Compresores de velocidad variable en unidades enfriadoras de agua

Estrategias de Nuevo Diseño

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ISAC Innovative Solutions for All Conditions

xisten diferentes soluciones tecnológicas que distinguen y caracterizan a las enfriadoras actuales. Una de las soluciones

más interesantes son los compresores con variador de velocidad, manejados por un sistema inverter. A parte de proporcionar notables ventajas, estos compresores aportan un alto nivel de fiabilidad y, a su vez, pueden ser implementados en un amplio abanico de aplicaciones y con diversos parámetros funcionales. Las unidades enfriadoras Uniflair ISA* and ISC* utilizan esta tecnología junto con otras soluciones, optimizando así los futuros beneficios a conseguir. Estas unidades están dotadas de dos compresores scroll, uno inverter y el otro de velocidad fija sobre un mismo circuito frigorífico. Esta solución, exclusiva y patentada, permite una optimización en la gestión de la lubricación de los compresores en posición tándem, generando así múltiples ventajas.

Compresores de velocidad variable

E

3

Beneficios de los compresores de velocidad variable

• Incremento de la eficiencia a cargas parciales gracias a la regulación constante de la capacidad de enfriamiento, adaptándose a la carga y a la instalación mediante los dos compresores en un mismo circuito frigorífico

• Regulación de la capacidad frigorífica sobre un amplio rango operativo, por ejemplo de un 10% a un 100%, de forma continua

• Alta precisión en el control de la temperatura del agua fría (±0.2°C), gracias a la regulación constante mediante el sistema inverter

• Reducción de la corriente absorbida, dado que el inverter mantiene el coseno de phi constante en los compresores a los cuales está conectado

• Limitación de la corriente máxima absorbida (LRA) ya que el compresor inverter puede ser arrancado a una velocidad baja

• Limitación en la emisión de ruidos a carga parcial (por ejemplo, durante operaciones nocturnas)

• Incremento de la fiabilidad del sistema gracias a la disminución de los arranques y paros de los compresores y reduciendo de esta manera el estrés mecánico y eléctrico.

• Reducción o eliminación de depósitos de agua en las líneas hidráulicas

Eficiencia energética

Una de las principales ventajas del uso de compresores que modulan constantemente la capacidad frigorífica es el hecho de que las unidades pueden suministrar la cantidad precisa de capacidad frigorífica necesaria para disipar la carga térmica. De esta manera no es necesario suministrar una capacidad de frío superior al necesario, caso típico al utilizar un sistema por etapas especialmente a cargas parciales. A la hora de analizar las diferentes soluciones técnicas disponibles, es importante distinguir entre las aplicaciones “tándem” y las tradicionales que incorporan dos circuitos independientes.

Más importante todavía es la correcta lubricación de los compresores de velocidad variable. Para asegurar el retorno de aceite en un circuito frigorífico con uno o más compresores de velocidad fija operando en paralelo, éstos deben estar conectados a un ecualizador de nivel de aceite y disponer de una correcta dimensión del tubo de succión y del tubo de descarga.

De esta manera los dos compresores actúan como si fueran uno sólo permitiendo la correcta lubricación del sistema. Por el contrario, en un sistema en el que existe un compresor de velocidad variable operando en paralelo con uno o más compresores de velocidad fija la ecualización del aceite no se puede realizar, ya que el compresor de velocidad variable genera diferentes presiones en la succión lo que conlleva diferentes niveles de aceite y en consecuencia, podrían inundar o vaciar el compresor con un resultado catastrófico para el mismo. Por todo esto, los compresores inverter teóricamente no deberían ser instalados en paralelo con otros compresores, ya que significaría perder los notables beneficios del sistema en tándem trabajando en carga parcial. El sistema desarrollado y patentado por Uniflair (ver la siguiente sección) sí asegura la correcta lubricación de un sistema con compresor de velocidad variable y otro de velocidad fija. La combinación de un compresor de velocidad variable con un compresor tradicional en un mismo circuito permite la modulación de la capacidad frigorífica mediante una gestión combinada de los dos compresores, maximizando así la eficiencia a carga parcial. Para identificar la mejor solución es necesario comparar: • un sistema equipado con compresores

de velocidad fija y variable en dos circuitos frigoríficos diferentes

• un sistema equipado con compresores de velocidad fija y variable en el mismo circuito frigorífico

Figura 1 Las unidades ISA* e ISC* están equipadas con dos compresores Scroll en el mismo circuito frigorífico, uno de velocidad fija y el otro de velocidad variable.

