Las enfriadoras VSD ahorran energía en el funcionamiento en el mundo real

Introducción:

Los variadores de velocidad (VSD) pueden reducir el consumo anual de energía de una enfriadora hasta en un 30 por ciento, a la vez que mantienen su funcionamiento de forma fiable en una amplia gama de condiciones. Esto se logra de dos maneras:

• A carga parcial, cuando se puede reducir la capacidad de refrigeración, una enfriadora VSD consume menos energía que una de velocidad constante mientras se pueda reducir la velocidad del compresor para que coincida mejor con la carga.

• En condiciones de baja elevación, cuando se pueden reducir las temperaturas del agua de torre de refrigeración o se pueden aumentar las temperaturas del suministro de agua refrigerada, se puede ahorrar hasta cuatro veces más energía si la enfriadora VSD se ha diseñado para funcionar en estas condiciones fuera de diseño.

Contener los costes de funcionamiento

Los fabricantes están bajo presión continua para controlar los costes sin afectar a las operaciones ni la comodidad y seguridad de los trabajadores. Dado que la energía supone uno de los mayores gastos operativos, mejorar la eficiencia energética de los sistemas de refrigeración mecánica es una de las mejores maneras de reducir los costes operativos. En una típica planta de refrigeración condensada por agua, la propia enfriadora supone la mayor parte del consumo energético. Por eso, mejorar la eficiencia de las enfriadoras es crítico para controlar los costes de operación.

Aun así, las enfriadoras rara vez funcionan a plena carga, porque las condiciones varían. Por consiguiente, la Agencia de protección ambiental de los Estados Unidos (EPA) recomienda instalar VSD en enfriadoras centrífugas, ya que esto permitirá que la enfriadora funcione a velocidades más bajas en condiciones de carga parcial, con lo que se obtendrá una mayor eficiencia que la que se logra típicamente en las enfriadoras centrífugas normales que controlan la operación de carga parcial con aletas de entrada.

El uso de enfriadoras con VSD es una forma demostrada de optimizar la utilización de energía a carga completa y parcial, así como bajo condiciones de diseño y fuera de diseño a temperaturas ambiente variables. En tales casos, los VSD, también conocidos como variadores de frecuencia (VFD) o inverter de CC, pueden reducir los costes anuales de energía de una enfriadora en un 30 por ciento o más.

Como se ahorra más energía si una enfriadora puede funcionar con temperaturas de agua de torre reducidas en comparación con una capacidad reducida solamente, vale la pena estudiar ambos escenarios.

Figura 1: Ahorro de energía en real que se puede obtener de la carga frente a la elevación

Dos variables en el ahorro de energía

Por supuesto, la carga de refrigeración (capacidad) es un factor que influye en el consumo energético de la enfriadora. Como se muestra en la Figura 1, cuando una enfriadora con una temperatura de entrada constante del agua del condensador (ECWT) puede reducir la carga (Btu/hr) en un 50 por ciento, su eficiencia (kW/tonelada) en la nueva condición mejora en un 15 por ciento.

La reducción de carga es posible, ya que el número de días en los que se requiere plena capacidad es reducido. Según la EPA, “las enfriadoras pasan la mayor parte de su tiempo de funcionamiento con una carga del 40 al 70 por ciento en condiciones que a menudo son considerablemente diferentes de las condiciones estándar.”

Como su nombre indica, los VSD pueden variar la velocidad del motor del compresor para adaptarse a la capacidad. En consecuencia, siempre que se pueda ralentizar una VSD para que se ajuste a los requisitos de capacidad más bajos (lo que no siempre ocurre dependiendo del perfil de funcionamiento de la enfriadora), también se puede reducir el consumo energético.

Esto contrasta marcadamente con las enfriadoras de velocidad constante, que suelen adaptarse las cargas parciales cerrando sus paletas de prerrotación o de entrada para regular el flujo de refrigerante, lo que es igual que mantener la velocidad de un vehículo pisando el acelerador hasta el fondo y controlar la velocidad pisando el freno.

Pero el principal factor que afecta el consumo energético de las enfriadoras VSD es la “elevación”. La elevación se define como la diferencia entre la presión del evaporador y la presión del condensador.

La termodinámica de la elevación tiene un profundo impacto en el consumo energético de una enfriadora (Figura 1).

La carga de la enfriadora es la cantidad de enfriamiento que proporciona la enfriadora, mientras que la elevación determina lo que debe trabajar la enfriadora para proporcionar el enfriamiento. Cuanto mayor sea la diferencia entre la presión del evaporador y la del condensador, mayor será la elevación y más trabajo deberá realizar el compresor. Al reducir la elevación, se puede lograr un mayor ahorro de energía.

Una elevación inferior es una oportunidad para obtener un ahorro de energía significativo. Pero estos ahorros solo pueden lograrse mediante enfriadoras capaces de aprovechar las condiciones de baja elevación, como el uso de agua de torre de refrigeración a temperaturas de 55°F (12°C) o 45°F (7°C) con flujo de agua de condensador completo, que son 20°F (-7°C) o 30°F (-1°C) más frías, respectivamente, que el agua de torre a 75°F (23°C) que suelen admitir las enfriadoras tradicionales.

La reducción de la carga y la elevación producen un fuerte retorno de la inversión

Cuando una enfriadora VSD puede aprovechar las eficiencias obtenidas al funcionar con carga y elevación reducidas, el ahorro de energía recupera rápidamente la inversión adicional en tecnología VSD.

