Centrales frigoríficas: Características y funcionamiento
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Centrales frigoríficas: Selección de compresores

¡Hola una semana más! Continuamos con la temática sobre instalaciones frigoríficas centralizadas, que ya iniciamos con el artículo Centrales frigoríficas: Características y funcionamiento. Hoy vamos a comenzar con el diseño y configuración de una central frigorífica para dar servicio a las cámaras y vitrinas de un supermercado mayorista. Es necesario ajustar en todo momento la producción frigorífica de la central a la demanda de frío de los servicios, obteniendo así una instalación eficiente.

1. NECESIDADES DE REFRIGERACIÓN

En la Figura 1 se muestra un plano del supermercado que vamos a refrigerar. Podemos ver que tenemos dos cámaras frigoríficas, una para producto congelado y otra para refrigerado, así como varias islas y murales también de temperatura positiva y negativa. Se muestra la potencia frigorífica a suministrar a cada servicio, así como el salto térmico requerido para cada aplicación.

Figura 1. Plano del supermercado a refrigerar.

El listado de servicios y sus condicionantes de diseño son los siguientes:

SERVICIOS DE Tª NEGATIVA

tabla1

SERVICIOS DE Tª POSITIVA

tabla2

Fijándonos en las temperaturas de evaporación requeridas en los diferentes servicios, tendremos que trabajar con las más restrictivas, en este caso -31 ºC para los servicios negativos y -6 ºC para los servicios positivos. Para el caso de la cámara de refrigerados, cuya temperatura de evaporación recomendada es de -4 ºC (para mantener adecuada HR) instalaremos una válvula tipo KVP para elevar levemente la temperatura de evaporación respecto a la aspiración de la central frigorífica.

Debido a las pérdidas de presión en las líneas de aspiración, la temperatura de aspiración de los compresores será inferior a la de los evaporadores. Consideraremos una caída máxima de 2 K hasta la central frigorífica, aunque posteriormente mediante el diseño de tuberías intentaremos que sea lo menor posible (1 K es un valor muy bueno). Según esto, nuestra instalación será una central de doble aspiración con dos colectores, uno trabajando a – 33 ºC para los servicios de temperatura negativa, y otro trabajando a – 8 ºC para los servicios de temperatura positiva.

2. ESQUEMA DE LA CENTRAL FRIGORÍFICA

En la Figura 2 se puede ver el esquema frigorífico de la central de doble aspiración. Este es similar al analizado en el artículo anterior, aunque al disponer de dos colectores de aspiración a presiones diferentes, es necesario equilibrar la despresurización del acumulador de aceite mediante dos líneas independientes hacia cada colector.

figura2

Figura 2. Esquema frigorífico para central de doble aspiración.

3. SELECCIÓN DE LOS COMPRESORES

Para elegir los compresores de la central frigorífica tendremos que realizar una tabla de etapas de demanda frigorífica para cada colector de aspiración. Consiste en combinar la demanda de los diferentes servicios para crear todas las posibilidades de demanda en orden ascendente.

3.1. SERVICIOS DE TEMPERATURA NEGATIVA

tabla3

Cuando hay varios servicios, puesto que no todos van a demandar frío de la central frigorífica al mismo tiempo, se pude aplicar un coeficiente de simultaneidad para seleccionar una potencia de compresión ligeramente inferior a la potencia máxima. Los coeficientes más habituales son los siguientes:

tabla4

Aplicando los coeficientes de simultaneidad, las etapas de demanda quedarían de la siguiente forma:

tabla5

El siguiente paso es elegir el número de compresores. Existen fabricantes como Bitzer que han desarrollado un sistema de parcialización de la potencia del compresor de manera continua, entre un 10 % y un 100 %, gracias a un sistema de solenoides (CRII) que ajustan la potencia efectiva de cada culata del compresor. Esto es una gran mejora, ya que la parcialización de los modelos de compresor antiguos se realizaba desactivando cada culata de manera completa; así pues un compresor de 2 culatas (4 cilindros), podía dividir su potencia al 50 %; y un compresor de 3 culatas podía parcializar al 66 % y al 33 %.

También es posible regular la capacidad de cada compresor mediante un variador de velocidad, que es un sistema más caro pero permite un mayor ahorro energético. El sistema de regulación mediante solenoide simplemente puentea parcialmente la aspiración y la descarga del compresor, pero el motor sigue moviendo los pistones a la misma velocidad, aunque sea con menor carga. Sin embargo, mediante el variador de velocidad los pistones se mueven más despacio, con un ahorro significativo en la potencia absorbida. Es frecuente en las centrales frigoríficas emplear un compresor comodín con variador de velocidad para su trabajo continuo entre escalones de potencia, dejando el resto de compresores con regulación por solenoide, si fuera necesario, para cubrir algún escalón puntual de potencia.

