Funcionamiento de los Sistemas de Refrigeración por Expansión Directa y Agua Helada

El enfriamiento de fluidos de proceso, recipientes de reacción, vapor de escape de turbina y otras aplicaciones es una operación crítica en muchas instalaciones industriales. Los sistemas de enfriamiento requieren protección contra la corrosión, la incrustación y la contaminación microbiológica para maximizar el rendimiento, preservar la vida útil y la confiabilidad del equipo y, lo que es más importante, ayudar a garantizar la seguridad de los empleados. En el ámbito de la climatización y procesos industriales, dos de los diseños más predominantes son los sistemas de refrigeración por expansión directa (DX) y los sistemas de agua helada (Chillers). Ambos cumplen la función de extraer calor de un espacio o proceso, pero lo logran a través de principios y configuraciones distintas, adaptándose a diversas escalas y necesidades.

Principios del Ciclo de Refrigeración

La refrigeración es el proceso empleado en aparatos de aire acondicionado, que consiste en producir frío, o más precisamente, en extraer calor de un lugar para transportarlo a otro. Así, el lugar al que se le sustrae calor se enfría.

Refrigeración por Compresión

El sistema convencional de refrigeración y el más utilizado en el aire acondicionado es el sistema de refrigeración por compresión. Mediante energía mecánica, se comprime un gas refrigerante. Al condensar, este gas emite el calor latente que antes, al evaporarse, había absorbido el mismo refrigerante a un nivel de temperatura inferior. Para mantener este ciclo se emplea energía mecánica, generalmente mediante energía eléctrica.

• En el evaporador, el líquido se vaporiza a presión y temperatura constantes gracias al calor latente suministrado por el refrigerante que cruza el espacio del evaporador.
• Por la acción del compresor, el vapor resultante de la evaporación es aspirado por el evaporador por la línea de aspiración hasta la entrada del compresor.
• El vapor atraviesa la línea de expulsión hacia el condensador, donde libera el calor hacia el aire exterior. Una vez que el vapor ha prescindido de su calor adicional, su temperatura se reduce a su nueva temperatura de saturación que corresponde a su nueva presión.

Refrigeración por Absorción

Un método alternativo de refrigeración es por absorción. En este caso, el refrigerante no es comprimido mecánicamente, sino absorbido por un líquido solvente en un proceso exotérmico y transferido a un nivel de presión superior mediante una simple bomba. La energía necesaria para aumentar la presión de un líquido mediante una bomba es despreciable en comparación con la energía necesaria para comprimir un gas en un compresor.

A una presión superior, el refrigerante es evaporado o desorbido del líquido solvente en un proceso endotérmico, es decir, mediante calor. A partir de este punto, el proceso de refrigeración es igual al de un sistema de refrigeración por compresión. En este sistema de refrigeración por absorción, al igual que en el de compresión, se aprovecha que ciertas sustancias absorben calor al cambiar de estado líquido a gaseoso.

Más en detalle, el refrigerante se evapora en un intercambiador de calor, llamado evaporador, el cual enfría un fluido secundario, para acto seguido recuperar el vapor producido disolviendo una solución salina o incorporándolo a una masa líquida. En los sistemas de refrigeración por absorción se diferencia entre dos circuitos: el circuito del refrigerante (entre compresor térmico, condensador y evaporador) y el circuito del solvente (entre el absorbedor y el separador).

Una ventaja notable de los sistemas de absorción es que el refrigerante no es un fluoroclorocarbono. La mezcla de refrigerante y solvente en aplicaciones de aire acondicionado y para temperaturas mayores a 0°C es agua y bromuro de litio (LiBr). En aplicaciones para temperaturas hasta -60°C es amoniaco (NH₃) y agua. El rendimiento es menor que en el método por compresión (0,8 frente a 5,5), sin embargo, en algunos casos compensa el que la energía proveniente de una fuente calorífica sea más económica, incluso residual o un subproducto destinado a desecharse.

Sistemas de Refrigeración por Expansión Directa (DX)

¿Qué es un Sistema de Expansión Directa?

