Selección del condensador: Aire vs Evaporativo

1. TIPOS DE CONDENSADOR Y TEMPERATURA DE DISEÑO

Supongamos una instalación frigorífica industrial trabajando con refrigerante R-717 (NH₃), de tipo inundada, para una producción frigorífica total en evaporadores de 300 kW y una temperatura de evaporación de -8 ºC. Antes de analizar el ciclo frigorífico y conocer la potencia de los compresores y del condensador, necesitamos establecer la temperatura de condensación. Sin embargo, dependiendo del tipo de condensador que vayamos a utilizar, la temperatura de condensación será diferente.

Suponiendo, por ejemplo, que la instalación se realizará en Sevilla, con una temperatura exterior de diseño de 39 ºC y 45 % de humedad relativa; un condensador por aire típico (aerocondensador, Figura 1) debería estar trabajando a una temperatura de condensación mínima de 49 ºC (ΔT = 10 K). Sin embargo, si empleamos un condensador evaporativo (Figura 2), la temperatura exterior de referencia no será la temperatura seca (39 ºC), sino la temperatura húmeda del ambiente, inferior a la temperatura seca.

Figura 1. Aerocondensador.

Los condensadores evaporativos son condensadores por aire cuya batería de intercambio es pulverizada con agua para obtener un mayor rendimiento por el calor latente de evaporación del agua sobre los tubos.

Figura 2. Condensador evaporativo.

 Para 39 ºC y 45 % H.R, la temperatura húmeda es de 28,5 ºC. Tomando dicha temperatura como referencia, en vez de condensar a 49 ºC, podríamos hacerlo a 38,5 ºC (ΔT = 10 K), con el correspondiente ahorro energético. Aproximadamente por cada 1 K de disminución en la temperatura de condensación, tenemos una mejora de un 3 % en el COP de la instalación frigorífica.

2. CÁLCULO DE LA POTENCIA DEL CONDENSADOR

Para el cálculo de la potencia de condensación, necesitamos diseñar el ciclo frigorífico. Podemos emplear el software gratuito CoolPack. Pulsamos en la pestaña “Cycle Analysis” y seleccionamos el ciclo Nº 2 Inundado: “One stage cycles – Flooded evaporator”. En “Cycle specifications” introducimos los datos de nuestro ciclo frigorífico. Realizaremos dos simulaciones, una para temperatura de condensación 49 ºC (aerocondensador) y otra para 38,5 ºC (condensador evaporativo), como se puede ver en las Figuras 3 y 4 respectivamente. El subenfriamiento lo ajustaremos a 5 K y la tasa de recirculación de refrigerante en el evaporador la fijaremos en 4, es decir, el caudal en el evaporador será 4 veces mayor al requerido; esto es habitual en evaporadores inundados para aumentar la eficiencia en la transmisión de calor. El recalentamiento no útil “unuseful superheat” lo ajustamos también a 5 K. El resto de parámetros del programa los dejaremos como vienen por defecto.

Figura 3. Potencia de condensación para el aerocondensador.

Figura 4. Potencia de condensación para el condensador evaporativo.

Se puede ver la mejora en el COP del ciclo frigorífico al bajar la condensación de 49 ºC (Pot. Condensación 411,7 kW; COP 2,5) a 38,5 ºC (Pot. Condensación 388,1 kW; COP 3,2).

