Refrigeración

Enfriamiento con base natural

El daño ambiental ha movido a la industria HVACR a investigar alternativas naturales en materia de refrigerantes. Sin embargo, esta transición dependerá de la comprensión acerca de los beneficios de estas sustancias y de las regulaciones actuales

Eleazar Rivera

La selección de un refrigerante es fundamental para el proceso de ingeniería básica y conceptual a detalle de cada proyecto. Es por ello que antes de emplearse es necesario dictaminar el material y equipo mecánico y de control que se utilizará dentro de un sistema.

En materia legal, en marzo de 2009, México fue el primer país en desarrollo en proponer una ambiciosa meta: reducir hasta en 50 por ciento sus emisiones de gases de efecto invernadero para 2050. El Acuerdo de París entró en vigor el 4 de noviembre de 2016, un mes después de que 55 naciones que representan el 55 por ciento de las emisiones totales firmarán el compromiso de la COP 21, cuyo objetivo es disminuir sus emisiones en las Naciones Unidas.

En el contexto nacional, en 2012 se aprobó la Ley General de Cambio Climático, la cual establece las bases en materia de adaptación a este fenómeno, además de promover la transición hacia una economía baja en carbono, más competitiva y sustentable. De esta legislación se desprende el Reglamento de la Ley General de Cambio Climático, promulgado en octubre 2014. Éste menciona en su artículo 6 que los establecimientos sujetos a reporte serán aquellos que emitan más de 25 mil toneladas de bióxido de carbono anuales.

Existen dos términos muy importantes para comprender las nuevas políticas con relación al aspecto técnico referente a la selección de refrigerantes:

1 ODP (potencial de agotamiento de la capa de ozono)
Es la relación entre el impacto sobre el ozono causado por una sustancia determinada y el impacto causado por una masa similar de CFC-11 (el potencial de agotamiento de esta sustancia es igual a 1)
2 GWP (potencial de calentamiento global)
Indica el efecto de los refrigerantes sobre el efecto invernadero, en comparación con el valor que tiene el dióxido de carbono (1.0)

Desde hace algunos años, los refrigerantes naturales han sido el medio más empleado en grandes sistemas de refrigeración industrial, dentro de los sectores alimentario y de bebidas, tanto para producción como almacenamiento. Debido al creciente temor sobre los efectos perjudiciales de los refrigerantes tradicionales, las soluciones ecológicas han experimentado un nuevo renacimiento, especialmente el amoniaco (NH3) y el bióxido de carbono (CO2), utilizados con propósitos industriales con bajas temperaturas.

Amoniaco
Está clasificado por ASHRAE bajo la nomenclatura R-717. Éste no destruye la capa de ozono y por sus propiedades tiene la ventaja de producir temperaturas de hasta -70 °C. A diferencia del dióxido de carbono, el amoniaco sí puede utilizarse en sistemas actuales. Dicha sustancia tiene características deseables que son conocidas desde hace aproximadamente un siglo. Es un refrigerante alternativo tanto para sistemas de refrigeración, como para equipos de aire acondicionado. Además, puede utilizarse en equipos nuevos y en los ya existentes. Tiene un punto de vaporización bajo (-33 ºC), un potencial de disminución de la capa de ozono de cero cuando se libera en la atmósfera, no contribuye directamente al calentamiento global y tiene un alto calor latente de vaporización. Este gas permanece en la atmósfera tan solo unos días, por lo que se considera un gas biodegradable.

Un análisis de retorno a la inversión arroja que su costo es mucho menor que cualquier refrigerante sintético. De manera general, cuesta de un 10 a un 20 por ciento menos en instalación. Termodinámicamente es de 3 a 10 por ciento más eficiente que los otros refrigerantes; como resultado, un sistema de refrigeración de amoníaco convencional tiene menor consumo energético.

Dióxido de Carbono
Conocido comúnmente como R-744, es sumamente competitivo al ser usado como refrigerante, pues su presencia en la atmósfera está integrada en varios ciclos naturales. Es un fluido inodoro, incoloro y menos pesado que el aire; su GWP equivale a cero, pero sigue siendo un gas de efecto invernadero que puede modificar el medioambiente, si su concentración en la atmósfera aumenta en gran medida.

No es inflamable y tiene una baja toxicidad, aunque al no desprender ningún tipo de aroma puede ocasionar que, al haber alguna fuga, el técnico no la detecte.

Analizándolo desde su desempeño termodinámico, el CO2 posee una alta conductividad térmica y alta densidad en fase gaseosa, factores importantes para una buena transferencia de calor en los evaporadores, condensadores y enfriadores de gas. Estas características permiten una selección de equipos más pequeños en comparación con los que utilizan gases sintéticos fluorados. Otra ventaja respecto al diseño, es que debido a que tiene una baja caída de presión, permite reducir el diámetro de las tuberías.

Sin embargo, aunque el CO2 es una buena alternativa para la refrigeración, en México aún se presentan algunas dificultades para su uso, si se desea aplicarlo en instalaciones de tiendas de conveniencia, autoservicio o Cedis. No obstante, la situación geográfica de México hace que sea más eficiente que los enfriados por aire, si es usado como fluido secundario.

