ENFRIADORAS Y BOMBAS DE CALOR
Equipo de producción de frio o calor mediante un ciclo frigorífico y que utilizan agua o agua con anticongelante como fluido caloportador.
No se incluyen en esta sección otros medios como calderas o equipos tipo VRF o Rooftops.
CLASIFICACIÓN ENFRIADORAS Y BOMBAS DE CALOR
POR TIPO DE CONDENSACIÓN
¿Qué tipo de condensación elegir y cuando?
❄️ Tres tipos de enfriadoras:
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Condensación por aire, se utiliza el aire exterior directamente en el equipo para la condensación.
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Condensación por agua, el medio utilizado para condensar es agua sobre el equipo que luego requiere ser enfriada en otro medio, como torres de refrigeración o drycoolers.
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Condensador remoto, cuando la enfriadora no dispone de condensador y el refrigerante se conduce a un medio de condensación, bien por aire o evaporativo, ubicado en el exterior.
♨️ En el caso de bomba de calor, dos tipos según la evaporación:
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Aire-agua, se utiliza el aire exterior directamente en el equipo para disipar el frio del ciclo al exterior
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Agua-agua, mediante un intercambiador agua-agua se disipa el frio del ciclo al agua y esta disipa la energía al exterior mediante el uso de geotermia, calentadores o incluso una central de producción de frio o condensación
Elegir el tipo de condensación/evaporación atiende a los siguientes factores:
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Eficiencia energética: Uno de los motivos para inclinarse por un sistema u otro, por supuesto es la eficiencia, a carga total (y parcial según aplicación y uso). A día de hoy hay que tener en cuenta que los equipos condensación por aire inverter a cargas parciales ofrecen rendimientos muy interesantes.
Condensación por aire, los EER en condiciones Eurovent oscilan desde 2,8 hasta 3,8
Condensación por agua, rango de EER en condiciones Eurovent desde 5,5 hasta 7
Condensador remoto, depende del medio de disipación
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Capacidad:
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Las enfriadoras condesadas por aire presentan una limitación de capacidad frigorífica en un solo equipo de hasta 1.800 - 2.000 KW por las limitaciones de transporte. Este factor puede ser una limitación en la proyección de la planta. La potencia máxima varía según fabricante y condiciones de selección.
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De la misma manera, las bombas de calor agua-aire presentan limitaciones de capacidad, al rededor de los 700 KW cuando son compresores scroll.
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Disponibilidad del medio de condensación:
En equipos de condensación por agua, el medio habitual son torres de refrigeración, su dimensionamiento típico es la temperatura de bulbo húmedo + 5ºC y ofrecen buena eficiencia a las enfriadoras, pero a veces existen limitaciones por las políticas medioambientales de la propiedad, por el consumo de agua, por los costes en el control de legionella, etc. Alternativas a las torres de refrigeración: -
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Geotermia, pozos, agua de mar o lagos, si están disponibles estos recursos, la eficiencia que se consigue en los equipos es mayor por trabajar con temperatura de condensación más baja, 20ºC por ejemplo.
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Drycoolers, evitan los problemas asociados a la legionella, pero las temperaturas de condensación son mayores ( rango típico 5ºC por encima que la temperatura exterior) y por tanto la eficiencia del equipo es menor. Se debe tener en cuenta además el espacio y el peso de los equipos.
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Drycoolers con sistema adiabático, consiste en bajar la temperatura del aire de entrada de condensación y por tanto la temperatura de condensación de la enfriadora y por tanto mejorar la eficiencia. Si bien es cierto que hay consumo de agua, ésta se puede limitar para funcionar a partir de cierto momento y si el sistema funciona adecuadamente, no requiere los costes asociados a la prevención de la legionella.
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Disponibilidad del medio de evaporación:
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En bombas de calor agua-agua, lo complicado es encontrar un foco frio en cual disipar la energía y que sea compatible con el equipo y con un buen COP. Los habituales:
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Geotermia, agua de mar, rio o lago
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Lazo de agua fria o sistema de condensación de una central de frio condensada por agua
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Sistema en cascada, utilizando una bomba de calor aire-agua. Ver más.
