podía disponer de variadores de potencia En el 15% de los casos

podía disponer de variadores de potencia En el 15% de los casos no existía esta regulación
mientras que en otro 15% la regulación era regular o deficiente. En el resto, existía una buena
regulación de capacidad de producción de frío. Hay que mencionar que los sistemas donde no se
disponía de regulación de capacidad, o esta era deficiente, eran los de menor producción
frigorífica, y, por lo tanto, el efecto de esta carencia sobre el consumo energético era pequeño.
En cuanto al control de arranque y de regulación de la capacidad, en el 26% de los
compresores se hacía por presostatos; en el 46% de los casos se hacía mediante un programador
de levas, y en el resto (26%) mediante un autómata programable.
Como resumen de las mejoras posibles en cuanto a instalación frigorífica, se estimó
(valores correspondientes a 1999) que era posible disminuir sensiblemente los costes
energéticos anuales. Con escasa o nula inversión, con sólo mejorar la gestión del frío, las
modificaciones en la temperatura de evaporación producían un ahorro por central y año
estimado entre 180 y 1900 euros. El cambio a condensadores evaporativos podía proporcionar a
cada central un ahorro estimado entre 1000 y 7000 euros por año, debido a la mejora del
rendimiento del ciclo frigorífico.
Finalmente, analizando la gestión de las cámaras frigoríficas se estimaron ahorros
adicionales si se concentraba el almacenaje de fruta en pocas cámaras a final de temporada,
cuando la mayoría de cámaras se usan en un bajo porcentaje de su capacidad, y se recomendó
ajustar las entradas diarias de producto, en época de cosecha, a las capacidades reales de
enfriamiento de las cámaras.
Bibliografía
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I Congreso Español de Ciencias y Técnicas del Frío, CYTEF'2002 Cartagena, 4-6 Abril 2002
El 40% de las instalaciones disponían de control del desescarche mediante autómata
programable o basado en ordenador; el resto hacía el desescarche por programadores horarios
(menos eficientes porque no tienen en cuenta el tiempo de producción de frío ni, por tanto la
acumulación real de hielo).
En relación a los aspectos constructivos, se analizó la superficie de intercambio
específica, es decir, superficie de evaporación en relación al volumen de la cámara. Este
parámetro es indicativo en las comparaciones entre cámaras de construcción y uso similares,
como es el caso que nos ocupa.
Los valores hallados oscilaban en torno a 0,50 m2/m3, con mínimos entorno a los 0,20 y
máximos alrededor de 0,75. Hay que tener en cuenta que pequeñas superficies están asociadas a
mayores diferenciales de temperatura entre la evaporación del fluido y la de consigna de la
cámara, lo cual tiene varios efectos desfavorables (menor Te, en perjuicio del COP; menor
humedad relativa de equilibrio en la cámara, asociada a mayor frecuencia de desescarche y, por
lo tanto, a mayores necesidades de agua para corrección de la humedad ambiental si se quiere
evitar el arrugado y la pérdida de peso de los frutos por exceso de transpiración).
En cuanto al mantenimiento, el 44% de las instalaciones estaba en buen estado; el 30% se
calificó como regular, y el resto tenía un mantenimiento deficiente.
Condensadores y torres de refrigeración:
El 44% de las instalaciones funcionaba con condensadores evaporativos. En el resto, esta
función la cumplían intercambiadores tubulares alimentados por agua procedente de una torre
de refrigeración. En un caso, por ampliación puntual de potencia, se había ampliado el
intercambiador con algunas unidades de intercambio por aire.
En el 41% de los casos el condensador disponía de variadores de capacidad, generalmente
en forma de variadores de frecuencia en los ventiladores o con varios ventiladores que
arrancaban secuencialmente. El resto de instalaciones era de potencia fija, que se evaluó como
adecuado desde el punto de vista del consumo energético.
La capacidad de disipación de calor estaba ligeramente sobredimensionada respecto a las
necesidades reales (entre 100 y 220%), lo cual es favorable desde el punto de vista del
rendimiento del ciclo (se consigue subenfriamiento del líquido), aunque en alguna instalación
los condensadores proporcionaban sólo entre el 80 y el 100% de la capacidad requerida, con lo
cual cabe esperar consumos energéticos mayores que los normales en los períodos de máxima
demanda.
