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Registro de datos para reducir el costo energético en sistemas de refrigeración John Hench y Manuel Camacho En una instalación frigorífica, un sistema de control moderno puede generar gráficos de parámetros sensitivos para realizar ajustes precisos, con el fin de optimizar el consumo energético. En este artículo se presentan algunos de los lineamientos de conservación de energía utilizados por los sistemas de control modernos, los cuales pueden mejorarse mediante el uso de tendencias históricas. Control de compresores Secuenciamiento. El microcontrolador permite desplegar la secuencia de operación de los compresores en pantalla, lo cual permite al operador seleccionar manualmente la secuencia más adecuada para la carga actual. Control de presión de succión. El microcontrolador regula la presión de succión cargando los compresores cuando la presión sube sobre el punto de ajuste máximo y descargándolos cuando esta cae por debajo del punto de ajuste mínimo. Secuenciamiento automático de compresores. Se calcula automáticamente la combinación ideal de compresores para la carga actual, manteniendo en operación solo los compresores necesarios. Límite de capacidad mínima de los compresores. Se monitorea contínuamente la capacidad de todos los compresores en operación y se incrementa al mínimo deseado y seleccionado, al tiempo que se disminuye la habilidad de otros compresores para mantener el consumo energético constante. Compensación por apagado de compresores. Se calcula contínuamente si es posible apagar alguno de los compresores, en caso de que pueda ser asumida al incrementar la capacidad de otros que se encuentren en operación. Punto de operación especial. El microcontrolador incrementa o disminuye la presión de succión al “punto de operación especial” cuando se recibe una señal, ya sea por acción directa del operador o por algún otro equipo (por ejemplo, una batidora de helados). Seguimiento de carga. El microcontrolador obtendrá una señal para incrementar o disminuir la presión de succión en respuesta a la actividad de un evaporador. Contraorden de presión diaria. Se incrementa o disminuye automáticamente el punto de ajuste de la presión de succión, de acuerdo con los valores ingresados por el operador, junto con el momento en que inicia y termina la contraorden. Control del condensador Punto de ajuste de diferencia de temperatura. El microcontrolador calcula la temperatura del bulbo húmedo y la del condensado (según la presión de descarga); asimismo, controla la diferencia de temperatura en tanto que la presión de descarga esté entre los puntos de ajuste máximo y mínimo. Esta característica evita el uso excesivo de los abanicos para mantener baja la presión de descarga. Punto de ajuste de presión de descongelación. Cuando el microcontrolador recibe la señal de que un evaporador está descongelando, incrementa la presión de descarga al punto de ajuste pre-seleccionado, hasta que ningún evaporador esté descongelando. Así se evita mantener presiones de condensación altas todo el tiempo. Control de velocidad variable de los abanicos. Si el sistema de condensación utiliza abanicos de velocidad variable, se reduce el consumo energético al disminuir la de todos los abanicos de los condensadores. Cuando éstos alcanzan su mínima velocidad de operación, uno se detiene y se ajusta la de los restantes. Los abanicos de velocidad variable tienen prioridad de encendido sobre cualquiera de velocidad no variable. Control de evaporadores Inicio de descongelación. La descongelación puede ser activada según se requiera, ya sea por variación en la temperatura o presión del aire, el tiempo de enfriamiento acumulado o los sensores infrarojos de escarcha, lo cual evita ciclos de descongelación innecesarios. Conclusión de la descongelación. La descongelación puede terminarse cuando la temperatura de la salida de gas caliente se eleve, indicando que la escarcha ha sido completamente removida. Seguimiento de carga. El microcontrolador compara el porcentaje de tiempo en que el evaporador enfría con el porcentaje de enfriamiento deseado. Cuando el primero es menor que el segundo, se incrementa la presión de succión. En caso contrario, el microprocesador disminuye dicha presión. Enfriamiento intermitente. Se puede utilizar esta técnica en un congelador rápido para ahorrar energía encendiendo y apagando los abanicos (o disminuyendo su velocidad) durante períodos cortos de tiempo; de esta manera se disminuye su consumo energético y el costo de extraer el calor generado por sus motores. El período de apagado o disminución de velocidad se