Un sistema de enfriamiento DX o de expansión directa es un tipo de sistema de aire acondicionado que elimina el calor de un espacio a través de la evaporación y la condensación de un refrigerante. El refrigerante absorbe el calor en el aire (o de la carga útil deseada, como el calor generado por el equipo de TI en un armario de red u otro espacio de TI) y luego expulsa el calor al aire libre. Los sistemas de expansión directa en la refrigeración han crecido rápidamente debido a su simplicidad de construcción, su capacidad para eliminar la mayoría de los conductos y tuberías, y su facilidad de integración en el equipo del usuario. Hoy en día, estos sistemas son muy utilizados porque el trabajo de instalación se facilita y se reduce el costo total del sistema para el usuario.

Un sistema de enfriamiento directo está directamente en contacto con los evaporadores del usuario, por ejemplo, mediante una placa fría. De hecho, sin necesidad de refrigerante secundario, el sistema solo requiere piezas mínimas, lo que minimiza el trabajo en torno a la tubería y la instalación. No es necesario hacer circular aire frío o refrigerante secundario con ventiladores o bombas adicionales, lo que simplifica y aumenta la eficiencia al evitar resistencia térmica adicional y añadir calor al sistema.

Componentes y Funcionamiento

Este sistema tiene varios componentes, incluidos un minicompresor, un condensador, una placa de transmisión y un capilar u otros componentes de refrigeración.

El ciclo de funcionamiento de un sistema DX es el siguiente:

1. En un sistema de enfriamiento DX, el evaporador se coloca dentro del espacio a enfriar. El refrigerante ingresa a las bobinas de enfriamiento DX, donde absorbe el calor del aire y se transforma en gas. La unidad de control de flujo (tubo capilar o válvula de expansión térmica) se encarga de expandir el refrigerante, reduciendo su presión para que su temperatura sea inferior a la zona que se intenta enfriar.
2. El compresor (el "corazón" del sistema) atrae el vapor resultante del evaporador. Comprime el vapor, aumentando su presión y temperatura.
3. El vapor comprimido y caliente pasa al condensador, ubicado generalmente en el exterior. Aquí, el refrigerante libera el calor al aire ambiente y se transforma de gas a líquido.
4. Una válvula de expansión (o tubo capilar) se encuentra entre el evaporador y el condensador para facilitar los cambios en la presión y la temperatura del refrigerante a medida que se mueve a través de este proceso de enfriamiento.

El serpentín del evaporador también condensa la humedad del aire. El agua que gotea se recoge en una bandeja de condensado y se dirige al desagüe.

Ventajas y Desventajas

En comparación con los sistemas de agua helada, el enfriamiento DX ofrece más flexibilidad y puede operar a costos más bajos si se minimiza la cantidad de intercambios de calor. Elimina la necesidad de introducir agua en espacios de TI llenos de equipos sensibles, lo cual es una ventaja importante para muchos gerentes de centros de datos. Además, es fácil de instalar, minimiza el espacio requerido, es fácil de ajustar y mantener, consume poca energía (especialmente los mini-enfriadores) y tiene un nivel de ruido mínimo.

Sin embargo, cuanto mayor sea el espacio de un centro de datos, menos ideal será un sistema de enfriamiento DX. Las rutas de tuberías largas pueden ser un aspecto desafiante de la instalación en un espacio grande, y el funcionamiento de múltiples líneas de refrigerante puede volverse más costoso que el de menos bucles de tubería de agua de la enfriadora.

Innovaciones Recientes en Sistemas DX

Las innovaciones recientes están cambiando la eficiencia y escalabilidad de los sistemas DX:

• Tecnologías Variables: Los modelos más nuevos incorporan múltiples tecnologías variables para componentes como compresores, ventiladores del condensador, ventiladores del evaporador, bombas y válvulas de expansión, respondiendo y coincidiendo con los cambios en la carga de la sala.
• Economización de Enfriamiento Bombeado (Free-cooling): Permite que el compresor permanezca apagado u opere menos durante temperaturas ambiente exteriores más bajas. Se utiliza aire ambiente exterior para enfriar el refrigerante directamente, reduciendo significativamente el consumo de energía del compresor.
• Controles Inteligentes: Mejoran la precisión y la eficiencia operativa, midiendo con exactitud la carga de TI y adaptándose continuamente al modo operativo más eficiente.