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Aire exterior, mediante un calentador, pero hay muchas limitaciones en el sistema. Ver más.
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Espacio disponible, ubicación:
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Por supuesto, este es un factor determinante que nos puede llevar a elegir un sistema u otro. De forma general la condensación por aire ( tanto por enfriadoras condensadas por aire como drycoolers) requieren mayor espacio que las torres de refrigeración.
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El refrigerante puede tener mucho que ver en la decisión del tipo de equipo y su ubicación por las limitaciones que presenta el RSIF.
📣 Nota: Los equipos de condensación por agua están diseñados normalmente para ubicar en interior!!! por ejemplo pueden no llevar resistencia eléctrica en el evaporador para protección de congelación, o los acabados no estén preparados para la intemperie.
¿Qué tipo de compresor elegir y cuando?
Información general
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Compresor Scroll:
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Son compresores herméticos, más económicos que por ejemplo los de tornillo, con una capacidad limitada por lo que los equipos grandes requieren varios compresores (típicamente hasta 6, aunque hay equipos con más). La capacidad máxima que se puede encontrar en un equipo ronda los 700 - 800 KW.
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En contrapartida, sus correctivos y reparaciones están limitadas y en la mayoría de los casos requiere la sustitución del compresor.
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En el mercado se pueden encontrar de velocidad fija e inverter, y por su carácter "económico" suelen venir montados con intercambiadores de placas.
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Gas refrigerante típicos, R410A, R32, R454b, etc. Trabajan a alta presión y podrían encontrar limitaciones con temperaturas exteriores muy elevadas.
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Compresor de tornillo:
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Son compresores semi-herméticos, la capacidad mínima es superior a los compresores scroll y se puede encontrar en equipos desde los 300 KW hasta los 3.600 KW (en condensación por agua).
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Por ser semi-herméticos se pueden llevar a cabo mantenimientos preventivos y correctivos para alargar su vida útil y reparaciones.
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Según los fabricantes, suelen ser de dos tipos, monotornillo y bitornillo y pueden ser de velocidad fija, inverter con motor AC y variador de frecuencia e inverter con motor EC.
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La regulación de carga mediante válvula corredera (y variador en caso de inverter) les permite disponer una temperatura de agua fría de impulsión muy precisa.
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La última tendencia en estos compresores es utilizar un volumen de compresión variable para mejorar la eficiencia a cargas parciales.
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De forma general, equipos con estos compresores suelen disponer intercambiadores tubulares.
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Gas refrigerante típicos, R134a, R513A, 1234ze
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Compresor centrífugo:
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Además, los compresores centrífugos se pueden clasificar por el número de etapas, pudiendo ser simple, doble o triple etapa. Las etapas son el número de turbinas que tiene el compresor y su principal ventaja es la estabilidad a baja carga con temperatura de condensación elevada.
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El mapa de operación de un compresor centrífugo es como el de una bomba, la capacidad está relacionada con la presión diferencial a la que trabaja.
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A la hora de proyectar es muy importante tener en cuenta que si las condiciones de condensación son superiores a la de diseño, la turbina no será capaz de proyectar el refrigerante desde el lado de baja al lado de alta y se producirá un efecto de retroceso de refrigerante conocido como "surge".
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Los compresores de alta velocidad se pueden encontrar tanto en condensación por aire como por agua. Se debe prestar atención especial a la limitación por temperatura exterior en condensación por aire.
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Los compresores de baja velocidad, sólo se encuentran en condensación por agua para gran potencia, normalmente a partir de 1.800 - 2.000 KW.
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Gas refrigerante típicos, R134a, R513A, HFO 1234ze, HFO 1233zd(E)
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Por la velocidad de giro, pueden ser de baja velocidad (en torno a 3.500 rpm) y turbinas de mayor tamaño, y de alta velocidad o levitación magnética ( en torno a 40.000 r.p.m) con diámetro de turbina inferiores.
