Enfriadores de refrigeración: una 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 refrigeración, los enfriadores producen calor que también se puede utilizar, como agua caliente sanitaria o incluso calefacción de espacios, a menudo con asistencia.

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.

NEWS recientemente pidió a expertos de 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 en 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 manejo de aire (AHU) ubicadas en todo el edificio", dijo Tanner.

FUNCIONAMIENTO EN CALOR Y FRÍO: La bomba de calor YORK CYK es una combinación de enfriador y bomba de calor que utiliza dos compresores centrífugos para generar temperaturas de agua más altas en comparación con un enfriador con recuperación de calor y puede proporcionar agua fría y caliente simultáneamente. La unidad puede ahorrar en el uso de agua y los 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 se absorbe en el refrigerante que fluye a través del intercambiador de calor y luego regresa al compresor, según Jeff Sturgeon, gerente del centro de capacitación del sur de California en el Instituto Nacional de Confort (NCI).

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

Un enfriador de compresión emplea una de las 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 usa un tornillo helicoidal rotatorio, un compresor scroll empareja un scroll estacionario con un scroll orbital para crear la presión, y un compresor alternativo usa un sistema de pistón; las tres tecnologías se denominan "desplazamiento positivo", dijo Rodríguez.

TURBOCOR: Un compresor centrífugo Danfoss Turbocor TGS380, utilizado en enfriadores de compresión de vapor. La tecnología Turbocor utiliza rodamientos magnéticos sin aceite, un accionamiento de velocidad variable, compresión de dos etapas y un motor síncrono de imanes permanentes. (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 desplazamiento y alternativos se usan generalmente 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 medianas a grandes, dijo Rodríguez.

"Los enfriadores de 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 variar en capacidad 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 6000 toneladas.

"Es posible que sea necesario organizar varios enfriadores, según las cargas de enfriamiento", dijo Tanner. "Además, se pueden combinar varios tipos de enfriadores para lograr la carga y el rendimiento deseados. La redundancia en el diseño del sistema de enfriadores también puede ser una ventaja 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 los grandes edificios.

Consideraciones:Las desventajas, según 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 un espacio más grande para el enfriador).

Cómo funciona: Un enfriador de absorción se basa en 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 se calienta la mezcla, 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. "Luego, el vapor de agua viaja a una torre de enfriamiento, donde se vuelve a condensar en un 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: Tradicionalmente, las aplicaciones de los enfriadores de absorción se han visto 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. identificó a los enfriadores de absorción como uno de los principales sistemas de calor y electricidad combinados (CHP) necesarios para generar energía asequible, confiable y de baja emisión", dijo.

Los enfriadores de absorción pueden variar en tamaño desde enfriadores a gas para uso residencial que brindan dos toneladas de enfriamiento hasta enfriadores grandes con una capacidad de hasta 5,000 toneladas, dijo Sturgeon. Por lo general, se utilizan para edificios medianos y grandes, así como para la construcción de campus, dijo.

Beneficios: Las ventajas, dijeron los expertos, incluyen niveles de ruido reducidos, en comparación con el uso de enfriadores de compresión; eficiencia, especialmente cuando el calor residual se utiliza como fuente de calor; y la falta de piezas móviles que generalmente 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 brindan enfriamiento a un espacio, ellos mismos deben enfriarse; es decir, el calor capturado debe ser rechazado por el sistema. Esto se puede hacer por agua, por aire y por evaporación.

Cómo funciona: Con el enfriamiento por agua, el calor capturado se rechaza del edificio enfriando el condensador con agua en una torre de enfriamiento al aire libre, que generalmente se encuentra en el techo o al lado del edificio. Parte del agua utilizada para enfriar el condensador se evaporará a la atmósfera.

Aplicaciones: El enfriamiento por agua se puede usar 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 usar en edificios de una amplia gama de tamaños, pero son más comunes en instalaciones más grandes.

Beneficios: El enfriamiento por agua puede rechazar el calor de los enfriadores con la 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 representar 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 más altos y costos de mantenimiento más altos, y también requieren una huella de sistema más grande, dijo Rodríguez.

Cómo funciona:"Los enfriadores enfriados por aire dispersan el calor en la atmósfera a través de la operación de ventiladores eléctricos forzados sobre un condensador abierto", dijo Tanner.

"El calor de la carga de la aplicación se transfiere desde el circuito de agua enfriada del 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 usar en una variedad de aplicaciones y es más probable que se encuentren en edificios más pequeños.

Beneficios: Un enfriador enfriado por aire tiene una huella más compacta 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 la azotea o en el suelo", dijo Tanner. Los enfriadores enfriados por aire también usan menos agua y tienen menores costos de mantenimiento e instalación.

Consideraciones: Sin embargo, las limitaciones incluyen capacidades de enfriamiento más bajas que los enfriadores enfriados por agua y una menor eficiencia energética debido al uso de electricidad para alimentar los ventiladores de enfriamiento. 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 por evaporación se puede describir como un híbrido de enfriamiento por agua y enfriamiento por aire, dijeron Sturgeon y Troy Reineck, quienes administran la capacitación en Evapco Inc., que diseña y fabrica equipos de transferencia de calor.

Mientras que el enfriamiento por agua, o enfriamiento por evaporación indirecta, involucra algo de evaporación en la torre de enfriamiento, "el enfriamiento por evaporación directa usa la evaporación en la entrada del serpentín del condensador en un enfriador enfriado por aire para reducir los impactos de la condición del aire ambiental en el rendimiento y la eficiencia", dijo Sturgeon. . "Toma un ambiente muy caluroso y lo normaliza parcialmente para reducir las pérdidas en eficiencia y capacidad".

"El agua tibia de una fuente de calor se mezcla con el aire fresco del ambiente", dijo Reineck. "Se evapora un pequeño porcentaje del agua, eliminando el calor del agua restante, y el aire caliente se descarga a la atmósfera".

Aplicaciones:El enfriamiento por evaporación se puede usar para enfriadores que brindan enfriamiento de confort 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 mineral y evitar la corrosividad. Puede plantear problemas en un área con regulaciones de uso de agua o un suministro de agua limitado.

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

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

CICLO DE COMPRESIÓN: Una ilustración simplificada del ciclo de refrigeración por compresión de vapor en un sistema enfriador. (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 Wayne State University en Detroit.