Ejemplos de Aplicaciones y Tecnologías DX

Vertiv, por ejemplo, ofrece soluciones de enfriamiento DX de precisión para una amplia gama de aplicaciones, desde pequeñas salas de computación hasta centros de datos empresariales. Sus sistemas, como el Vertiv Liebert® DSE y el Vertiv Liebert® PDX Compact DX, incorporan tecnologías avanzadas para maximizar la eficiencia y la flexibilidad. Para aplicaciones de alta densidad en filas de racks, el Vertiv Liebert® CRV proporciona enfriamiento preciso y eficiente.

RIGID ha diseñado una mini unidad de condensación DX única para la refrigeración de instrumentos o electrónica. Esta solución no requiere un circuito de refrigerante redundante y el refrigerante enfría directamente la carga útil a través de una placa fría. Estos mini-enfriadores son compactos, ligeros, eficientes y pueden ofrecer funciones duales de calefacción y refrigeración, ideales para aplicaciones donde el espacio y el bajo consumo de energía son cruciales.

Sistemas de Agua Helada (Chillers)

Concepto y Aplicaciones

Los sistemas de agua helada representan una importante tecnología de climatización, ampliamente utilizada en grandes edificios como el Burj Khalifa y el Merdeka 118, así como en hoteles, oficinas, centros comerciales y hospitales. Un sistema chiller o de agua helada es un tipo de aire acondicionado centralizado que enfría agua mediante un ciclo de refrigeración, la cual se distribuye a través de una red de tuberías a diferentes unidades o áreas. Un chiller funciona extrayendo el calor del agua mediante el ciclo de refrigeración y bombea el agua enfriada a las áreas del edificio donde se necesita climatización.

Son muy importantes en la industria del plástico (para enfriar inyectoras de extrusión o soplado) y en sistemas de aire acondicionado a gran escala, donde bombean el agua helada a través de unidades interiores como cassettes, fan and coil, o minisplits. Los chillers son comúnmente utilizados en instalaciones que requieren una climatización constante y precisa en amplios espacios, y son ideales para proyectos que buscan maximizar la eficiencia energética.

Componentes Principales y Funcionamiento

Los componentes principales de un sistema de agua helada incluyen:

1. El Enfriador (Chiller): Es el componente principal, responsable de producir agua fría. Funciona según el ciclo de refrigeración (compresión, condensación, expansión, evaporación) para extraer el calor del circuito de agua que circula hacia las unidades de tratamiento de aire del edificio. El calor que absorbe el enfriador del edificio debe ser disipado al ambiente.
2. Torres de Enfriamiento: Se utilizan comúnmente con enfriadoras refrigeradas por agua. Facilitan la disipación de calor del circuito de agua del condensador a la atmósfera, principalmente mediante evaporación. El agua del condensador de la enfriadora (agua de condensación) se bombea a la torre de enfriamiento, se distribuye sobre un medio de relleno para maximizar el contacto aire-agua y se enfría a medida que el aire ambiente pasa a través de la torre, lo que provoca la evaporación de parte del agua. Las torres de enfriamiento modernas pueden ser de tiro mecánico (con ventiladores) o de tiro natural. Alternativamente, los enfriadores refrigerados por aire utilizan ventiladores para forzar el paso del aire ambiente directamente sobre las serpentinas del condensador, disipando el calor sin necesidad de una torre de refrigeración ni un circuito de agua de condensación.
3. Unidades de Tratamiento de Aire (UTA) y Unidades Fan Coil (UFC): Son las encargadas de acondicionar el aire en espacios ocupados. Generalmente constan de un ventilador, una batería de enfriamiento (por la que circula agua fría), filtros y, en ocasiones, baterías de calefacción, humidificadores o recuperadores de energía. El aire se extrae del espacio (o del exterior), pasa por la batería de enfriamiento donde transfiere calor al agua fría y luego se devuelve al espacio a una temperatura y humedad menores.
4. Bombas: Mueven el agua fría del chiller a las UTAs/UFCs y devuelven el agua tibia al chiller. También hay bombas para el circuito de agua de condensación en sistemas con torres de enfriamiento.