En este caso podríamos instalar 1 compresor de 14 kW de potencia frigorífica con regulación por solenoide (o variador) para cubrir las 8 primeras etapas de demanda. Así podríamos regular desde 1,4 kW (10%) hasta 14 kW (100%) de manera lineal; y puesto que las etapas van de 2 a 14 kW, tendríamos cubierta la demanda de manera continua.

Para dar servicio a la cámara de congelados, añadiríamos un compresor de 30 kW, sin regulación de capacidad, ya que el resto de etapas estarían cubiertas por el otro compresor.

Podemos emplear el software de Bitzer y seleccionar los compresores para cada potencia requerida. Las condiciones de funcionamiento que tomaremos para la selección serán las siguientes:

– Tª evaporación: -33 ºC

– Tª condensación: 45 ºC

– Recalentamiento: 10 K (5 K útil)

– Subenfriamiento: 4 K

– Refrigerante: R-404A

 

  • Compresor 1: Bitzer 4FE-28Y-40P (28 CV) / 15,3 kW

figura3

 

Al seleccionar el Compresor 2 para la cámara de congelados, vemos que el fabricante no dispone de ningún modelo de pistones que proporcione 30 kW de potencia frigorífica en las condiciones de diseño, por lo que seleccionaremos en su lugar dos compresores que nos den 15 kW cada uno. Puesto que el Compresor 1 nos proporciona 15,3 kW, podemos instalar dos más del mismo modelo, lo que ayuda en las operaciones de mantenimiento. Así pues, el grupo de compresores de temperatura negativa estará formado por 3 compresores Bitzer 4FE-28Y-40P (28 CV), con 15,3 kW/ud, y una potencia frigorífica total de 45,9 kW. De los 3 compresores, uno de ellos dispondrá del sistema de regulación CRII para cubrir los escalones de las primeras 8 etapas.

3.2. SERVICIOS DE TEMPERATURA POSITIVA

tabla6

Podríamos instalar 1 compresor de 21 kW de potencia frigorífica con regulación por solenoide (o variador) para cubrir las 8 primeras etapas de demanda.

Para dar servicio a la cámara de refrigerados, añadiríamos un compresor de 40 kW, sin regulación de capacidad, ya que el resto de etapas estarían cubiertas por el otro compresor.

Las condiciones de funcionamiento que tomaremos para la selección serán las siguientes:

– Tª evaporación: -8 ºC

– Tª condensación: 45 ºC

– Recalentamiento: 10 K (5 K útil)

– Subenfriamiento: 4 K

– Refrigerante: R-404A

 

  • Compresor 1: Bitzer 4TES-9Y-40P (9 CV) / 21,6 kW

figura4

 

  • Compresor 2: Bitzer 4HE-18Y-40P (18 CV) / 39,7 kW 

figura5

 

Así pues, el grupo de compresores de temperatura positiva estaría formado por:

  • 1 compresor Bitzer 4TES-9Y-40P (9 CV) + regulación capacidad CRII ó variador
  • 1 compresor Bitzer 4HE-18Y-40P (18 CV)

Y aquí termina este artículo donde queda configurada la central frigorífica. No vamos a entrar en la selección del condensador para la central, ya que simplemente se trata de elegirlo teniendo en cuenta la suma de la potencia de condensación de todos los compresores (Tª positiva y negativa). Si estáis interesados, podríamos entrar en la selección de válvulas y componentes de la central frigorífica, aunque existen varios fabricantes como Pecomark, que dispone de centrales totalmente equipadas. En el próximo artículo continuaremos con el diseño de la instalación centralizada, centrándonos en la configuración y cálculo de las tuberías de refrigerante para la interconexión entre los diferentes evaporadores y la central frigorífica. Espero vuestros comentarios y críticas como siempre ¡Buena semana a todos!

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10 Comments

  1. Jesus Bernal dice:

    Hola. Muy buen artículo, como siempre. Muy didáctico y bien ilustrado. Gracias.

  2. […] base a las potencias frigoríficas demandadas por cada una de nuestras cámaras, determinar qué número y potencia de compresores tendrá que tener nuestra central frigorífica. Esto será objeto del siguiente artículo. Espero […]

  3. Jesus Bernal dice:

    Hola de nuevo. Lo he mirado ahora con más detenimiento y tengo una duda. En los dos colectores de espiración hay una válvula que los separa, la 30, ¿esta válvula permanece abierta o cerrada durante el funcionamiento? Lo digo porque los colectores trabajan a presiones de aspiración muy distintas. Si la válvula 30 está abierta, ¿la presión mayor se va hacia los evaporadores de presión menor?

    Otra cuestión relacionada, hablas de instalar una KVP en la cámara de refirgeración pues trabaja a -4 de evaporación y los murales a -6. ¿Habría que instalar válvulas de retención a la salida de todos los evaporadores de los murales de refrigeración? Si tuviésemos 3 servicios unidos al mismo colector, por ejemplo evaporando a -11, -6 y -4 (es solo un ejemplo), ¿qué pondríamos, dos KVP, una en el de -4 y otra en el de -6, y una de retención en el de -11? ¿O cómo se haría?