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Son compresores semi-herméticos, y la principal diferencia es el principio de funcionamiento. A diferencia de los anteriores que son de compresión volumétrica, los centrífugos se basan en la velocidad a la que el refrigerante sale de la turbina hacia el condensador y por tanto se tiene en cuenta dos factores, la velocidad radial y la velocidad tangencial, es decir, diámetro de turbina y velocidad de giro de la turbina.
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Compresor alternativos:
Compresor de desplazamiento positivo, al igual que scroll y tornillo, con poca presencia en equipos comerciales actuales y más enfocado a aplicaciones de muy baja temperatura con CO2.
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Resumen:
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Los equipos con compresores scroll, enfocados al sector de baja potencia y con menor coste de inversión y mantenimiento.
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Los equipos con compresores de tornillo, más robustos con mayores opciones de mantenimiento para prolongar su vida útil, se sitúan en el rango de media potencia, desde los 300 KW hasta 1.800 KW en condensación por aire y 3.600 en condensación por agua.
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Los equipos centrífugos de alta velocidad, levitación magnética se solapan en potencia a los tornillos, son equipos de mayor coste y con muy buena eficiencia a cargas parciales, principalmente muy bajas y su principal ventaja son la ausencia de aceite para lubricación, y nivel de ruido.
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Los equipos centrífugos de baja velocidad, sólo para condensación por agua, a partir de 2 MW.
📣 Nota: Aunque el SEER mide la eficiencia a cargas parciales y dos tecnologías distintas pueden tener SEER muy similares, el punto de máxima eficiencia se encuentra a distinto % de carga, por lo que se recomienda pedir las curvas a los fabricantes para seleccionar el equipo que mejor se adecúe.
POR TIPO DE COMPRESOR
POR USO
¿Qué usos tiene un máquina frigorífica para enfriamiento y/o calentamiento de agua?
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❄️ Sólo frio:
El equipo se destina sólo a la producción de agua fría
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❄️〰️ Sólo frio con recuperación de calor:
El equipo se destina sólo a la producción de agua fría y además se dispone de un intercambiador adicional en el lado de alta presión para recuperar el calor del ciclo antes de su disipación al exterior.
La recuperación puede ser parcial, en torno al 25% de la producción de frio, o recuperación total, superior al 100% de la producción de frio.
Nota: Sólo hay calor disponible si hay demanda de frio, y la potencia de calor es proporcional a la producción de frio.
Este tipo de recuperación es más típico en condensación por aire. Si bien es cierto que algunos fabricantes disponen enfriadoras condensadas por agua con recuperación de calor, es menos frecuente ya que la recuperación se puede hacer de forma "simple" en el circuito de agua.
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♨️ Bomba de calor:
Es una enfriadora con un ciclo reversible, que puede trabajar en modo frío o en modo calor en el mismo intercambiador, que en modo frio es evaporador, en modo calor es condensador.
Aunque hay excepciones, lo más típico es encontrar ciclos reversibles en condensación por aire, mientras que las bombas de calor agua-agua la inversión de ciclo se debe hacer en el circuito de agua.
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❄️♨️Equipo multitubular o cuatro tubos:
Es un equipo aire-agua con 2 intercambiadores, 1 de calor (condensador) y otro de frio (evaporador) y el equipo es muy versátil porque puede trabajar en 5 modos:
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Sólo frio, disipando todo el calor al exterior
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Sólo frio con recuperación de calor al intercambiador de agua y el resto al exterior
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Sólo calor, disipando el frio al exterior
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Sólo calor con recuperación de frio en el circuito de agua y el restante al exterior.
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El modo óptimo: recuperando todo el frío o todo el calor, sería sin duda el mejor modo de funcionamiento, ya que se aprovecharía todo el frio y calor producido sin disipar nada al exterior y su unidad de medida de rendimiento es el T.E.R. (total efficiency ratio)
📣 Nota importante, estos estos equipos requieren ciertos volúmenes de inercia que deben ser estudiados detalladamente para un correcto funcionamiento y prolongar la vida útil.
