonable establecer un control de su operación. Para realizar el control se requiere que el sistema tenga instalado los medios de diagnósticos imprescindibles, con el objetivo de poder medir los parámetros de presión y temperatura en los principales puntos del ciclo termico. Debido a la amplia gama de capacidades, lo que sigue se refiere a sistemas de mediana y gran capacidad, 30 kw de refrigeración en adelante. No obstante lo establecido anteriormente, este procedimiento podrá ser aplicado, si es interés del usuario, hasta un pequeño aire de ventana, siempre y cuando pueda tomar los parámetros básicos que miden el comportamiento del equipo. Puntos comunes donde se miden los parámetros de operación, (los básicos en rojo):
Como estos procesos son muy dinámicos, en la medida que se tomen un número mayor de mediciones y se seleccionen estadisticamente los mismos, el resultado se acercará más a la realidad de lo que viene ocurriendo. Si se almacenan los datos reportados durante la evaluación y se compraran en el tiempo, se podrán apreciar las tendencias y con ello predecir soluciones oportunas. No todos los sistemas tienen instalados los instrumentos que detalla la Tabla anterior, ni tampoco para realizar la evaluación de un sistema es obligatorio contar con todos, tal y como ya se ha destacado en la propia Tabla. De hecho algunos de ellos por lo general son instrumentos portátiles y se emplean ocasionalmente, como son los anemómetros, metros de flujo y barómetros. Los sistemas de mediana capacidad tienen instalados un mínimo de instrumentos y los sistemas pequeños, ninguno. Por ejemplo los aire de ventana pequeño, o los splits, de amplio uso doméstico y comercial, no tienen instalado ninguno de estos instrumentos. Para evaluar los sistemas pequeños y de mediana capacidad, es muy común montar instrumentos portátiles, que forman parte del kit de herramientos de los técnicos de refrigeración, como son los juegos de manómetros de baja y alta, el amperímetro o metro eléctrico, los termómetros de sondas de inmersión y contactos y los detectores de fugas. En ocasiones y en función del alcance del servicio de mantenimiento, reparación o si se exige la certificación , se llevan estos equipos a laboratorios equipados, donde existe los instrumentos adecuados y calibrados. Los equipos se montan en bancos de pruebas y se someten a regímenes de carga pre-establecida, para saber su capacidad y eficiencia real. La idea que desarrollo en esta serie de páginas, es la de que conocida la temperatura (y presión en la zona recalentada del refrigerante) se puedan determinar las variables de estado para los diferentes puntos característicos del sistema. Con el juego de datos impresos por el procesador, se realizarán los cálculos de los indicadores QB, QA, W, COP y el flujo de refrigerante (m). El valor del flujo másico de refrigerante puede calcularse, conocido el trabajo relizado por el motor eléctrico sobre el compresor y sus parámetros operacionales, para lo que es necesario medir los parámetros de corriente y la eficiencia que el motor desarrolla. Los parámetros principales de eficiencia se basarán en determinar el COP real y la relacción EER. Con una toma de datos superior, incluyendo los otros fluidos que interactuan y complementan al sistema de refrigeración, podemos diagnósticar el comportamiento de los sistemas auxiliares. Me refiero al aire o agua de enfriamiento durante la condensación y a las corrientes o materias refrigeradas. Esta información se emplería para evaluar los procesos de condensación y evaporación así como el equipamiento que los lleva a cabo, entre ellos los condensadores, evaporadores, sistemas de intercambio de calor y de bombeo de líquido.
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