    • Fran Enríquez dice:

      Buenas Jesús. Gracias por comentar.

      La válvula 30 está siempre cerrada, es solo para poder cambiar de colector en caso de avería, y poder seguir funcionando de manera provisional intercambiando colectores, aunque trabajen a presiones distintas. Es solo para un caso de emergencia.

      Respecto a la KVP, efectivamente, al instalar una KVP en un evaporador, habría que instalar válvulas de retención en los demás evaporadores conectados al mismo colector de aspiración, si no, cuando abra la KVP se presurizarían los demás evaporadores. Esos detalles tenía previsto comentarlos en el artículo de diseño de tuberías a los servicios.

      No sería necesario poner una retención a cada evaporador de los murales, solo una común en la línea que unifica el retorno de los mismos.

      En cuanto al caso que comentas de tres evaporadores a tres temperaturas, habría que poner retención siempre en los evaporadores que trabajen a menor presión, en este caso en el de -6 ºC y en el de -11 ºC, y una KVP en el de -4 ºC y otra en el de -6 ºC. Ya que la central aspirará a -11 ºC. Cabe decir que estas cosas de montar KVP debería ser algo puntual, porque realmente es una aberración energética. Pero a veces se usa para no tener que dividir las centrales en múltiples colectores a diferentes presiones.

       

  4. Jesus Bernal dice:

    Gracias, muy claro, son dudas que tenía de hace algún tiempo y las he recordado al leer el artículo. Un saludo.

  5. jesusjf84 dice:

    Buenas Fran, me ha surgido una duda, podrías explicar un poco mejor esta parte»necesario equilibrar la despresurización del acumulador de aceite mediante dos líneas independientes hacia cada colector» la válvulas de despresurización son regulables? Un saludo

    • Fran Enríquez dice:

      Hola Jesús. El objetivo de la despresurización es mantener el depósito de aceite a una presión algo más baja para que las boyas mecánicas de alimentación de aceite trabajen bien. Por ejemplo, en el ejemplo del supermercado estaríamos trabajando en alta a unos 19 bar manométricos. El colector de Tª positiva estaría a unos 4 bar (redondeando), y el de Tª negativa, sobre 1 bar.

      Bien, las válvulas que se suelen usar para despresurizar el acumulador de aceite son tipo NRD de Danfoss, que son válvulas de retención con una alta caída de presión a su paso. La NRD comienza a abrirse cuando la diferencia de presión es de 1,5 bar, y se abre totalmente cuando la diferencia de presiones es de 3 bar.

      Si analizamos la línea entre el acumulador y el colector de Tª positiva, tenemos una diferencia de 19-4=15 bar. La boya mecánica de alimentación de aceite tiene una caída de presión de unos 3 bar, si a eso le sumamos la caída de una válvula NRD totalmente abierta, tenemos 6 bar. Con esto, la presión a la que se «lanzaría» el aceite al cárter del compresor sería 15-6=9 bar, que según el fabricante de la boya, pude ser admisible para evitar «golpe de aceite» en el compresor.

      Ahora vamos a la línea que conecta con el colector de Tª negativa. Tenemos una diferencia de 19-1=18 bar. Para llegar a los 9 bar de inyección en el cárter, tenemos que perder 9 bar por el camino: 3 bar en la boya, y hay que perder 6 bar adicionales, que se consiguen con dos válvulas NRD en serie (3+3 bar).

      Es por ello que se emplean dos líneas de despresurización, una conectada a cada colector. Si las diferencias de presión entre el colector de Tª positiva y negativa fueran mayores, habría que instalar más válvulas NRD hasta equilibrar más o menos los circuitos. Otro método sería emplear una válvula tipo KVD o una válvula pilotada tipo ICS que mantuviera la presión del depósito en valores adecuados, pero estas otras válvulas son más caras, y es un problema que se soluciona fácilmente con las válvulas NRD.

      Por otra parte, si los reguladores de aceite son electrónicos, con electroválvula y centralita, estos son capaces de regular bien la presión de inyección de aceite al cárter sin necesidad de despresurizar el acumulador.

      Un saludo.

  6. jesusjf84 dice:

    Fran muchas gracias por la aclaracion, aunque seguirán apareciendo dudas a medida que vayamos andando. Un saludo

  7. […] tiempo volvemos con los artículos técnicos, en este caso como continuación del anterior post Centrales frigoríficas: Selección de compresores. Tras definir las características de la central frigorífica y seleccionar los compresores y […]

  8. […] podemos realizar la medición de tubería para cada tramo. Consultando las tablas del artículo de Selección de compresores, podemos ver también la potencia simultánea transportada en cada tramo (Tabla […]

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