Variadores de velocidad: manteniendo alimentos, medicinas y más fríos en refrigeración industrial

Andy Pye analiza cómo los variadores de velocidad ayudan a mantener cosas como alimentos y medicinas frías en aplicaciones de refrigeración industrial.

Durante unos 200 años, las tecnologías de refrigeración han ayudado progresivamente a proveer bienes y servicios esenciales, como:

• Conservación de alimentos
• Procesos médicos
• Calefacción y refrigeración urbana (district heating and cooling)

La industria fue marcada por impactos ambientales negativos bien documentados como resultado de refrigerantes dañinos que agotaban la capa de ozono con vínculos al calentamiento global. Tras la firma de los protocolos de Montreal y Kioto, se logró un progreso significativo, reduciendo la producción en un 90% de CFCs, HCFCs y HFCs entre 1988 y 2005.

Sin embargo, con la población mundial prevista para crecer a 9.000 millones entre ahora y 2050 y con mayor esperanza de vida, el consumo de todos los recursos relacionados con procesos de refrigeración significa que la demanda aumentará enormemente.

El impacto del consumo energético en el medio ambiente

El uso de energía suele ser el mayor centro de coste para cualquier planta de refrigeración. Ya, el consumo energético de equipos de refrigeración representa el 15% del uso global de electricidad (a menudo over 20% en países desarrollados). La mayoría de países siguen produciendo electricidad usando combustibles fósiles, y esto subraya un impacto adicional enorme en el calentamiento global debido al uso de equipos de refrigeración.

Por tanto, hay una necesidad urgente de:

• Mejorar el coeficiente de rendimiento (COP) de los equipos de refrigeración (en otras palabras, reducir el consumo de electricidad por unidad).
• Construir sistemas de consumo energético más integrados y altamente controlados en un edificio completo.
• Cambiar a nuevos refrigerantes que no dañen la capa de ozono ni emitan CO₂.
• Aumentar la cobertura global de soluciones de refrigeración de alta eficiencia que adopten mejores prácticas.

Muchos sistemas de refrigeración y aire acondicionado requieren procesos fiables que sean más eficientes, compactos, respetuosos con el medio ambiente, fáciles de instalar y mantener. Los requisitos de refrigeración varían en un rango amplio durante el día y el año debido a factores como condiciones ambientales, ocupación y uso, e iluminación.

También puede haber necesidad de control estable y preciso de temperatura y humedad en áreas como hospitales, IT y telecomunicaciones. En aplicaciones como escuelas, restaurantes y edificios de oficinas, es importante que el sistema de refrigeración pueda adaptarse a amplios cambios diarios de carga.

En aplicaciones de refrigeración de proceso como fermentación, túneles de cultivo y procesos industriales, se requieren ajustes de temperatura precisos para asegurar la calidad de producción.

Hay varias formas de modular la capacidad de refrigeración en sistemas de refrigeración, aire acondicionado y calefacción. Las más comunes en aire acondicionado son: ciclos simples on-off, by-pass de gas caliente, uso (o no) de inyección de líquido, configuraciones de múltiples compresores y tecnología inversor (inverter).

La modulación de capacidad es una forma de igualar la capacidad de refrigeración a la demanda de refrigeración según los requisitos de la aplicación. El compresor está específicamente diseñado para funcionar a diferentes velocidades de motor para modular la salida de refrigeración. Un inversor controla la velocidad del motor del compresor para modular la capacidad de refrigeración.

La tecnología de velocidad variable puede implementarse en HVACR, control preciso y refrigeración de proceso, y en unidades de aire acondicionado empaquetadas o split, unidades en tejado (rooftops), enfriadoras (chillers), refrigeración de precisión, VRF y unidades condensadoras.

Usar variadores de alto rendimiento con motores de imanes permanentes maximiza la eficiencia energética en productos de refrigeración industrial. Instalaciones típicas pueden ver aumentos grandes en el Coeficiente de Rendimiento (COP) de alrededor del 15%, resultando en enormes ahorros energéticos y menores costes de ciclo de vida, con retorno de inversión a menudo en menos de 12 meses.

El compresor y el variador necesitan estar calificados para trabajar juntos y para aplicaciones dedicadas. El variador modula la velocidad del compresor y también lo previene de operar fuera de los límites de operación del compresor. Los variadores de frecuencia inversor necesitan usar algoritmos desarrollados específicamente para calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) o para refrigeración —estos aseguran que el sistema funcione dentro de los límites de la aplicación.