calcula según el tamaño del producto, de forma que no se afecte el tiempo total requerido para remover su calor. Ciclaje de los abanicos. Esta característica permite al operador ciclar los abanicos (apagarlos cuando no están enfriando) para reducir su consumo energético y reducir la carga térmica producida por sus motores. Uso de tendencias históricas para reducir el uso de energía La escogencia de los parámetros de control es, en cierta forma, arbitraria y, algunas veces, es difícil determinar su valor óptimo. El análisis de los datos reales de operación puede mostrar que los parámetros de control óptimos son distintos para momentos diferentes del año o, incluso, durante la misma semana. En plantas de producción, ciertos equipos de uso intermitente, tales como deshumidificadores, batidoras de helados, congeladores rápidos y de bandas o intercambiadores de calor especiales, normalmente requieren diferentes puntos de operación. Otro aspecto relacionado con la conservación de la energía es el número y tipo de los compresores disponibles. Es relativamente fácil ahorrar energía cuando hay un gran número de compresores de diferentes tamaños en un cuarto de máquinas. Por el contrario, si solamente hay uno o dos compresores, la posibilidad de optimizar se reduce considerablemente y puede requerirse otras técnicas para afinar el sistema de control y minimizar el consumo de energía en la planta. Gráfico de la presión de succión durante un período de 24 horas. El parámetro más crítico en un sistema de refrigeración es su presión de succión, puesto que elevarla ahorra energía, pero reduce la capacidad de remover el calor. Un gráfico de presión de succión muestra si los puntos de ajuste del sistema son adecuados para las condiciones del día. Si el sistema de refrigeración tiene solamente un compresor grande y otro pequeño, y compresionando en una sola etapa, analizar el historial de la presión de succión indica cómo ajustar las temperaturas de los espacios refrigerados para lograr la mejor combinación entre compresores de acuerdo con la carga (ver Figura 1). Gráfico de la presión de succión el fin de semana. La mayoría de las plantas tienen cargas menores durante los fines de semana. Graficando las presiones de succión en estos días, se puede determinar si se está utilizando la combinación correcta de compresores o si se requiere algún esquema en particular para limitar su funcionamiento, con el fin de mantenerlos operando tan cerca de su capacidad máxima como sea posible. Gráfico de la temperatura de salida del gas caliente durante la descongelación. La mejor forma de determinar el valor correcto de temperatura a la que debe concluir la descongelación es graficar la temperatura de salida del gas caliente de cada uno de los evaporadores durante el descarche. Esto porque la válvula reguladora de presión de cada evaporador es única, así que la temperatura puede ser ligeramente diferente cada vez que éste descongela (ver Figura 2). Cotejo de la presión de succión con el compresor utilizado. Un cuarto de compresores no es un entorno académico. Todos tienen limitaciones que los caracterizan, tales como el número, tamaño y tipo, entonces un gráfico de presión de succión con las capacidades de los compresores provee información valiosa para optimizar este cuarto de máquinas específico en estas condiciones determinadas. Parangón de tiempos de descongelación. El intervalo entre descongelaciones para un evaporador debe ser lo más largo posible para reducir las cargas parasíticas de calentar y enfriar su masa. Alargar el intervalo entre descongelaciones también aumenta la cantidad de hielo en el evaporador, lo que reduce su capacidad para transferir calor. Entonces, se debe balancear la conservación de energía con los requerimientos de enfriamiento. Un gráfico de temperatura de salida de gas caliente para diferentes intervalos entre descongelaciones provee información de cuánto se puede alargar éste. Gráfico de la eficiencia en la etapa de compresión. Si el sistema de control calcula la eficiencia en la etapa de compresión, sería beneficioso graficar los resultados para buscar sorpresas. Puede resultar que, dados patrones inusuales de carga o restricciones del equipo, su eficiencia sea anormalmente baja. Si esta condición ocurre todos los días a la misma hora, o después de determinado evento, esta información puede llevar a seleccionar mejor los puntos de ajuste. Gráfico de la presión de descarga. Un gráfico de la presión de descarga durante un período de tiempo amplio es muy útil para determinar si el ajuste del control de condensación es óptimo. También, puede indicar si el sistema de