1. LA MÁQUINA FRIGORÍFICA ES UN «SER VIVO»

Los proyectistas de frío, tenemos que tomar habitualmente hipótesis de cálculo para diseñar una instalación. Las hipótesis son necesarias para establecer un modelo simplificado y viable del problema que se nos plantea. Es común definir unos parámetros de diseño para nuestra instalación. Un ejemplo típico para una cámara frigorífica trabajando con un circuito simple, podría ser el siguiente (Figura 1):

Figura 1. Esquema de la instalación frigorífica.

• Cámara frigorífica para producto refrigerado
• Tª cámara: 5 ºC
• H.R cámara: 80 %
• Tª ambiente: 30 ºC
• H.R ambiente: 40 %
• Refrigerante: R-134a
• Potencia frigorífica: 10 kW
• Tª evaporación: -3 ºC
• Tª condensación: 45 ºC
• Recalentamiento: 10 K
  •  Recalentamiento útil: 5 K
  •   Recalentamiento no útil: 5 K
• Subenfriamiento: 5 K

La pregunta es, la instalación frigorífica que he diseñado bajo estas condiciones, ¿va a trabajar siempre dentro de estos parámetros? La respuesta, como se puede intuir, es No, la instalación frigorífica es un “ser vivo” que fluye y se adapta a las condiciones externas. Estos parámetros de diseño son las condiciones nominales de funcionamiento, y que solo se cumplirán bajo una situación ideal, aunque se trata de un marco de referencia para el funcionamiento de nuestro sistema.

En este artículo, vamos a ver cómo trabaja nuestra instalación cuando las condiciones de funcionamiento no son las nominales. Vamos a analizar, por tanto, la dinámica de funcionamiento de la instalación frigorífica. Esto nos dará una visión de cómo se va a comportar el sistema, por ejemplo, ante una variación de la temperatura exterior, o de la temperatura de cámara debida a una variación de la carga térmica. Ante cualquier modificación de las condiciones de trabajo, el sistema intentará llegar a un punto de equilibrio. Se trata de encontrar este equilibrio para las diferentes condiciones de funcionamiento que se nos puedan presentar.

2. CICLO DE TRABAJO NOMINAL

Tras definir los parámetros nominales de funcionamiento, podemos plantear el ciclo frigorífico de la instalación en el diagrama de Mollier (Figuras 2 y 3):

Figura 2. Datos del ciclo frigorífico (Software Solkane 8.0).

Figura 3. Ciclo frigorífico en diagrama de Mollier (Software Solkane 8.0).

3. SELECCIÓN DE EQUIPOS

Conocidas las condiciones nominales del ciclo frigorífico, podemos pasar a seleccionar los diferentes elementos de la instalación.

3.1. COMPRESOR

En este caso seleccionaremos un compresor marca Bitzer mediante su software de selección:

Compresor semihermético alternativo Bitzer 4DES-5Y

• Refrigerante: R-134a
• Tª evaporación: -3 ºC
• Tª condensación: 45 ºC
• Recalentamiento: 10 K
  • Recalentamiento útil: 5 K
  • Recalentamiento no útil: 5 K
• Subenfriamiento: 5 K
• Potencia frigorífica total (contando recalentamiento total): 11,27 kW
• Potencia frigorífica útil (contando recalentamiento útil): 10,93 kW
• Potencia absorbida: 3,75 kW
• Corriente (400V): 7,23 A
• Potencia condensación: 15,02 kW
• COP: 2,92
• Caudal másico: 273 kg/h
• Temperatura de descarga: 74,0°C
• Volumen desplazado (1450 rpm a 50 Hz): 26,84 m³/h

Figura 4. Límites de trabajo del compresor.

3.2. CONDENSADOR

Conocido el compresor, seleccionaremos el condensador. El software de selección de Bitzer nos dice que el compresor, trabajando en régimen nominal, necesita 15 kW de potencia de condensación. Es un buen criterio incrementar este valor en alrededor de un 30 % para sobredimensionar el condensador en concepto de ensuciamiento y variaciones de las condiciones de trabajo nominales. El salto térmico a elegir para la selección será de 12 K, un valor suficientemente conservador, aunque el compresor se haya dimensionado para trabajar adecuadamente con 15 K. Cabe destacar que seleccionar “holgadamente” un condensador es siempre una buena inversión para nuestra instalación.

