EFICIENCIA ENERGÉTICA Y CORROSIÓN AMBIENTAL EN UNIDADES DE CLIMATIZACIÓN: CORRELACIÓN ENTRE AMBAS ATEAN, Sevilla 30 Enero de 2007 José J. Vílchez Ingeniero Industrial Director de Marketing de Equipos Comerciales y Sistemas Carrier España S.L. Carrier España S.L. - División CMS 1 1 APLICACIÓN DE NUEVOS INTERCAMBIADORES AIRE-REFRIGERANTE EN ENFRIADORAS: IMPACTO SOBRE EFICIENCIA Y DURABILIDAD ATEAN, Málaga 27 Marzo de 2007 José J. Vílchez Ingeniero Industrial Director de Marketing de Equipos Comerciales y Sistemas Carrier España S.L. Carrier España S.L. - División CMS 2 2 Objetivos La ponencia tiene como objetivos ayudar a : • Identificar mecanismos de la corrosión ( galvánica o general) • Identificar los ambientes agresivos ( marino, industrial) • Evaluar el impacto en eficiencia • Seleccionar la protección apropiada para los intercambiadores en cada aplicación Carrier España S.L. - División CMS 3 3 Eficiencia energética: una preocupación creciente • • • Existe creciente concienciación de lo limitados que son los recursos del planeta: el agua potable, el petróleo, gas natural y materias primas se encarecen por la creciente demanda y lo escasos que comienzan a ser. Existen además normativas de todos los entes con responsabilidad en el ahorro energético para impulsar este, que incluyen desde medidas coercitivas hasta subvenciones; CTE, BES, EC4, certificación energética de edificios y equipos, planes ICOIDEA...etc. De ahí que exista una demanda creciente por equipos de creciente eficiencia. Carrier España S.L. - División CMS 4 4 Eficiencia energética: una preocupación creciente Tecnologías para el ahorro energético en unidades de climatización. • Válvulas de Expansión Electrónica • Sustitución de compresores alternativos por compresores rotativos, Scroll y Tornillo. • Intercambiadores de calor más eficientes: – Evaporadores de tipo inundado con tubos dotados de ranurado interno y externo – Condensadores de aletas con superficies extendidas o nuevos intercambiadores Al- Al Carrier España S.L. - División CMS 5 5 Eficiencia energética: una preocupación creciente Economizador con EXV integrada Presión Válvula de Expansión Electrónica principal Incr. Capacidad Entalpía Válvula de Expansión Electrónica del Economizador 10% de ganancia en capacidad, eficiencia mejorada Carrier España S.L. - División CMS 6 6 Eficiencia energética: una preocupación creciente Micro Channel Heat Exchanger “MCHX” 3.5 veces más resistente a la corrosión. AluminioAluminio 30% menos refrigerante 50% más ligera (-35kg/batería) 10% Más eficiente Menor y mejor mantenimento Carrier España S.L. - División CMS 7 7 Eficiencia energética: una preocupación creciente Controles electrónicos más precisos •Control de presión de condensación con consigna flotante. Importante para reducir el impacto de factores externos sobre el rendimiento. •Control sobrecalentamiento EXV Carrier España S.L. - División CMS 8 8 Eficiencia energética: una preocupación creciente Resultados EER = 3.15 IPLV = 4.20 Carrier España S.L. - División CMS 9 9 Impacto en el consumo Consumo energético tras 15años (M Wh) 5000 4600 4200 4500 4000 MWh 3500 3000 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 Eurovent : Clase A EER > 3 .10 Clase B Clase C 2.9 - 3.1 2.7 - 2.9 Estudio: oficinas en Londres ,enfriadora 900 kW, 5000 horas/año Consumo hasta 35% menor que Clase B/C Carrier España S.L. - División CMS 10 10 Impacto medioambiental CO2 Tons 1800 Emisiones CO2 tras 15 años de operación (Ton.) 1564 1600 1428 1400 1200 1020 1000 800 600 400 200 0 Eurovent : Clase A EER > 3 .10 Clase B 2.9 - 3.1 Clase C 2.7 - 2.9 Estudio: oficinas en Londres ,enfriadora 900 kW, 5000 horas/año, 340 g C02/kWh (Media Europea) Hasta 35% menos emisiones CO2 que clase B/C Carrier España S.L. - División CMS 11 11 La corrosión resulta cara Al anterior estudio le falta un factor de reducción del rendimiento, la corrosión. • Definición: Corrosión es la destrucción o deterioro de un metal o aleación debido a la