La refrigeración es un sector esencial en nuestra vida cotidiana que representa entre un 15% y un 20% del consumo energético mundial, de acuerdo a los datos presentados por el proyecto europeo Cool-Save. Por lo tanto, representa una fracción importante de las emisiones de CO2 emitidas mundialmente y a la vez juega un papel imprescindible en el progreso de la sociedad.

Al igual que en otros sectores, cada vez se busca una mayor eficiencia energética en nuestros sistemas de refrigeración, con el objetivo de reducir nuestros costes a la vez que reducimos nuestra demanda energética y las emisiones de gases de efecto invernadero.

Para conocer la eficiencia de nuestra instalación, el indicador más representativo es el rendimiento instantáneo de una máquina frigorífica o bomba de calor (η), definido como el cociente entre la potencia frigorífica, o calorífica en el caso de la bomba de calor (Q), entre la potencia eléctrica del compresor (Wcomp):

En el caso de que se trate del rendimiento de una máquina frigorífica, se le suele denominar EER (Energy Efficiency Ratio) y en el caso de una bomba de calor, se le denomina COP (Coefficient of Performance).

A la hora de abordar el cálculo de este rendimiento instantáneo de forma práctica se distinguen dos métodos: el método indirecto y el método directo.

Método directo

El método directo consiste en la toma de datos de funcionamiento correspondientes al fluido frigorígeno o refrigerante que evoluciona en el interior de la máquina frigorífica o bomba de calor.

Para entender esto, hay que echar un vistazo al diagrama Presión-Entalpía del refrigerante y la evolución de entalpías en los distintos puntos del sistema frigorífico o bomba de calor:

 

 Figura 1. Diagrama P-H y evolución del refrigerante dentro de un circuito frigorífico o bomba de calor

Como se observa en el diagrama, cada punto se corresponde a un estado del refrigerante dentro del circuito:

  • 1: Salida del evaporador y entrada del compresor
  • 2: Salida del compresor y entrada del condensador
  • 3: Salida del condensador y entrada en la válvula de expansión
  • 4: Salida de la válvula de expansión y entrada del evaporador

Como se puede observar, el calor específico del condensador (Qcond , [kW/kg]) es igual a la diferencia de entalpías entre el punto 2 y 3. De forma análoga, el calor específico del evaporador (Qevap , [kW/kg]) es igual a la diferencia de entalpías entre los puntos 1 y 4.

En la imagen anterior, se ha asumido una expansión isoentálpica en la válvula de expansión (3🡪4), por lo tanto, la entalpía en el punto 3 es la misma que en punto 4. Además, también se asume que las pérdidas en el condensador y el evaporador son poco significativas, y la presión en el punto 2 es la misma que en el punto 3, así como la presión en el punto 4 es igual que en el punto 1.

Para conocer la entalpía del refrigerante es necesario conocer dos propiedades de estado en cada punto. Las dos propiedades que son más fáciles de medir son la presión y la temperatura. Para ello es posible medir con sondas de temperatura y de presión a la entrada y salida del compresor. Además, si asumimos que la presión en el condensador apenas cambia (como se ha descrito anteriormente), sólo es necesario añadir una sonda de temperatura adicional a la salida del condensador. También es necesario un analizador de redes por cada compresor.

Figura 2. Esquema de un sistema frigorífico e instrumentación necesaria para el cálculo del rendimiento directo

Para calcular el calor total de calefacción y refrigeración (Qheat [kW] y Qheat [kW]), es necesario conocer el caudal másico de refrigerante (mref):

Qheat = mref (h2 – h3), Qcool = mref (h4 – h1)

Existen varias estrategias para poder calcular el caudal másico de refrigerante:

  • Medición de caudalímetros invasivos o no invasivos.
  • Realizar un balance de energía al compresor y asumir unas pérdidas de calor para poder despejar el caudal másico, o bien utilizar caudalímetros y sondas de temperatura para calcular la refrigeración externa del compresor y así cerrar el balance de energía.
  • Modelizar el caudal de refrigerante en función de la curva presión-volumen del compresor, aportado por el fabricante.
  • Utilizar el software del fabricante para la modelización del compresor para poder calcular las pérdidas de calor, y así cerrar el balance de energía.