En cuanto a mantenimiento, se observó que en el 15% de las instalaciones se disponía de
tratamientos anticalcáreos y alguicidas en el agua, en el 33% sólo se hacía tratamiento
anticalcáreo y en el resto no se aplicaba ningún tratamiento al respecto. Dada la calidad del agua
habitual en las comarcas de Lleida, cabe esperar que la mayoría de las instalaciones que no
realizan tratamientos tengan a medio plazo problemas de intercambio de calor, debidos a las
incrustaciones calcáreas sobre las superficies metálicas de los elementos intercambiadores (tal
como se observó ya in situ en algunos casos).
Finalmente, cabe observar una gran variabilidad en cuanto a las potencias de bombeo de
agua instaladas en los condensadores evaporativos y torres (incluso entre equipos de
características similares), lo que indica que los instaladores no siguen habitualmente unos
cálculos fiables en la selección y tienden a sobredimensionar estos elementos auxiliares.
Compresores:
El último elemento analizado fueron los compresores. Las potencias instaladas eran
variables. En compresores alternativos, las potencias frigoríficas por equipo oscilaban entre los
6,25 y los 110 kW; en los helicoidales, entre 92 y 147 kW.
La variación de potencia también estaba resuelta de modos distintos; en la mayoría de
instalaciones se disponía de varios compresores en paralelo; adicionalmente, cada compresor
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temperatura de trabajo de las cámaras analizadas se situaba cerca de los 0ºC, y la temperatura
del aire exterior en los momentos más desfavorables podía alcanzar los 35-40ºC (con T de
saturación adiabática entre 22 y 30ºC).
T evaporación: Los evaporadores bien diseñados deberían permitir trabajar con un salto
térmico entre 5 (invierno, cuando la carga térmica que soporta la cámara es menor) y 7ºC
(verano). Se observó que, con frecuencia, se operaba a Te<-10ºC, por un exceso de carga
térmica (demasiada fruta entrando en la misma cámara en un mismo día), para compensar el
déficit de superficie de intercambio en los evaporadores. En estas condiciones, aun suponiendo
que los compresores estuvieran suficientemente sobredimensionados como para proporcionar el
frío requerido, se producía una caída sendible en el coeficiente de rendimiento del ciclo
(C.O.P.), que daba lugar a sobrecostes notables en términos de energía.
T condensación: La temperatura de condensación dependía del tipo de condensador
instalado. Se admite, orientativamente, que, en unas condiciones con aire a 35ºC y con una
temperatura de bulbo húmedo de 22ºC, si se dispone de suficiente caudal de agua no
recuperable a 18ºC, se puede diseñar el sistema para una Tc = 31ºC; con condensadores
evaporativos, Tc = 34ºC; con condensadores multitubulares asociados a una torre de
refrigeración, Tc = 42ºC; y, con condensadores por aire, Tc = 50ºC.
En sistemas con amoníaco (frecuentes en las instalaciones analizadas; algunas
instalaciones funcionaban con R-22), tomando datos de las instalaciones y combinando ambos
factores, se estimaron los valores del C.O.P. real que se muestran en la Tabla 1. En instalaciones
bien diseñadas, este indicador podría alcanzar el valor de 3,64, mientras que cuando se fuerza a
la baja la temperatura de evaporación (sin cambiar la de condensación) puede disminuir hasta
valores inferiores a 3 (cabe comentar que, para R-717, Tc= +35ºC y Te= -5ºC, el COP del ciclo
teórico saturado simple vale 5,70).
Tabla 1: COP en función de las temperaturas de evaporación (Te) y de condensación (Tc), en amoníaco.
Te (ºC)
-5
-7
-10
+35
3,64
3,44
3,17
Tc (ºC)
+40
3,19
3,03
2,80
+45
2,82
2,68
2,50
B.2)Equipos
Evaporadores: Se analizaron varios aspectos de funcionamiento, constructivos, y de
mantenimiento en los evaporadores de las cámaras.
En cuanto al funcionamiento, se consideró: la existencia de un control para proporcionar
una capacidad variable de ventilación; la utilización de válvulas termostáticas o electrónicas
(estas últimas, en R-22, proporcionan un perfil de T con oscilaciones más atenuadas, y son más
favorables para el ahorro energético); y, también, el sistema de desescarche instalado (tanto el
tipo de dispositivo como el sistema de ciclación) y el estado de mantenimiento.
De todos los sistemas instalados, en el 67% los evaporadores no disponían de regulación
de caudal de aire; en el 22% se disponía de escalado de velocidades; en una de las instalaciones
se encontraban variadores de frecuencia.
