Dinámica de la instalación frigorífica (II)

4.3. CURVAS CARACTERÍSTICAS DEL EVAPORADOR

Para la representación de las curvas características del evaporador, tomaremos los siguientes rangos de valores: Tª evaporación de -13 ºC a 7 ºC y Tª cámara de 0 ºC a 20 ºC. Para conocer en cada caso la capacidad del evaporador, aplicaremos la siguiente fórmula:

(1)  

Siendo:

la potencia del evaporador, en W

el coeficiente de transferencia de calor = 42,01 W/m²K

la superficie del evaporador = 37,13 m²

la Tª de evaporación, en ºC

la Tª de cámara, en ºC

Los resultados se muestran en la Tabla 3:

Tabla 3. Datos de trabajo del evaporador en diferentes condiciones.

En base a estos datos, podemos representar las curvas características del evaporador:

Figura 11. Potencia del evaporador en función de la Tª cámara y Tª evaporación.

Figura 12. Equilibrio evaporador – compresor, variando Tª cam – Tª cond – Tª evap.

En la Figura 12, podemos ver cómo interactúa el evaporador en combinación con el compresor. Por ejemplo, se observa que para las condiciones de diseño, Tª cámara 5 ºC, y Tª condensación 45 ºC, obtenemos una Tª evaporación de aproximadamente -2 ºC y una potencia frigorífica unos 11,50 kW. En nuestras condiciones de diseño iniciales, obtendríamos una Tª evaporación de -3 ºC y una potencia frigorífica de 10 kW, pero al haber elegido un modelo de evaporador algo sobredimensionado, somos capaces de proporcionar incluso más capacidad evaporando a una temperatura más alta.

Podemos ver como para cada valor de las variables – – – , existe un punto de equilibrio entre ellas, de manera que fijando el valor de dos de ellas, podemos obtener inmediatamente el valor de las otras dos variables. Por ejemplo, si fijamos una Tª cámara de 10 ºC y una Tª evaporación de 0 ºC, vemos que el equilibrio del evaporador con el compresor se establece para una Tª condensación de 30 ºC y una potencia frigorífica de 16 kW. Ya tenemos establecida la dinámica evaporador – compresor.

4.4. EQUILIBRIO GLOBAL DE LA INSTALACIÓN

Finalmente podemos representar el diagrama de equilibrio global de la instalación, en el que encontramos una correlación de equilibrio entre Tª cámara – Tª evaporación – Tª condensación – Tª ambiente. En la Tabla 4, hemos rellenado los datos necesarios:

Tabla 4. Datos del equilibrio global de la instalación.

En base a estos datos, podemos representar el diagrama de equilibrio global de la instalación frigorífica:

 Figura 13. Equilibrio global de la instalación, variando Tª cam – Tª evap – Tª cond – Tª amb.

En base a este diagrama, podemos fijar una Tª cámara y una Tª ambiente, y obtener directamente las temperaturas de evaporación y condensación. Vamos a analizar varios casos prácticos:

CASO 1: Arranque inicial de una cámara

Este es el caso de una cámara frigorífica que se pone en marcha por primera vez, o después de un largo tiempo parada. En este caso, las temperaturas exterior e interior tienden a estar igualadas, y la instalación debe iniciar su funcionamiento y comenzar a bajar la temperatura de la cámara. Este es uno de los momentos en los que la instalación demanda más potencia frigorífica. Veamos los parámetros de funcionamiento en esta situación:

• Tª ambiente: 20 ºC
• Tª cámara: 20 ºC
• Tª condensación: 35 ºC
• Tª evaporación: 7,2 ºC
• ΔT_cond: 15 K
• ΔT_evap: 12,8 K
• Potencia frigorífica: 19,84 kW
• Potencia absorbida: 3,69 kW
• Potencia condensación: 24,10 kW
• COP: 5,38

Vemos que mantenemos un ΔT = 15 K en el condensador, incluso en el momento más crítico de funcionamiento, lo que nos indica que el condensador ha sido correctamente dimensionado.

CASO 2: Cámara funcionando en régimen bajo condiciones nominales

Veamos el comportamiento que tendría nuestra instalación bajo las condiciones para las que fue diseñada:

• Tª ambiente: 30 ºC
• Tª cámara: 5 ºC
• Tª condensación: 40 ºC
• Tª evaporación: -2,8 ºC
• ΔT_cond: 10 K
• ΔT_evap: 7,8 K
• Potencia frigorífica: 11,94 kW
• Potencia absorbida: 3,55 kW
• Potencia condensación: 15,84 kW
• COP: 3,36

Vemos que la instalación funciona próxima a las condiciones nominales para las que seleccionamos los componentes. Aun así, se aprecian ligeras desviaciones, por ejemplo, la Tª evaporación es levemente más alta que la de diseño (-3 ºC) y la Tª condensación es 5 K más baja que la de diseño (45 ºC) debido al sobredimensionamiento del condensador. La potencia frigorífica es algo más alta que la de diseño (10,93 kW) así como la potencia de condensación (15,02 kW).