reacción química, física o electroquímica con compuestos químicos del ambiente. • En equipos de climatización, la exposición al ambiente puede conducir a corrosión localizada o generalizada de las baterías de los condensadores o las baterías de refrigeración y calefacción. • El uso de baterías incorrectamente protegidas situadas en lugares propicios a la corrosión puede llevar a la degradación prematura del rendimiento, al deterioro del aspecto de la superficie y, en las condiciones más graves, al fallo del equipo. Estos efectos pueden costarle dinero al cliente y provocar la percepción de mala calidad de un producto. Carrier España S.L. - División CMS 12 12 Localización más común Los siguientes tipos de equipo comercial pueden ser propensos a la corrosión: • Unidades de cubierta • Enfriadoras de condensación por aire • Unidades de condensación enfriadas por aire • Baterías interiores (cuando seuse un elevado porcentaje de de aire exterior que aporte contaminantes químicos) Carrier España S.L. - División CMS 13 13 Identificar mecanismos de la corrosión Corrosión galvánica: Metales no similares en contacto + presencia de un electrólito. Tubos de cobre y aletas de aluminio+ humedad : El aluminio sufre toda la corrosión. Síntomas: Comienza por una aureola alredor de los tubos Visualmente desconchado de aluminio en finas láminas. Deterioro de la potencia En casos severos, se ponen al descubierto los tubos de cobre Carrier España S.L. - División CMS 14 14 Identificar mecanismos de la corrosión • Electrólitos: son sustancias eléctricamente conductoras cuando están en una solución. • Compuestos de cloruro de calcio o sodio o compuestos de nitrógeno y azufre (generalmente productos de combustión) Electrolitos más comunes: Agua del mar, bruma, la niebla y el rocío marinos, sales de carreteras, limpiadores de piscinas, instalaciones de lavanderías y limpiadores para el hogar. Carrier España S.L. - División CMS 15 15 Identificar mecanismos de la corrosión • Corrosión general : degradación del metal debido a una reacción con el ambiente, (ataque químico y oxidación). • Se consume el metal y forma óxidos, sulfuros, nitratos etc...una capa que no protege la superficie del material. (En el cobre depósitos negros, rojos, verdes, marrones o amarillos, se percibe como mala calidad del cobre) • La corrosión progresará hasta poner en peligro la integridad del equipo. Ambiente no contaminado Tubo de cobre limpio Refrigerante Tubo de cobre limpio. Ambiente contaminado Tubo de cobre limpio Refrigerante . Comienza la oxidación y ataque . Exposición prolongada a un ambiente muy contaminado Pérdida de la integridad del tubo Refrigerante Fallo del tubo. Carrier España S.L. - División CMS 16 16 Identificar ambientes potencialmente corrosivos Costero / marino Industrial Marino-Industrial Urbano Rural Vigile siempre el entorno de la instalación, puede haber condiciones locales que agraven la corrosión Carrier España S.L. - División CMS 17 17 Identificar ambientes potencialmente corrosivos • Costero / marino : poblaciones y centros hoteleros están situados en la costa. • Se caracterizan por la abundancia de cloruro sódico (sal) transportado por la bruma, la niebla y el rocío marinos ( varios km de la costa hacia el interior). • Factores de influencia, distancia del mar océano, dirección vientos dominantes, la humedad relativa y duración de condiciones de alta humedad/sequedad. • ¿Hay corrosión en las estructuras exteriores, en otro equipo de climatización o un tipo de equipo diferente? • Examine siempre el lugar de instalación y las áreas circundantes. Carrier España S.L. - División CMS 18 18 Identificar ambientes potencialmente corrosivos Ambiente Industrial • La combustión de los derivados del carbón y el petróleo emite óxidos de azufre (SO2, SO3) y óxidos de nitrógeno (NOx) a la atmósfera. Estos gases se acumulan en la atmósfera y vuelven a la tierra en forma de lluvia ácida y humedad con pH bajo. • Las emisiones industriales incluyen