3. SELECCIÓN DEL CONDENSADOR

3.1. AEROCONDENSADOR

Para seleccionar el aerocondensador podemos emplear el catálogo de Pecomark. En la página 378 comienzan las gamas que podrían servir para nuestra potencia de condensación (411,7 kW; ΔT = 10 K). Las potencias del catálogo están basadas en ΔT = 14 K y 16 K, por lo que será necesario adaptar nuestra potencia para poder seleccionar del catálogo. Por ejemplo, 411,7 kW con ΔT = 10 K equivalen a 575,4 kW con ΔT = 14 K (Puesto que la potencia es proporcional al ΔT, la transformación se realiza multiplicando y dividiendo por ΔT 14 y 10: 411,7×14/10 = 575,4). Esta potencia sería para un condensador trabajando con R-404A, tal como se indica en el catálogo. Para la versión en acero inoxidable y refrigerante amoníaco, el fabricante ECO indica que se mayore la potencia en un 15 %. Además añadiremos un 10 % más por factor de seguridad y ensuciamiento, por lo que la potencia final para la selección del equipo sería 575,4×1,25 = 719,25 kW (ΔT = 14 K).

Dependiendo del número, diámetro y potencia de los ventiladores, tendremos diferentes posibilidades. Por lo general buscaremos el modelo más económico que cumple con los requisitos acústicos requeridos en nuestro proyecto. También podremos elegir entre condensador horizontal o en configuración vertical. En nuestro caso proponemos el condensador modelo KCE-810B5 H (configuración horizontal) cuyas características se muestran en la Figura 5.

Figura 5. Selección del aerocondensador.

3.2. CONDENSADOR EVAPORATIVO

Para la selección del condensador evaporativo podemos emplear el catálogo de EOS Refrigeration. Es necesario establecer la temperatura de condensación (38,5 ºC) y la temperatura de bulbo húmedo (28,5 ºC) y aplicar un factor de corrección a la potencia térmica (Figura 6). En nuestro caso el dichas temperaturas no vienen de manera exacta en la tabla, por lo que tomaremos una media entre los valores para Tª cond: 38 y 39 ºC, y la Tª humeda: 28 y 29 ºC. El factor medio resulta ser: 0,835. La potencia corregida es por tanto 388,1/0,835 = 464,79 kW. Añadiremos además un 10 % por seguridad y ensuciamiento, con lo que nos queda una potencia de 511,27 kW. El primer modelo que proporciona esta potencia es el NEK-550. Figura 6. Selección del condensador evaporativo.

Aunque depende del fabricante, el precio del condensador evaporativo a partir de ciertas potencias puede ser incluso más barato que el del aerocondensador, ya que disponen de menor número de ventiladores, adaptando la potencia térmica a la demanda de la planta frigorífica mediante variador de velocidad. Como regla general, a partir de una potencia de condensación de 350 a 400 kW, suele empezar a ser más rentable la instalación de un condensador evaporativo.

4. CONDICIONES AMBIENTALES ÓPTIMAS PARA EL CONDENSADOR EVAPORATIVO

Aunque siempre es posible instalar un condensador evaporativo, para que un éste ofrezca buenas posibilidades de ahorro energético, es recomendable que la humedad relativa sea baja en el ambiente exterior. Como hemos visto anteriormente, la ventaja del sistema evaporativo es que aprovechamos como temperatura de referencia la temperatura húmeda del ambiente, al contrario que en los aerocondensadores, donde condensamos sobre la temperatura seca.

En el ejemplo que hemos analizado en este artículo, hemos visto que en Sevilla tenemos una temperatura seca de 39 ºC y humedad relativa 45 %, siendo la temperatura húmeda de 28,5 ºC. Es decir, podemos condensar 10,5 ºC por debajo de lo que lo hacemos con un aerocondensador. Sin embargo, supongamos que nuestro proyecto es en Cádiz, donde las condiciones son 36 ºC y 70 % de humedad relativa. En este caso, la temperatura húmeda es 31 ºC, por lo que con un evaporativo solo podemos condensar 5 ºC por debajo de lo que hacemos con un aerocondensador. Así pues, ya no se ve tan claramente la ventaja de instalar un evaporativo, y probablemente pueda ser más económico instalar un aerocondensador si la potencia a evacuar no supera los 450 ó 500 kW. En cualquier caso siempre habrá que estudiar cada situación concreta y las condiciones de diseño para decantarse por uno u otro sistema.