En cuanto a las válvulas, y considerando únicamente los sistemas de R-22, sólo en 4 de
ellos (total: 20) se empleaban válvulas electrónicas acompañando a la válvula termostática. En
el 26% de los casos existían válvulas de presión constante en el tubo de retorno del gas.
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Finalmente, cabe citar como sistemas alternativos o complementarios a los propuestos: el
sombreado, mediante vegetación u otros sistemas; el uso de cubiertas altamente reflectantes que
reduzcan la temperatura superficial externa del tejado; o el mantenimiento de una lámina de
agua en vaporización encima de las tejas (por aspersión), cuyo coste, en relación a su eficiencia,
es excesivamente alto para una región tan seca en verano como Lleida.
El coste por m2 y año asociado al sobrecalentamiento de los entretechos se estimó en un
valor entre 0,15 y 0,18 euros.
A.4)Puertas de pasillos y cámaras
El último elemento constructivo que
se analizó fueron las puertas en pasillos y
cámaras. Los elementos a considerar fueron:
presencia de puertas (en las bocas de los
pasillos), tipo de dispositivo de apertura (los
automáticos garantizan el cierre de puertas
cuando no están en uso, cosa que no suele
suceder con los manuales) y existencia de
dispositivos final de carrera, que paren el
flujo de refrigerante y los ventiladores en
cuanto se abre la puerta de las cámaras.
Las pérdidas de calor durante la carga y descarga de cámaras, asociadas a los flujos de
aire mientras las puertas permanecen abiertas, se estimaron entre 2,6 y 9,7 kW, lo que significa
unos costes (estimación de 1999) entre 0,07 y 0,30 euros por hora y cámara.
Las instalaciones existentes fueron las siguientes: en 11 centrales, los pasillos carecían de
puerta. En 7 había puerta dotada de cierre automático; en una, el cierre era manual, y en otra
central existían pasillos con las tres tipologías. En cuanto a las puertas de las cámaras, en todas
las centrales existían puertas de cierre manual (el único tipo de cierre en 14 de ellas); en 5
centrales, parte de las cámaras disponían de puertas con cierre automático, y en una de ellas
parte de las puertas estaban dotadas de dispositivos fin de carrera.
Como resumen de las mejoras posibles en cuanto a obra civil, se estimó (valores
correspondientes a 1999) que era posible disminuir los costes energéticos anuales entre 300 y
600 euros por central incorporando ventilación del entretecho, en unos 860 euros anuales
incorporando o mejorando las puertas en pasillos, y entre 1000 y 2000 euros anuales
incorporando dispositivos de fin de carrera en las puertas de las cámaras.
B)INSTALACIÓN FRIGORÍFICA
Se analizaron los parámetros de funcionamiento del conjunto del sistema frigorífico, en
primer lugar, y los de los principales equipos, en segundo, así como los dispositivos de control
existentes. Un total de 14 centrales disponían de un solo circuito frigorífico; 4 de ellas disponían
de 2 circuitos, y en las dos restantes funcionaban más de dos circuitos. En cuanto a los
refrigerantes empleados, existían 38 unidades de R-22 (expansión directa; media de potencia
frigorífica: 142 kW); 7 de R-717 (inundados; media de potencia frigorífica: 815 kW) y una de
refrigeración indirecta por solución acuosa de etilenglicol con R-22 como refrigerante primario
(274 kW). La variedad de instalaciones hace que ya no podamos referirnos a 20 centrales, sino a
a un número más elevado de tipologías. Varios de los resultados se expresarán, por ello, en
porcentaje.
B.1)Régimen de funcionamiento
Las variables analizadas fueron las temperaturas características del ciclo frigorífico:
temperatura de evaporación y temperatura de condensación. Hay que tener en cuenta que la
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(m2/m3). Al estar la altura de las cámaras limitada esencialmente por el alcance de las carretillas
elevadoras, era de esperar que este índice diera valores bastante homogéneos. A pesar de ello, se
detectaron centrales con las cámaras especialmente bajas (en una, >0.2, mientras que en 7 de
ellas este índice estaba comprendido entre 0,15 y 0,20). En el resto, S3 valía entre 0,10 y 0,15.