Sistema de Agua helada
Un enfriador de agua o chiller es un caso especial de máquina frigorífica, cuyo cometido es enfriar un medio líquido, generalmente agua. En modo bomba de calor también puede servir para calentar dicha sustancia. El evaporador tiene un tamaño menor que el de los enfriadores de aire y la circulación del agua se hace desde el exterior mediante bombeo mecánico.

Estos equipos pueden enfriarse con agua, con aire o por evaporación, por tal motivo son sistemas muy utilizados para acondicionar grandes instalaciones, edificios de oficinas y, sobre todo, aquellas que necesitan simultáneamente climatización y agua caliente sanitaria (ACS), por ejemplo, hoteles y hospitales. También sirven en industria como la de la refrigeración y procesos donde disipar calor de equipos y reactores es una necesidad apremiante.

Ahora bien, existe una clasificación básica para iniciar con la selección de estos equipos: enfriados por agua y chillers enfriados por aire. A nivel general, los primeros poseen una mayor capacidad de enfriamiento que está determinada por la tasa de transferencia de calor del agua y, por lo tanto, son más recomendables en grandes edificaciones. Los segundos, en cambio, tienen menos capacidad, debido a una menor tasa de transferencia de calor, si bien ofrecen la ventaja de requerir menos mantenimiento, ya que no les afectan las incrustaciones de agua que se produce en los tubos de los intercambiadores de calor (este tipo de chillers, sin embargo, proporcionan ventajas relacionadas con la eficiencia y el impacto ambiental, en comparación con los sistemas enfriados por aire).

Existen también diferencias en relación a los costos iniciales. Los chillers enfriados por aire son menores a los de los de agua fría, ya que los primeros no necesitan torres de enfriamiento, bombas de condensación de agua ni otros componentes asociados a los sistemas de aires acondicionados. Por lo general, los diseños de sistemas HVAC pequeños son diseñados pensado casi siempre en los chillers enfriados por aire. Esto se debe a que los requisitos extras de los sistemas de agua helada, así como su tratamiento hídrico y mantenimiento requieren un capital mayor y no se compensan rápidamente por los costos de operación más bajos. Los diseños de sistemas de aire acondicionado más grandes, en cambio, suelen realizarse pensando en chillers enfriados por agua. Cabe señalar que, por lo general, los ingenieros y técnicos se sienten a gusto con equipos que necesiten poco o ningún mantenimiento.

En el pasado, se ha planteado la diferencia entre ambos sistemas de enfriamiento, con base en las propiedades de transferencia del calor del agua, en contraste con el funcionamiento de los chillers enfriados por aire. La principal ventaja del agua es que el coeficiente de convección (h) es entre 10 y 100 veces mejor en el agua que en el aire. El coeficiente de convección, también conocido como coeficiente de película, controla la transferencia de calor en un área dada constante y ofrece una diferencia en la temperatura. Es decir, cuantifica la influencia de las propiedades del fluido, de la superficie y del flujo cuando se produce transferencia de calor por convección.

Otro aspecto a considerar es lo referente al diseño arquitectónico, ubicación del sistema y su interacción con actividades humanas, ya que las unidades HVAC enfriadas por agua hacen menos ruido y brindan más enfriamiento por metro cuadrado. Por su parte, los chillers enfriados por aire ofrecen menor enfriamiento por metro cuadrado comparativamente y son máquinas de aire acondicionado más ruidosas. Esta característica las hace molestas, sobre todo para los ocupantes de las zonas y de las oficinas más cercanas. Durante el proyecto, los involucrados tienen que evaluar ambos sistemas y tomar en cuenta diversos factores. Algunos de ellos son:

  • Condiciones ambientales (bulbo húmedo, bulbo seco)
  • Número de horas de operación
  • Patrón de carga parcial
  • Costes de mantenimiento

En conclusión, alguna de las las especificaciones más importantes a considerar cuando se busca diseñar estos sistemas incluyen el costo total del ciclo de vida, fuente de energía, clasificación del enfriador, capacidad de enfriamiento de la enfriadora y el evaporador; tipo y material del evaporador y el condensador; nivel de ruido y materiales de tuberías internas; tipo y cantidad de compresores; circuitos de nevera y requisitos de refrigerante; temperatura de descarga de fluido y COP (la relación entre la capacidad de enfriamiento en RT y la energía consumida por el enfriador completo en KW) . Para enfriadores medianos o grandes, esto debería variar de 3.5 a 7.0, con valores más altos, lo que significa una mayor eficiencia energética. El buen rendimiento de la enfriadora, a su vez, se especifica a menudo en kilovatios por tonelada de refrigeración (kW / RT).

[author ]Eleazar Rivera
Químico Industrial egresado de la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Autónoma de Nuevo León, donde cursa la maestría en Finanzas en la Escuela de Graduados en Administración e Ingeniería Industrial de la misma facultad. Cuenta con orientación en Química de los Materiales y tiene siete años de experiencia en el área de Investigación y Desarrollo en Electroquímica y Química del Agua, así como en desarrollo de proyectos HVAC. Actualmente es Presidente de ASHRAE, Capítulo Monterrey, para el periodo 2017-2018.[/author]

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