partículas de polvo que pueden llevar óxidos de metal, cloruros, sulfatos, ácido sulfúrico, carbono y componentes de carbono perjudiciales. Estas partículas –en ambientes con presencia de oxígeno, agua o alta humedad– pueden ser corrosivas. Combinación de ambiente marino e industrial • La bruma marina salada, combinada con las emisiones del ambiente industrial, representa una grave amenaza, se potencian los efectos al existir un electrólito. Carrier España S.L. - División CMS 19 19 Identificar ambientes potencialmente corrosivos Los contaminantes industriales son muy variados y agresivos: Tabla B Contaminantes industriales Contaminante Símbolos químicos Tipo de sector / aplicación Fuente de contaminante Plantas de pasta, papel y madera Instalaciones de incineración Emisiones de procesos Producción de energía por combustión Productos de combustión Funcionamiento de motores diésel / de gasolina Plantas de pasta, papel y madera Instalaciones de incineración Óxidos de Emisiones de procesos NOx Producción de energía por combustión nitrógeno Productos de combustión Funcionamiento de motores diésel / de gasolina Procesado de limpiadores Emisiones de procesos Cloro y CI2 Instalaciones de tratamiento de aguas Desinfección de agua cloruros CIx Explotación / procesado de sal Subproductos de procesos Agentes de piscinas Industrias químicas Emisiones de procesos Amoníaco y Fabricantes de fertilizantes Subproductos de procesos NH3 sales de Instalaciones de tratamiento de aguas Digestión de residuos NH4 amoníaco residuales Residuos animales y Agricultura fertilizantes Sulfuro de Instalaciones de tratamiento de aguas H4S Tratamiento del lodo hidrógeno residuales * La decoloración es una indicación de posibles problemas. Sin embargo, la identificación de las fuentes de contaminación en función del color puede ser engañosa. Óxidos de azufre SO2 SO3 Carrier España S.L. - División CMS Color potencial de la corrosión (en cobre)* Negro Azul Negro Azul Pardusco Amarillo (no hidratado) Verde (hidratado) Negro Negro 20 20 Identificar ambientes potencialmente corrosivos Urbano • Areas con gran densidad de población, altos niveles de emisiones de automóviles y emisiones de calefacciones. • Se incrementa, por tanto, la concentración de óxido de azufre (SOx) y óxido de nitrógeno (NOx). La gravedad de la corrosión en este ambiente depende de los niveles de contaminación y éstos, a su vez, de varios factores, incluida la densidad de población del área, el control de las emisiones y las normas relativas a la contaminación. Rural • Algunas veces los ambientes rurales contienen altos niveles de contaminación por el amoniaco y el nitrógeno procedentes de excrementos, fertilizantes y altas concentraciones de gases de escape de motores diésel. Carrier España S.L. - División CMS 21 21 Tests de efectos de corrosión • Prueba de Kesternich : Simula ambientes industriales con ciclos de exposición a SO2 y alta humedad (8 horas) y ciclo ambiental de 16 horas. • Prueba de agua salada: ASTM - B117. Este ciclo expone el material a una niebla salina continua durante un período de entre 500 y 2.000 horas. Es una prueba estrictamente comparativa y no existe una buena correlación con la exposición ambiental real. 500hr 700hr 1062hr 800hr Carrier España S.L. - División CMS 22 22 Tests de efectos de corrosión • Pruebas en campo: Las baterías y el equipo se exponen a un ambiente costero a diversas distancias de las playas. Sirven de test de referencia respecto a los otros métodos • Pruebas de corrosión cíclica, en cámaras de nieblas se exponen las baterías a ciclos de concentraciónes variables de contaminantes ejemplo, ciclo Prohesion™, exposiciones GM (GM9540PLB), ciclos según estándar japonés de automoción, etc. Carrier España S.L. - División CMS 23 23 Tests de efectos de corrosión Carrier Marine One Hay marcas pero no se aprecia impacto en el rendimiento Test de Corrosion de simulación de ambiente marino severo Carrier M1 timepo de exposición (horas) 6000 Tiempo