A.2)Orientación de las cámaras
Es conocido que la temperatura que alcanzan los paramentos exteriores de las centrales
depende de su orientación respecto a la posición del sol. En nuestro hemisferio, la orientación al
Norte es la más favorable en términos de conservación energética en cámaras frías, seguida, por
este orden, por E, O y S. En muchas ocasiones, la construcción de la central estaba condicionada
por otros factores (forma del solar, ampliaciones sucesivas a partir de una instalación inicial,
etc). Con todo, este indicador, como los anteriores, podía ayudar a justificar las diferencias entre
consumos eléctricos en el equipo de frío, y por ello se analizó.
De las 20 centrales, 8 se consideraron bien orientadas. En otras 4, la orientación se
calificó como regular, mientras que el resto tenía una orientación incorrecta.
A.3)Entretechos
La zona del entretecho puede alcanzar temperaturas superiores a los 45ºC durante el
verano, en Lleida, cuando los equipos frigoríficos deben suministrar mayores capacidades
frigoríficas, al coincidir las temperaturas más altas con la época de recolección de la fruta (que
se suele enfriar en la misma cámara donde se almacenará posteriormente).
Ventilación: La reducción de esta
temperatura puede hacerse mediante la
ventilación natural o forzada de los
entretechos, ya que el aire exterior suele
estar entre 8 y 10ºC por debajo de la
temperatura de esta zona. Esta solución tiene
detractores, al significar una chimenea de
tiro en el caso de incendio, hasta el punto de
condicionar el coste de las pólizas de
seguros. Los sistemas de bloqueo
automático de las salidas, aunque sencillos
de desarrollar, no están instalados en
ninguna central.
La ventilación suele hacerse mediante
tiro por convección natural, disponiendo
oberturas de entrada de aire en los laterales y
oberturas de salida en la cima del tejado. En cuanto a la ventilación forzada, supone unos costes
energéticos adicionales que habría que añadir al balance de costes del conjunto de la instalación.
De las 20 centrales, 2 tenían un buen sistema de ventilación del entretecho; en 4 de ellas
se consideró el sistema como regular, y el resto carecía de ventilación.
Aislamiento: Otro sistema para reducir la temperatura en el entretecho es el aislamiento
térmico de la cubierta, que reducirá el flujo de calor hacia el entretecho. Frecuentemente, el
coste de aislar (inversión puntual), aunque puede verse compensado por el ahorro sostenido en
energía, es difícil que lo aprueben las juntas rectoras de las sociedades cooperativas como las
que nos ocupan.
De las 20 centrales, sólo una tenía el techo correctamente aislado (la misma, además,
disponía de un buen sistema de ventilación). En 3 de ellas se había aislado parte de la superficie,
y el resto carecía de aislamiento.
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de los aislamientos, selección y diseño adecuado de los equipos e instalaciones, funcionamiento
y mantenimiento eficiente de los mismos, gestión y control de la instalación, y gestión adecuada
del producto almacenado, para minimizar las ganacias caloríficas.
Así pues, el objetivo del presente trabajo se centra en el diagnóstico de diferentes
aspectos de funcionamiento de los equipos frigoríficos, y de aspectos generales de la obra civil,
de 20 almacenes frigoríficos de fruta de la zona de Lleida, para establecer índices comparativos
de eficiencia energética y posibilitar la formulación de recomendaciones prácticas a dichas
industrias.
Material y métodos
El estudio se llevó a cabo en cámaras frigoríficas de 20 centrales frutícolas de la zona de
Lleida, entre 1998 y 1999. El estudio se basó en el análisis de los planos constructivos y
documentos relativos a reformas y mejoras, toma de datos y mediciones in situ del estado y las
condiciones de funcionamiento de los equipos, y consulta a los fabricantes e instaladores de
equipos respecto a sus características de diseño.
El análisis de datos separó los aspectos relacionados con la obra civil de los relacionados
con la instalación frigorífica.
En cuanto a obra civil, se analizaron indicadores de geometría (especialmente aquellos
indicativos de la superficie de intercambio en relación al volumen de almacenaje), orientación, y
soluciones constructivas en los puntos de mayor intercambio térmico con el interior de las
cámaras: los entretechos (flujo de calor a través del paramento) y los pasillos de acceso
(intercambio de aire por flujo de masa).
En relación a la instalación frigorífica, se analizaron los principales equipos
(compresores, evaporadores, condensadores y torres de refrigeración) y los elementos
reguladores de su funcionamiento.
Resultados
A)OBRA CIVIL
A.1)Indicadores de geometría.