CASO 3: Cámara funcionando en régimen bajo condiciones ambientales extremas

Imaginemos una situación de funcionamiento en régimen con temperatura ambiental alta, y veamos cómo se comporta nuestra instalación:

• Tª ambiente: 40 ºC
• Tª cámara: 5 ºC
• Tª condensación: 50 ºC
• Tª evaporación: -2 ºC
• ΔT_cond: 10 K
• ΔT_evap: 7 K
• Potencia frigorífica: 10,54 kW
• Potencia absorbida: 4,01 kW
• Potencia condensación: 14,89 kW
• COP: 2,63

Vemos que la instalación funciona de manera holgada en esta situación desfavorable, con ΔT = 10 K en el condensador, y ΔT = 7 K en el evaporador, señal de que las baterías de intercambio están bien seleccionadas. También se observa que la Tª evaporación ha subido 1 K respecto a la nominal (-2,8 ºC), y la Tª de condensación ha subido 10 K respecto a la nominal (40 ºC). La potencia frigorífica ha disminuido respecto a la nominal (11,94 kW), pero sigue siendo superior a las necesidades frigoríficas requeridas en la cámara (10 kW).

CASO 4: Cámara funcionando en régimen con temperaturas ambientales suaves

Ahora nos encontramos en una época del año con temperaturas suaves y la instalación trabaja en régimen. Veamos los datos:

• Tª ambiente: 20 ºC
• Tª cámara: 5 ºC
• Tª condensación: 31 ºC
• Tª evaporación: -3,5 ºC
• ΔT_cond: 11 K
• ΔT_evap: 8,5 K
• Potencia frigorífica: 13,11 kW
• Potencia absorbida: 3,09 kW
• Potencia condensación: 16,55 kW
• COP: 4,24

La instalación funciona adecuadamente, proporcionando una mayor potencia frigorífica respecto a la nominal (11,94 kW). Sin embargo, existe un pequeño inconveniente, ya que el ΔT = 8,5 K en el evaporador, aumentando 0,5 K respecto al salto térmico de diseño, lo que conlleva una humedad relativa levemente más baja en la cámara, y que eventualmente podría resecar algo más de lo normal el producto si no está envasado. Es algo que deberíamos tener en cuenta en estas épocas del año.

CASO 5: Cámara recién cargada de producto

Supongamos ahora que nuestra cámara se encuentra trabajando en condiciones nominales y hacemos una renovación de mercancía con un determinado porcentaje de producto nuevo. Esto puede hacer que la temperatura de la cámara puntualmente suba, por ejemplo, de 5 ºC hasta 10 ºC:

• Tª ambiente: 30 ºC
• Tª cámara: 10 ºC
• Tª condensación: 41,2 ºC
• Tª evaporación: 1 ºC
• ΔT_cond: 11,2 K
• ΔT_evap: 9 K
• Potencia frigorífica: 13,95 kW
• Potencia absorbida: 3,83 kW
• Potencia condensación: 18,19 kW
• COP: 3,64

Como se podía intuir, la instalación debe adaptarse y comenzar a generar más potencia frigorífica para enfriar la carga de producto adicional. Progresivamente, si la instalación trabaja adecuadamente, la temperatura de la cámara volverá nuevamente a alcanzar los 5 ºC fijados en consigna.

5. CONCLUSIÓN

Tras analizar la dinámica de funcionamiento de una instalación frigorífica, hemos podido ver que la instalación es un “organismo vivo”, y que las condiciones de diseño son solo un marco de referencia en torno al que el sistema va a funcionar.

Hemos simulado el comportamiento de nuestra instalación, visualizando como varían los parámetros de funcionamiento cuando cambian las condiciones exteriores al circuito frigorífico (Tª ambiente y Tª cámara). Este proceso de simulación es bastante útil, no solo para conocer el comportamiento de la instalación, sino para comprobar que bajo condiciones extremas, los equipos que hemos seleccionado van a trabajar de manera satisfactoria proporcionando la capacidad frigorífica, Tª y H.R de cámara adecuadas.

Por otra parte, el conocimiento del comportamiento de la instalación también nos proporciona una herramienta muy útil para diagnosticar futuras anomalías, que se detectarán de una manera sencilla conociendo las condiciones de trabajo de la instalación y las curvas características del sistema trabajando en ese régimen concreto.

En COOLPROYECT estamos trabajando en el desarrollo de un módulo informático, COOLPROSIM, que permitirá simular cualquier condición de funcionamiento de una instalación cuyos componentes hayamos seleccionado previamente, teniendo así una información mucho más precisa de cómo se comportará el sistema bajo diferentes condiciones de trabajo.

Y aquí termina este artículo. Espero que os sirva de utilidad y, como siempre, serán bienvenidos vuestros comentarios, críticas, sugerencias y aportaciones. ¡Hasta la próxima!

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