hasta observar residuos de corrosión 5500 Tiempo hasta fallo, desprendimeinto de aletas 5000 4500 4000 El test acabó sin daño aparente 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 Nivel Estándar Product 0 Estándar Cu/Al Pretratamiento Cu/Al Pretratamiento Cu/Al Post tratamiento Cu/Al Postratamiento Cu/Cu MCHX Al/Al Tipo de intercambiador Carrier España S.L. - División CMS 24 24 Tests de efectos de corrosión • Comparación de resultados de pruebas de ciclos Prohesion™ • El factor G* muestra un cambio en el rendimiento en comparación con el rendimiento de la batería de referencia. Cuanto mayor es el valor G*, mejor es el rendimiento térmico. El ciclo de 1000 horas simula las condiciones de 4 años de exposición Prohesion T est Térmico de envejecimiento acelerado 2000 h Factor de rendimiento térmico G* 1,2 1 Cobre aluminio 0,8 Pretratado 0,6 A 0,4 Alu-Alu 0,2 Postr. Bronce 0 0 1000 2000 Tiempo de Exposición(horas) Carrier España S.L. - División CMS 25 25 Tipos de Baterías Intercambiadores con Aluminio pretratado • Pasivación de las aletas de aluminio mediante recubrimiento fosfocromatado. Se añaden dos finas capas de material plástico: – Capa epoxy de color dorado o azul – Capa de Poliuretano transparente. • Aplicación recomendada: diseñadas especialmente para ambientes marinos. • Puede usarse para ambientes urbanos, industriales y rurales de contaminación ligera. • Características: – Pérdida de carga 5% mayor que las baterías convencionales y Resistencia termica en el lado aire 3% mayor • El mantenimiento debe consistir en el lavado de las baterías con agua dulce, previo soplado de aire a presión en contracorriente , como mínimo dos veces al año. Carrier España S.L. - División CMS 26 26 Tipos de Baterías Intercambiadores con postratamiento • Resina de Poliuretano impregnada de aluminio, color Plata. El baño impregna toda la batería. bos: • Se le somete a las más estrictas pruebas, más de 3000 horas ASTM B117(prueba con niebla salina neutra) y ASTM G-85 (prueba con niebla salina ácida) y 80 ciclos Kesternich (2.0 ltr SO 2 ) • Espesor de capa: 25-30 µm (1 milésima de pulgada) • Pérdida de carga: 0-5 % (dependiendo de las dimensiones de las aletas) • Resistencia térmica: 0-3 % (dependiendo de las dimensiones de las aletas) • Aplicación: En fábrica o en obra • Aplicaciones: Superficies de intercambio de calor en condiciones corrosivas Carrier España S.L. - División CMS 27 27 Tipos de Baterías Intercambiador de Aluminio con Microcanales(MCHX) MCHX coil • Diseñada 100% en aluminio elimina Prueba 4000 h: sal + acido efectos de corrosión galvánica • Excelente propiedades en aplicaciones costeras y urbanas • Modularidad y estandarización – 1 módulo de batería para toda la gama • Batería MCHX coil 100% test de estanqueidad con He en cámara al vacío + tests visuales. Batería Cu/Al 3.5 X VECES MÁS RESISTENTE A LA CORROSIÓN Carrier España S.L. - División CMS 28 28 Tipos de Baterías Intercambiador de Aluminio con Microcanales(MCHX) • Menor ensuciamiento en ambientes arenosos – Intercambiador de una sola fila con ancho de 25 mm – 60% menos de pérdida de presión al paso de aire • Rápida limpieza – Limpiador a alta presión (<69 bar) MCHX coil Carrier España S.L. - División CMS 29 29 Efecto en la eficiencia de intercambio • De los resultados de los ciclos de envejecimiento se deduce que la eficiencia del intercambio se deteriora con el tiempo debido a la corrosión. • La eficiencia del intercambio en las aletas de los intercambiadores tiene como expresión teórica: L ∫ dA(t − t )h e φ= 0 L ∫ dA(t 0 r − te )h , dónde t es la temperatura variable a lo largo de la longitud de aleta, te y tr temperaturas del aire y del refrigerante, integrando a toda la longitud ( superficie A. La capacidad de transmisión de calor puede simplificarse integrando la eficiencia de las aletas q = φ × h × A × (t r − te ) Puesto que φ varia al igual que G* a lo largo de la vida de la unidad, resulta evidente que la transmisión térmica se iria