En muchas instalaciones, una enfriadora VSD que pueda aprovechar estas condiciones fuera de diseño puede lograr un retorno de la inversión en menos de uno o dos años, el ahorro operativo continuará durante décadas después de que el VSD se haya amortizado por sí solo.

La energía no es la única fuente de ahorro de las enfriadoras con VSD. Los variadores de velocidad también reducen drásticamente la corriente de entrada durante el arranque de los motores de las enfriadoras. Sin un VSD, un motor de enfriamiento típico puede experimentar una subida de hasta el 650 por ciento de los amperios de carga completa, causando una tremenda acumulación de calor y flexión en los devanados del motor.

Con el tiempo, el calor daña el aislamiento del devanado y provoca fallos en el motor. Esto significa mayores gastos de reparación y/o reemplazo y un tiempo de inactividad costoso. Con un VSD, la enfriadora arranca más lentamente y nunca consume más del 100 por ciento de sus amperios a plena carga, a menudo mucho menos. Menos amperaje significa que el generador de reserva puede ser más pequeño de exigiría una enfriadora de velocidad constante, lo que reduce el coste desde un principio. También significa menos calor y menos desgaste en el motor, lo que reduce los cortocircuitos eléctricos y las quemaduras del motor para minimizar los costes de mantenimiento y los posibles tiempos de inactividad.

Además, si una enfriadora VSD pierde potencia mientras está en funcionamiento, puede reiniciarse en solo unos minutos. Por el contrario, una enfriadora de velocidad constante puede tardar 30 minutos en enfriarse y reiniciarse.

Los VSD también aumentan el factor de potencia de una enfriadora, que es la medida de la eficacia con la que un sistema aprovecha la electricidad. Las enfriadoras con VSD a menudo pueden mantener factores de potencia de 0,95 o más, en comparación con los factores de potencia reducidos de hasta 0,6 de las enfriadoras de velocidad constante. Un VSD puede ayudar a evitar los gastos adicionales impuestos por algunas empresas de suministro eléctrico cuando el factor de potencia de una instalación cae por debajo de su umbral.

Un factor de potencia alto también puede eliminar la necesidad de un condensador de corrección del factor de potencia. Entre otras funciones, los condensadores corrigen los factores de baja potencia. La eliminación de los condensadores reduce los costes y ahorra espacio en la planta mecánica.

También vale la pena señalar que la velocidad más lenta de los motores de refrigeración VSD significa menos ruido. Esto reduce y posiblemente puede eliminar el coste del equipo de atenuación de ruido, además de mejorar la comodidad de los trabajadores.

Uso de enfriadoras VSD en aplicaciones de proceso

Las capacidades de las enfriadoras YORK con VSD a menudo las hacen adecuadas para aplicaciones difíciles que otras enfriadoras no pueden afrontar. Cuando Sierra Nevada Brewing Co. decidió sustituir en su procesos de fabricación de cerveza a las antiguas enfriadoras que requerían mucho mantenimiento, la eficiencia energética ocupaba un lugar destacado en su lista de prioridades. La cervecera quería enfriadoras que funcionaran eficientemente a carga parcial. Pero también necesitaba enfriadoras que pudieran producir temperaturas de agua muy bajas.

Para satisfacer ambas necesidades, Sierra Nevada instaló cuatro enfriadoras centrífugas por accionamiento magnético YMC² de 235 toneladas York con VSD. “Una de las ventajas de las enfriadoras York YMC² es que pueden mantener una alta eficiencia con cargas parciales,” afirma Brandon Smith, ingeniero de proyectos de Sierra Nevada.

“Los otros sistemas no podían usar temperaturas tan bajas a cargas parciales y a la vez mantener la eficiencia,” dice Smith.

¿El resultado? La nueva planta de refrigeración ahorra 1,2 millones de kilovatios hora de energía cada año,

y requiere mucho menos mantenimiento. “Estamos ahorrando energía y tiempo del personal, aumentando la eficiencia, eliminando la contaminación acústica y reduciendo nuestro impacto en la red local,” explica Cheri Chastain, responsable de sostenibilidad.

Enfriadoras de eficiencia futurista, ya disponibles hoy

Actualmente, todas las enfriadoras son más eficientes que en años anteriores. No es raro encontrar antiguas enfriadoras centrífugas de velocidad fija que consumen alrededor de 0,60 kW por tonelada de refrigeración. Los enfriadoras VSD pueden ofrecer una eficiencia sustancialmente superior.

Las enfriadoras de velocidad constante están creadas para ser eficientes a plena carga y con la temperatura de entrada de agua del condensador para la que se han diseñado. En el uso real, las enfriadoras rara vez funcionan en esas condiciones. En condiciones de baja carga y baja elevación, las enfriadoras por accionamiento magnético VSD de YORK pueden funcionar a 0,10 kW por tonelada o menos.

Además, las enfriadoras VSD avanzadas están diseñadas para generar los bajos armónicos recomendados para la red eléctrica actual. Los dispositivos electrónicos de estado sólido, como los VSD, generan frecuencias que afectan al sistema eléctrico. YORK está a la vanguardia en la limitación de los armónicos para cumplir con los requisitos de la red de suministro, la microred y la planta de fabricación.

Desde la reducción de la huella de carbono de su planta hasta la creación de un ambiente de trabajo más limpio y saludable y el recorte de los costes de energía, las enfriadoras VSD de YORK están concebidas para satisfacer las preocupaciones más acuciantes de los fabricantes en cuanto a energía, sostenibilidad, ruido y tiempo de actividad.

publicado en la edición de mayo de 2017 de Chiller and Cooling Best Practices.