Se consideraron los siguientes indicadores:
1. Superficie específica de paredes exteriores
(S1): relación entre la superficie de pared exterior
(orientada al exterior de la nave) de las cámaras y su
volumen (m2/m3)
En 4 centrales, este indicador dió valores altos
(>0,10); en 8 los valores oscilaron entre 0,06 y 0,10, y en
otras 8 la superficie orientada al exterior era baja (<0,06).
Se
V
S1 =Se/V
2. Superficie específica de paredes interiores
(S2): relación entre la superficie de pared de las cámaras
orientada al interior de la nave (excluyendo paredes
intercámaras) y su volumen (m2/m3)
En 13 centrales este valor superó 0,10; en otras 6
osciló entre 0,07 y 0,10, y sólo 1 tenía una distribución
de cámaras tan compacta que permitía un valor inferior a
0,06 en este indicador.
Si
3. Superficie específica de techos (S3): relación
entre la superficie de techo de las cámaras y su volumen
St
V
S2 =Si/V
V
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S3 =St/V
MEJORAS EN INSTALACIONES FRIGORÍFICAS Y OBRA CIVIL
PARA REDUCIR EL CONSUMO ENERGÉTICO EN ALMACENES DE
FRUTA
E. FONS, J. GRAELL, J. LATORRE, S. MOTHE, T. RAMO
Depto. Tecnología de Alimentos, Universidad de Lleida
J. ILLA
Depto. Informática e Ingeniería Industrial, Universidad de Lleida
Resumen
En Centrales Frutícolas destinadas a la conservación de frutas se almacenan
frigoríficamente dichos productos a lo largo de largos períodos de tiempo (hasta los 8-10
meses). El coste económico de dicha refrigeración está determinado fundamentalmente por tres
tipos de aspectos: inversión realizada (cámaras, aislamientos,..), consumo energético
(instalaciones frigoríficas,…) y el coste de la energía (tarifa eléctrica, …).
Para proponer una serie de mejoras que permitan una reducción del consumo energético
en 20 Centrales Frutícolas de la zona de Lleida, se han diagnosticado aquellos aspectos de obra
civil y de funcionamiento de las instalaciones frigoríficas de las mismas que puedan ser
optimizados. Así, las principales actuaciones en obra propuestas han sido: ventilación de
entretechos, aislamiento de techos, cierre de puertas. Y, por otra parte, las actuaciones que
pueden mejorar el funcionamiento de las instalaciones frigoríficas se refieren a: temperaturas de
evaporación y condensación, capacidad y tipo de equipos frigoríficos, mantenimiento y limpieza
de evaporadores y condensadores, régimen de funcionamiento de compresores, y control y
regulación del sistema.
Introducción
En 1995 (datos disponibles), existían en Lleida 348 almacenes frigoríficos de fruta con un
volumen global de frío próximo a 2,5 millones de m3. Estos almacenes de conservación de fruta
fresca (principalmente manzanas y peras) constituyen un tipo de industria con unos elevados
costes de funcionamiento, provocados por la necesidad de mantener temperaturas de
refrigeración en las cámaras de almacenamiento durante unos períodos largos (entre 6-10
meses). Estos costes justifican el interés de plantear estudios con el fin de abaratarlos. En este
ámbito, generalmente, se habla de dos tipos de ahorro: a) referido a la reducción del consumo
energético; y b) referido a un ahorro económico conseguido en base a un menor coste de la
tarifa eléctrica.
Los posibles ahorros energéticos en instalaciones frigoríficas se pueden referir a multitud
de aspectos o elementos de la instalación, algunos de los cuales hay que contemplar ya en la
fase de diseño de la instalación y otros a lo largo de la vida útil de la misma. En España,
diversas publicaciones técnicas revisan los ahorros energéticos potenciales que se pueden
conseguir en las instalaciones frigoríficas en general (Domínguez y col., 1981; Azara, 1988;
Díaz, 1988; López, 1998; Sanz, 1999a, 1999b) o en el caso de instalaciones frigoríficas en
distintos sectores alimentarios (IDAE, 1998; ICAEN, 1999a, 1999b); sin embargo, en pocos
trabajos se detallan las acciones prácticas recomendadas al respecto en el caso de una industria
alimentaria determinada (Velázquez y col., 2001). Las acciones de ahorro energético
principalmente citadas en estos trabajos se refieren a: a) en cuanto a simple ahorro económico:
optimización de la tarifa eléctrica, acumulación de frío (hielo); b) en cuanto a ahorro de la
energía consumida: diseño y ejecución correcta de la obra civil, selección y ejecución adecuada
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