Una vez conocidos los valores anteriores, es posible calcular el rendimiento de una bomba de calor (COP) o de una máquina frigorífica (EER):

Las ventajas de este método son:

  • Permite el análisis de rendimiento en instalación sin un circuito externo, como podrían ser las cámaras frigoríficas, túneles de congelados, etc…
  • Permite un mejor análisis de la eficiencia en el compresor, como puede ser la eficiencia isentrópica.

Y las principales desventajas son:

  • En ocasiones es complicado calcular el caudal de refrigerante y para calcularlo es necesario una mayor instrumentación.
  • Es posible aplicar este método en un momento puntual de forma sencilla. Para poder monitorizar el rendimiento de forma dinámica, es necesario la modelización de las propiedades termodinámicas del refrigerante y métodos matemáticos más complejos.

Actualmente, existen algunos sistemas que son capaces de modelizar termodinámicamente las propiedades del refrigerante, como por ejemplo el método PilotE2 HVACR, de Articae Smart Technologies. Con esta tecnología es posible la monitorización de rendimientos en instalaciones frigoríficas.

Método indirecto

Este método consiste en la toma de datos y mediciones de los fluidos externo a la máquina. Este es el método más utilizado y más sencillo de aplicar. Sin embargo, no es más preciso que el método directo y a veces presenta dificultades en la toma de datos.

Con este método calcularemos la diferencia de entalpías entre la entrada y la salida del fluido externo del evaporador en el caso de una máquina frigorífica, o del condensador en el caso de una bomba de calor. Aplicando el balance de energía obtenemos:

La imagen tiene un atributo ALT vacío; su nombre de archivo es Formula3.png

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Donde:

Qcond , Qevap son el calor de calefacción en el condensador y de refrigeración en el evaporador, respectivamente.

He cond , Hs cond , He evap , Hs evap son las entalpías de entrada y salida del condensador, y de entrada y salida del evaporador, respectivamente.

Te cond , Ts cond , Te evap , Ts evap son las temperaturas de entrada y salida del condensador, y de entrada y salida del evaporador, respectivamente.

mf. ext. cond., mf. ext. evap. son los caudales del fluido externo del condensador y el evaporador, respectivamente.

Cef. ext. cond., Cef. ext. evap., es el calor específico del fluido externo del condensador y el evaporador, respectivamente.

Para la medición del rendimiento en un circuito simple de refrigeración o bomba de calor, es necesario la instalación de 1 caudalímetro y 2 sondas de temperatura por cada circuito externo en el condensador o evaporador, y un analizador de redes por cada compresor.

 

 

 

 Figura 3. Esquema de un sistema frigorífico e instrumentación necesaria para el cálculo del rendimiento indirecto

Las principales ventajas de este método son:

  • Facilidad de instalar equipos para la toma de datos. Se pueden obtener únicamente con caudalímetros de líquido, sondas de temperatura, sondas de presión y un analizador de redes o contador eléctrico .
  • En el caso de utilizar caudalímetros por ultrasonidos, es posible utilizar este método de una forma no invasiva para la instalación.
  • Es un método sencillo y el más utilizado para la medición de rendimientos.

Sin embargo, presenta las siguientes desventajas:

  • En los sistemas cuyo fluido externo es el aire, las mediciones son muy complicadas o inviables. En el caso de aires acondicionados es posible medir el flujo de aire con un anemómetro intentando conseguir un caudal lo más estable y uniforme posible en toda la salida de aire. En el caso de la refrigeración industrial y comercial esto no es posible y es necesario recurrir al método directo.
  • En muchas ocasiones para medir el rendimiento global de la instalación, un único circuito primario puede tener varios intercambiadores con un fluido externo (desobrecalentadores, subenfriadores, etc…) y entonces es necesario utilizar un caudalímetro y dos sondas de temperatura adicionales por cada circuito secundario.

Continuará…