Elegiremos el condensador por aire Pecomark UPH-120-1200/VMD, cuyas características son las siguientes:

• Refrigerante: R-134a
• Rendimiento: 19 kW
• Salto térmico (ΔT): 12 K
• Superficie de intercambio: 49,73 m²
• Coeficiente global de transmisión de calor: 31,85 W/m²K
• Volumen interno: 10,18 m³
• Caudal de aire: 13.500 m³/h

3.3. EVAPORADOR Y VÁLVULA DE EXPANSIÓN

Seleccionaremos un evaporador marca ECO CTE-353E6, de las siguientes características:

• Refrigerante: R-134a
• Rendimiento: 12,48 kW
• Tª evaporación: -3 ºC
• Tª cámara: 5 ºC
• Salto térmico (ΔT): 8 K
• Superficie de intercambio: 37,13 m²
• Caudal de aire: 7.530 m³/h
• Potencia de desescarche: 4.900 W

La válvula de expansión será de tipo termostática Danfoss TEN-2 con orificio 06, de las siguientes características:

• Refrigerante: R-134a
• Rendimiento: 10,55 kW
• Tª evaporación: -3 ºC
• Tª condensación: 45 ºC

4. CURVAS CARACTERÍSTICAS DE LOS ELEMENTOS DE LA INSTALACIÓN

Ya hemos seleccionado los componentes de la instalación, cuyas condiciones de diseño son:

• Tª cámara: +5 ºC
• Tª ambiente: 30 ºC
• Tª evaporación: -3 ºC
• Tª condensación: 45 ºC
• Potencia frigorífica: 10,93 kW
• Potencia absorbida: 3,75 kW
• Potencia condensación: 14,68 kW
• COP: 2,91

Partiendo de esta base, vamos ahora a analizar cómo se comportará esta instalación bajo otras condiciones de trabajo distintas. Para ello debemos obtener las curvas características de los diferentes elementos de la instalación. Vamos allá:

4.1. CURVAS CARACTERÍSTICAS DEL COMPRESOR

Ayudándonos del software de Bitzer, podemos simular diferentes condiciones de trabajo para el compresor. Los rangos que tomaremos serán: Tª evaporación de 7 ºC a -13 ºC y Tª condensación de 30 ºC a 50 ºC, los cuales abarcan la mayoría de situaciones que se nos podrían presentar en la práctica. Vayamos tomando datos y elaborando la Tabla 1:

Tabla 1. Datos de trabajo del compresor en diferentes condiciones.

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

Figura 5. Potencia frigorífica del compresor en función de la Tª evaporación y condensación.

Figura 6. Potencia de condensación del compresor en función de la Tª evaporación y condensación.

Figura 7. Potencia absorbida del compresor en función de la Tª evaporación y condensación.

Figura 8. COP del compresor en función de la Tª evaporación y condensación.

Estas curvas características representan como se comporta el compresor en un rango amplio de condiciones de trabajo, englobando por supuesto las condiciones de funcionamiento nominales. Habrá que ver ahora cómo interactúa el compresor con los demás elementos de la instalación.

4.2. CURVAS CARACTERÍSTICAS DEL CONDENSADOR

Los rangos que tomaremos serán: Tª condensación de 30 ºC a 50 ºC y Tª ambiente de 20 ºC a 40 ºC. Para conocer en cada caso la capacidad del condensador, aplicaremos la siguiente fórmula:

(1)

Siendo:

•  la potencia del condensador, en W
• el coeficiente de transferencia de calor = 31,85 W/m²K
• la superficie del condensador = 49,73 m²
• la Tª de condensación, en ºC
• la Tª ambiente, en ºC

Los resultados se muestran en la Tabla 2:

Tabla 2. Datos de trabajo del condensador en diferentes condiciones.

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

Figura 9. Potencia del condensador en función de la Tª ambiente y Tª condensación.

Conocidas las curvas del condensador, ahora vamos a superponer gráficamente dichas curvas con las que obtuvimos del compresor en relación a la potencia de condensación en la Figura 6. Realizando dicho cruce de curvas obtenemos la Figura 10:

Figura 10. Equilibrio condensador – compresor, variando Tª amb – Tª cond – Tª evap.

En la Figura 10 podemos ver cómo interactúa el condensador en combinación con el compresor. Por ejemplo, se observa que para las condiciones de diseño, Tª ambiente 30 ºC, y Tª evaporación -3 ºC, obtenemos una Tª condensación de 40 ºC y una potencia de condensación de 15,84 kW. En nuestras condiciones de diseño iniciales, obtendríamos una Tª condensación de 45 ºC y una potencia de 15 kW, pero al haber elegido un modelo de condensador un poco sobredimensionado, somos capaces de proporcionar incluso más capacidad condensando a una Tª más baja.

Podemos ver como para cada valor de las variables   Qcond–Tamb  –Tcond  –Tevap , 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 ambiente de 35 ºC y una Tª condensación de 45 ºC, obtenemos que el equilibrio del condensador con el compresor se establece para una Tª evaporación de -1 ºC y una potencia de condensación de 15,84 kW. Ya tenemos establecida la dinámica condensador – compresor.