Tipos de Chillers y Características

• Chillers Centrífugos: Eficientes para grandes cargas, suelen utilizar refrigerantes de baja presión y pueden tener una capacidad de reducción de potencia limitada.
• Chillers Falling Film: Cuentan con tecnología basada en la pulverización del refrigerante en el evaporador para que el cambio de fase sea casi instantáneo. Pueden producir frío y calor añadiendo una válvula de cuatro vías.
• Chillers Modulares: Ofrecen una forma eficiente y cómoda para la refrigeración residencial y comercial, con capacidades que se pueden combinar para lograr una capacidad máxima significativa. Se conectan a un compresor maestro que controla el funcionamiento de los sistemas dependientes, ofreciendo redundancia. El compresor utilizado en estos equipos suele ser de tipo scroll, con dos paletas en forma de espiral.
• Mini Chiller: Cuentan con un motor de corriente directa de alta eficiencia que permite modular el consumo de electricidad según la demanda. Su nuevo diseño de componentes del intercambiador provoca una menor resistencia del aire, mejorando el intercambio de temperatura.

Consideraciones Operativas

Es muy importante el tipo de agua que se utilizará en los sistemas de agua helada. Si se toma agua que no ha tenido un tratamiento previo puede causar sedimento en las tuberías y problemas de congelamiento en el evaporador o las tuberías. Si la dureza del agua es muy alta, cabe la posibilidad de que el sistema se corroa. Es recomendable que la calidad del agua se analice antes de usarse.

Si se desea que el chiller pueda trabajar a temperaturas menores a los 4 °C, la mejor opción es utilizar glicol mezclado con agua para bajar el punto de congelamiento. Sin embargo, la eficiencia del chiller puede disminuir dependiendo del porcentaje de glicol en la mezcla. Una medida de protección para el invierno es vaciar el agua del sistema para evitar que se congele y dañe los serpentines y el equipo interno.

Los diseños comunes de los sistemas de agua helada suelen utilizar una temperatura de entrada de 6,7 °C (44 °F) y una de salida de 12,2 °C (54 °F), lo que resulta en un Delta T de 5,5 °C (10 °F).

Estrategias de Bombeo

• Flujo Primario-Secundario: Utiliza dos conjuntos de bombas. Las bombas primarias mantienen un flujo constante a través de las enfriadoras, asegurando un funcionamiento estable. Las bombas secundarias usan variadores de velocidad (VSD) para ajustar el flujo hacia el edificio según la demanda.
• Flujo Primario Variable (VPF): Utiliza un único conjunto de bombas de velocidad variable para todo el circuito de agua helada.

Ventajas y Desventajas de los Sistemas Chiller

Los sistemas chiller tienen una vida útil generalmente más prolongada (un promedio de 20 a 25 años con mantenimiento adecuado) y son extremadamente eficientes en el manejo de grandes volúmenes de aire. Un sistema chiller, particularmente los enfriados por agua, es conocido por su eficiencia energética, ya que el agua puede transferir calor de manera más efectiva que el aire. Son la opción preferida para edificios de gran tamaño donde el enfriamiento eficiente de múltiples áreas es crucial.

Sin embargo, el costo de instalación de un sistema chiller es significativamente más elevado en comparación con los sistemas HVAC tradicionales. El mantenimiento requiere personal técnico especializado, lo que puede traducirse en costos de operación más altos. Necesitan un espacio considerable para su instalación, incluyendo áreas adicionales para torres de enfriamiento en sistemas enfriados por agua. En estos últimos, la dependencia del agua puede ser una desventaja en áreas donde el suministro es limitado o costoso.

Comparativa: Expansión Directa vs. Agua Helada

Mientras que los sistemas de agua helada pueden construirse en bloques más grandes, los sistemas DX ofrecen una mayor flexibilidad para construir y expandir gradualmente. Los sistemas DX son ideales para espacios pequeños y medianos, como armarios de red o salas de TI, donde la ausencia de agua es una ventaja crucial. Por otro lado, los sistemas de agua helada son la solución predilecta para edificios de gran escala, campus universitarios o distritos de refrigeración urbana, donde la centralización y la capacidad de manejar grandes cargas térmicas son prioritarias.

Importancia de la Refrigeración Activa

En el diseño de productos, la gestión de las condiciones térmicas para obtener la máxima eficiencia es un problema común, especialmente en la refrigeración de componentes electrónicos. La refrigeración activa, a diferencia de la pasiva (que solo puede reducir la temperatura hasta la ambiente), utiliza energía adicional para disminuir el calor hasta el nivel deseado. Los sistemas de compresión de vapor, como los utilizados en DX y chillers, son una forma efectiva de refrigeración activa que no consume mucha energía y son ligeros, lo que los convierte en una solución inteligente y ecológica para mantener los dispositivos electrónicos y los espacios a temperaturas óptimas.

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