En modo frio, para evitar arranques y paradas excesivos de compresor y en bomba de calor para contrarestar los ciclos de desescarche.
En esta sección, se definen los rangos de temperaturas según la normativa Ecodiseño y por aplicaciones típicas.
DIRECTIVA 2009/125/CE DEL PARLAMENTO EUROPEO Y DEL CONSEJO de 21 de octubre de 2009 por la que se instaura un marco para el establecimiento de requisitos de diseño ecológico aplicables a los productos relacionados con la energía:
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Proceso, baja temperatura: -25ºC
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Proceso, medio temperatura: -8ºC
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Proceso, alta temperatura: 7ºC
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Climatización, baja temperatura: 7ºC
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Climatización, alta temperatura: 18ºC
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Bomba de calor, baja temperatura: 35ºC
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Bomba de calor, media temperatura: 52ºC
Por usos frecuentes en instalaciones reales. Los valores deben considerarse como aproximados ya que cada aplicación requiere su temperatura y esta debe ser elegida por el proyectista:
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Climatización:
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Temperatura típica en frio 7ºC, en aplicaciones de caudal constante es típico encontrarse reset en la consigna de agua fría cuando la temperatura exterior es inferior y la demanda menor. Se busca el ahorro energético en producción elevando el setpoint de la planta.
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Cuando la instalación es caudal variable, se recomienda estudiar si el ahorro procede de las enfriadoras con esta estrategia o por la reducción de consumo en bombas de distribución manteniendo la consigna constante.
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Aplicaciones con control de humedad, 5ºC - 6ºC, en aplicaciones mas exigentes de deshumectación, quizás se requiera bajar más
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Temperatura en calor, va a depender del sistema de unidades terminales:
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Fancoils, UTA´s, desde los 40ºC hasta los 50ºC, siendo el rango típico 45ºC
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Suelo radiante, desde 30ºC hasta los 45ºC
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Radiadores baja temperatura, 45ºC-55ºC
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Radiadores media temperatura, 55ºC-70ºC
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Radiadores alta temperatura, 70ºC-85ºC
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Agua caliente sanitaria, >60ºC
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Industria del plástico:
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Refrigeración de moldes, va a depender del tipo proceso productivo:
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Inyección
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Extrussión
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Soplado
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Chill-roll
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Refrigeración de aceite de hidráulicos
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CPDs
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Industrias lácteas
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Bodegas
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etc
POR TEMPERATURA DE TRABAJO
POR TIPO DE INTERCAMBIADORES
Principales tipos de intercambiadores en enfriadoras y bombas de calor
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Intercambiadores de placas:
Normalmente se encuentran en equipos con compresores scroll, principalmente por el coste.
Suelen ser de acero inoxidable
Como puntos en contra:
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se debe tener en cuenta que son intercambiadores que tienen poco volumen de agua
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que la variación de caudal permitida para hacer caudal variable es baja, por lo que puede no merecer la pena,
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Sólo es posible hacer limpiezas químicas y no mecánicas, por lo que la calidad de agua y las partículas que ésta contiene se debe tener en cuenta
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Intercambiadores de carcasa y tubos:
Normalmente se encuentran en equipos con compresores tornillo, equipos con enfoque de mayor robustez y durabilidad. A diferencia de los intercambiadores de placas:
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dispone de mayor volumen de agua
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permite una variación de caudal importante, por que es planteable proyectar caudal variable en primario en busca de la eficiencia energética. (Más detalle en sistemas hidráulicos)
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Es posible hacer limpiezas químicas y mecánicas (comúnmente conocido como baqueteado). Esto no implica que se deba vigilar la calidad de agua y las partículas que ésta contiene.
Se puede encontrar de dos tipos en función de por donde circula el refrigerante, por el interior de los tubos o por el exterior