condensación es el adecuado para todas las condiciones de operación. Por ejemplo, si el gráfico de presión de descarga muestra altas presiones cuando algunos eventos tienen lugar (por ejemplo, mientras se baten helados o se lleva a cabo congelación rápida), se puede requerir retardar algunas operaciones, tales como la descongelación, hasta que termine el período crítico. Un gráfico que muestre la diferencia entre la presión de saturación del refrigerante y la medida en el sistema puede mostrar la presencia de gases no condensables (ver figura 3). Gráfico de la demanda eléctrica (kW). La mayoría de los suplidores de energía eléctrica cobran más por la utilización de la energía durante el día que durante la noche, entonces, los costos energéticos se pueden reducir al enfriar más de noche (aunque esta estrategia no aumenta la eficiencia energética). Gráficos de la demanda eléctrica (kW) durante varios períodos de 24 horas proveen información sobre cómo se puede administrar la carga adecuadamente. El número de gráficos examinados debe ser suficiente para establecer tendencias, tales como que los fines de semana se comportan siempre igual o que los lunes está siempre de manera distinta a los otros días. También, se pueden identificar patrones de carga altos de vida corta que pueden ser evitados ajustando los parámetros de control. Optimización de contraórdenes diarias con sondas en los productos. Si la estrategia para reducir costos energéticos incluye limitar o eliminar la operación de los sistemas de refrigeración durante períodos de alto costo energético, se necesita saber qué tanto se puede demorar el enfriamiento sin afectar la temperatura del producto. Una forma de hacer esto es usar una sonda que la mida mientras la temperatura del aire circundante aumente durante los períodos de inactividad de la refrigeración. Otra opción es colocar una sonda de temperatura entre dos cajas para medir la del producto más que el aire del almacén. Un gráfico de esa temperatura puede ser utilizado para asegurar al cliente que el producto se mantiene a la condición deseada, aunque la temperatura del cuarto aumente ocasionalmente sobre el punto deseado. Finalmente, prestando atención adecuada a los gráficos de los parámetros, se puede descubrir prácticas operativas deficientes. Por ejemplo, en un taller reciente del Instituto Internacional de Refrigeración de Amoniaco (IIAR), un ingeniero comentó cómo descubrieron el extraño hecho de que la demanda pico de su almacén ocurría siempre los domingos a las 3:00 p.m. Investigaciones posteriores revelaron que los domingos después del medio día, ciertos empleados ingresaban al almacén a alistar las entregas del lunes en la mañana. Al no haber supervisores presentes, los empleados simplemente dejaban abiertas las puertas del almacén, lo que sobrecargaba el sistema de refrigeración. Para colocar esto en una perspectiva financiera, un cuarto de máquinas con 2000 HP en compresores, tendrá un gasto energético anual aproximado de $1.000.000,00 a $0,10/kWh. Un sistema de control típico, con una reducción de consumo del 20%, resultaría en un ahorro de $200.000,00 anuales. La mayoría de estos sistemas pueden ser instalados por montos inferiores a éste. Conclusiones En síntesis, graficar temperatura, presión, potencia o eficiencia provee información que es difícil obtener revisando las condiciones de operación ocasionalmente. Esto es especialmente cierto para los períodos de transición, tales como las noches, en que las operaciones se reducen. El primer paso para bajar los costos energéticos es utilizar puntos de ajuste teóricamente adecuados. El segundo, usar gráficos de parámetros que permitan ajustar el sistema de forma que se incremente la eficiencia al siguiente nivel. Si el sistema atrasa cargas a períodos en que el costo energético es bajo, los gráficos de temperatura de los cuartos y los productos ayudrán a determinar qué tanta carga se puede trasladar; asimismo, pueden ser utilizados para asegurar al cliente el manejo térmico adecuado del producto. De esta manera, los gráficos proveen una perspectiva más global que simplemente observar condiciones puntuales.
Figura 1. Presión de succión en un período de 24 horas  Figura 2. Temperatura de salida del gas caliente en un período de 24 horas  Figura 3. Presión de descarga en un período de 24 horas Sobre los autores John Hench, Presidente, Hench Control, Inc., 4000 Moorpark Avenue, Suite 118, San José, California, EE.UU. Manuel Camacho, Ingeniero Consultor, M.C. Consulting Group, 1901-1100 San José, Costa Rica. mcamacho@mcconsulting.co.cr |
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