Las unidades de Flujo de Refrigerante Variable (VRF) son sistemas de refrigeración o reversibles para calefacción y refrigeración muy populares. Combinan flexibilidad para propietarios y ocupantes por igual, con eficiencia energética, alto confort y facilidad de instalación, sin comprometer la fiabilidad. Los sistemas VRF usan extensivamente tecnología inversor.

Ejemplos de ahorro energético usando variadores de velocidad

La instalación de un gran variador CA de velocidad variable autónomo de la gama Unidrive SP ha mejorado el control de temperatura en las cámaras frigoríficas del fabricante de alimentos Henry Denny en Portadown (Irlanda del Norte), y está en camino de lograr un ahorro masivo de unas £23.400 en su factura anual de electricidad —un recorte del 50% del uso total de energía de la planta.

La empresa fabrica una amplia gama de pasteles, rollos de salchicha, empanadillas y pasteles de cottage, y un complejo de 20 cámaras frigoríficas almacena una enorme cantidad no solo de la propia producción de la empresa, sino que, al actuar el sitio como depósito de distribución regional para Irlanda del Norte, también guarda miles de quesos, mantequillas, jamones y beicon de otras empresas del Grupo Kerry.

En otro lugar, en Calgary, Canadá, se logran ahorros energéticos del 35% en una planta de refrigeración en un negocio de alimentación. Aquí, un nuevo sistema de refrigeración compuesto por dos nuevos compresores y condensadores, y la empresa necesitaba minimizar costes operativos. Un variador CA Commander SK por enfriador controla todos los ventiladores simultáneamente. Los variadores están integrados en un panel de diseño personalizado.

Durante la mayor parte del año, el condensador funciona a una fracción de su capacidad total. En el sistema antiguo, el control de refrigeración del condensador se lograba usando contactores para apagar y encender ventiladores de velocidad fija en pares. Esto resultaba en que los ventiladores ciclaran constantemente y no proporcionaran el control de temperatura fino que se requiere.

Como el punto de consigna de presión se sobrepasaba constantemente, la expansión y contracción excesiva del refrigerante resultó en fatiga mecánica de las tuberías. Con el tiempo, esto podría llevar a fallo de tuberías o conexiones.

Cuatro motores funcionando a media velocidad usan mucha menos energía que dos motores a potencia máxima. Además, los cambios suaves de velocidad del ventilador usan menos energía que arranques repetidos. En este sistema controlado por VFD, no solo hay un ahorro significativo de energía, sino que la presión y temperatura se regulan con gran precisión, resultando en menos estrés en todo el sistema.

Legislación aplicable

La norma y legislación que aplican son ISO 50001 (la norma de Gestión Energética) y la Legislación de Eficiencia Estacional a Carga Parcial (SEER).

ISO 50001:2011 especifica requisitos para establecer, implementar, mantener y mejorar un sistema de gestión energética. Su propósito es permitir a una organización seguir un enfoque sistemático para lograr mejora continua del rendimiento energético, incluyendo eficiencia energética, uso y consumo de energía. ISO 50001:2011 se aplica a todas las variables que afectan el rendimiento energético que pueden ser monitorizadas e influenciadas por la organización. Especifica requisitos aplicables a medición, documentación y reporte, diseño y prácticas de adquisición para equipos, sistemas, procesos y personal que contribuyen al rendimiento energético.

En Europa, la eficiencia estacional de equipos de refrigeración, enfriadoras y acondicionadores de aire a menudo se califica por el European Seasonal Energy Efficiency Ratio (ESEER) definido por Eurovent Certification Company. En el Reino Unido, un Seasonal Energy Efficiency Ratio (SEER) para productos de refrigeración y aire acondicionado, similar al ESEER pero con factores de ponderación de perfil de carga diferentes, se usa para parte de los cálculos del Reglamento de Construcción Parte L dentro del software Simplified Building Energy Model (SBEM), y se usan en la producción de Certificados de Eficiencia Energética (EPC) para edificios nuevos en el Reino Unido y la UE; ambos como parte de la Directiva Europea sobre rendimiento energético de edificios (EPBD).

La fórmula para SEER puede presentarse así:
SEER = a (EER@25% carga) + b (EER@50% carga) + c (EER@75% carga) + d (EER@100% carga)
donde a,b,c,d son los factores de ponderación de perfil de carga relevantes para la aplicación propuesta.

Un estándar similar a ESEER en Estados Unidos es el integrated energy efficiency ratio (IEER).

El ESEER se calcula combinando ratios de eficiencia energética (EER) a carga completa y parcial, para diferentes temperaturas estacionales de aire o agua, e incluyendo factores de ponderación apropiados.