deteriorando. Lo que ocurre en la realidad es que se encuentra un equilibrio en el calor ( en este caso rechazado) al incrementarse tr ¡la temperatura de condensación del refrigerante!. Carrier España S.L. - División CMS 30 30 Más teoría: EER Coeficiente de Eficiencia energética EERTeorico Q Te = e = W Tc − Te Temperatura absoluta (K) Evidente, la formulación teórica de Carnot nos permite deducir que si se incrementa la temperatura de condensación, con Te constante, la eficiencia disminuye. QC Tc 3 Te 4 2 W 1 Qe Entropía (J/K) 4,5 4 Clase A en condición Eurovent 3,5 EER Prosigamos con el ejemplo real de 900 kW . Te es prácticamente constante, para mantener la T ª salida de agua. A la condensación por el contrario le pasará lo que predice el modelo teórico, es decir aumentará al perder eficiencia la transmisión a través de las aletas. 3 2,5 2 300 310 320 330 340 Tcondensación (K) Carrier España S.L. - División CMS 31 31 Recordamos el concepto de IPLV IPLV = método normalizado* para comparar eficiencias energéticas de plantas enfriadoras a carga total y parcial IPLV OAT °C Load % Time % EER 35 100 1% 3.15 26.7 75 42% 3,5 18.3 50 45% 4,7 12.8 25 12% 4,9 IPLV kW/kW 4.20 IPLV = EER 100% x 1% + EER 75% x 42% + EER 50% x 45% + EER 25% x12% * ARI standard 550/590-98 Carrier España S.L. - División CMS 32 32 Comparación de consumos Comparemos consumos: En un ambiente marino industrial no muy severo, se observa que el consumo de la unidad con baterías condensadoras convencionales, se degrada rápidamente: a los 8 años, aun con un mantenimiento cuidadoso, la unidad consumiría un 33% más de energía eléctrica, mientras que en la enfriadora con batería Alu-alu, se mantiene en un 18%, con un 11% de consumo extra en la batería con postratamiento 1600 1400 1200 MWh Enfriadora de 900 kWf, clase A, IPLV 4,2 Cu-Al 1000 800 Alu-Alu 600 Postrat. 400 200 0 Nueva 4 años 8 años De incrementarse la concentración de contaminantes, las tablas de resistencia adjunta, nos indican que no se trataría sólo de un problema de rendimiento, sino de integridad del equipo en la batería convencional. Carrier España S.L. - División CMS 33 33 Recomendación de baterías Aplicaciones Comparación para ambiente marino Tabla 1 Opción de protección en ambiente costero Baja Interior Dir. vientos Gravedad de los factores ambientales Alta Distancia de la costa Litoral Terral Opción de batería Estándar: aletas de aluminio / tubos de cobre Intercambiador de calor con microcanales Aletas de cobre / tubos de cobre aletas de aluminio / tubos de cobre - Pretratada aletas de aluminio / tubos de cobre – revestida de epoxi aletas de cobre / tubos de cobre – revestida de epoxi Brisa marina Corrosión en otro equipo Ausencia Presente X NR NR X X NR AC AC NR AC X NR AC AC X AC AC X AC – aplicación aceptable con protección contra la corrosión superior al nivel necesario X – opción recomendada NR – no recomendada Carrier España S.L. - División CMS 34 34 Recomendación de baterías Aplicaciones Comparación para ambiente industrial Tabla 2 Opción de protección en ambiente industrial Gravedad de los factores ambientales Baja Alta Concentración de contaminantes* 0 ppm 100 ppm Corrosión en otro equipo Ausencia Corrosión Opción de batería Estándar: aletas de aluminio / tubos de cobre X NR NR Intercambiador de calor con microcanales X NR NR NR NR NR aletas de aluminio / tubos de cobre - Pretratada AC NR NR aletas de aluminio / tubos de cobre – revestida de epoxi AC X X aletas de cobre / tubos de cobre – revestida de epoxi AC – aplicación aceptable con protección contra la corrosión superior al nivel necesario X – opción recomendada NR – no recomendada NR NR NR Aletas de cobre / tubos de cobre Carrier España S.L. - División CMS 35 35 Recomendación de baterías Aplicaciones Comparación para ambiente urbano Tabla 3 Opción de protección en ambiente urbano Gravedad de los factores ambientales Baja Alta Contaminación/densidad de población Alta Baja Corrosión en otro equipo Ausencia Perceptible Opción de batería Estándar: aletas de aluminio / tubos de cobre X NR NR Intercambiador de calor con microcanales X X NR Aletas de cobre / tubos de cobre NR NR NR aletas de aluminio / tubos de cobre - Pretratada AC X NR aletas de aluminio / tubos de cobre – revestida de epoxi AC X X aletas de cobre / tubos de cobre – revestida de epoxi AC – aplicación aceptable con protección contra la corrosión superior al nivel necesario X – opción recomendada NR – no recomendada NR NR NR Carrier España S.L. - División CMS 36 36 Recomendación de baterías Aplicaciones Comparación entre alternativas Tabla 4 Comparación de las opciones de protección con la batería de aletas de aluminio y tubos de cobre estándar Protección contra Rendimiento Opción de batería Coste Disponibilidad la corrosión Peso térmico Aletas de cobre - revestida de epoxi ---- - ++++ -- - Aletas de aluminio – revest. epoxi --- - ++++ - - Aletas de aluminio - Pretratada - = ++ = - Aletas de cobre -- = + -- = Intercambiador con microcanales = = ++ ++ ++ + Superior a la batería estándar = Igual a la batería estándar - Menos favorable que la batería estándar Carrier España S.L. - División CMS 37 37 Recomendación de baterías Aplicaciones Comparación entre alternativas Inst. Costeras Inst. Ambiente Marino severo Ambiente Urbano Industrial o Marino + Industrial MCHX √ x √ x Cu/Al x x √ x Cu/Al Pretratado √ x √ x Cu/Al con postratamiento √ √ √ √ Carrier España S.L. - División CMS 38 38 Resumen de alternativas Tabla 5 Ventajas / desventajas de las opciones de protección Opción de batería Ventajas • Alta eficacia térmica • Coste mínimo Batería estándar • Poco peso Intercambiador de • Alta eficacia térmica • Reducción del potencial galvánico entre los calor con materiales de la estructura microcanales • No perjudicial para el medio ambiente • Menos varga de refrigerante • Gran solidez estructural • Fácil de limpiar • Fácil sustitución de la batería • Más fácil de reparar que otras baterías íntegramente de aluminio • Bajo coste Batería pretratada • Desacoplamiento galvánico Cobre / cobre Revestimiento de epoxi • Resistencia a la corrosión en ambientes marinos sin contaminación • Efectivo rendimiento térmico • Estructura monometálica • • • • Flexible, uniforme, duradero Superior protección contra la corrosión Completa encapsulación de la batería Crea una barrera entre todas las superficies de la batería y los ambientes corrosivos Desventajas • Capacidad de protección contra la corrosión limitada en aplicaciones corrosivas • Capacidad de protección contra la corrosión limitada en aplicaciones con grave potencial corrosivo • Reparación en el lugar de instalación más difícil que con las baterías de tubos de cobres, peo al ser modular es más fácilmente sustituible • Eficacia térmica menor • Capacidades de protección limitadas • Inapropiada en ambientes corrosivos extremos • El coste más alto • La más pesada • Falta de eficacia en algunos ambientes marinos / industriales • Unos límites de velocidad más bajos requieren que la batería reciba un flujo de aire óptimo en la aplicación de batería de refrigeración • Corrosión imprevista debido a contaminantes locales • Coste más alto • Más peso • Pérdida de eficiencia nuevas, valorar la durabilidad Carrier España S.L. - División CMS 39 39 ¿Y EL MANTENIMIENTO? Sin mantenimiento, sabemos cuales son los mecanismos que actuán, con mal mantenimiento, incluso se acelera el proceso. A evitar; •Aguas de baja calidad (salobres o ricas en sales fertilizantes) •Productos no recomendados por los fabricantes; no vale cualquier limpiador, como la piel el pH es fundamental. •Altas presiones, las baterías normales soportan 2-3 bar ( manguera de agua de red), las baterías MCHX soportan la presiones de hasta 69 bar. Recomendable aspirar primero las baterias en contracorriente. •Su protección y la del medio ambiente ¡NO! son fundamentales; use guantes, gafas y ropa protectora •Sean concienzudos: limpien con regularidad Carrier España S.L. - División CMS 40 40