Figura 1

ON/OFF compressor

Cap

acity

Inverter-driven compressor

Inverter-driven compressor

4

Figura 2 Comparación entre unidades equipadas con compresores de velocidad fija y variable en dos circuitos frigoríficos independientes y unidades equipadas con compresores de velocidad variable y fija en el mismo circuito frigorífico.

A partir de los análisis elaborados y tal y como se muestra en la figura 2, se puede apreciar que teniendo en cuenta la máxima eficiencia en todas las condiciones de carga, la mejor solución es la que utiliza un compresor inverter en combinación con uno de velocidad fija en sistema tándem (en un mismo circuito).

Sistema “Tandem” El uso de multi compresores conectados en paralelo en el mismo circuito frigorífico posibilita un incremento de la eficiencia energética a cargas parciales comparadas con unidades de multi-circuito independientes. Los intercambiadores de calor están dimensionados para una capacidad de la unidad a caga completa; de este modo, cuando la enfriadora está operando a carga parcial, el calor se reduce en los intercambiadores

(gracias a un incremento en la temperatura de evaporación y a una reducción en la temperatura de condensación), proporcionando una eficiencia mejorada si se compara cuando funciona a carga completa. Los modelos ISA*/ISC*, que disponen de un compresor de velocidad fija y de otro de velocidad variable conectados en paralelo en el mismo circuito frigorífico, expande este concepto, optimizando por tanto la eficiencia en cualquier condición de carga.

Figura 3 Esquema frigorífico ”in principle” para las unidades ISA*/ISC*

Figura 4 Esquema de funcionamiento de los compresores en posición “tándem”

Oil return system

Figura 2

Tcondensating

Tevaporating

Pre

ssur

e

Hentalpy

Figura 3 Figura 4

5

Figuras 5 and 6 Variación del EER al

variar la carga frigorífica,

comparación entre unidades con 2

compresores Scroll tipo ON/OFF en el

mismo circuito frigorífico y unidades

ISAC. Datos referidos a:

temperatura de descarga del agua:

7°C, temperatura externa: 35°C (Fig.5)

y 25°C (Fig.6).

Las figuras 5 y 6 muestran la comparativa entre unidades con un sistema tándem tradicional y el nuevo sistema que incluye el compresor inverter. Los gráficos muestran los cambios en la eficiencia energética (EER) al variar la carga, comparando las unidades equipadas con dos compresores scroll tipo ON/OFF en el mismo circuito y las unidades ISAC (unidades enfriadoras con un compresor de velocidad fija y uno de velocidad variable en el mismo circuito).

Se aprecia que tanto con temperaturas exteriores altas (35°C) como con temperaturas medias (25°C), las unidades con compresores de velocidad variable combinados en tándem con compresores de velocidad fija respecto a unidades con sólo compresores de velocidad fija, resultan más eficientes en cualquier condición de carga. Este resultado es claramente visible comparando los valores ESEER y IPLV entre unidades ISAC y ERAC, unidades Uniflair con dos compresores scroll en el mismo circuito frigorífico (tándem).

Figura 5

Figura 6

6

Índices de Energía Los índices de energía definen el comportamiento de una unidad enfriadora en situaciones concretas. Existen índices de energía referidos a las condiciones nominales e índices de energía estacionales, los cuales son más fiables ya que permiten el cálculo del consumo medio de energía en un año Los principales índices son el C.O.P. y el E.E.R, mientras que el I.P.L.V. (Integrated Partial Load Value) y el E.S.E.E.R.

(European Seasonal Energy Efficiency Ratio) son los más destacables. Los criterios utilizados para establecer estos índices permiten el análisis del comportamiento anual de una enfriadora mediante el uso de una única figura en las condiciones de operación consideradas. Estos parámetros son esencialmente el promedio a partir del E.E.R. en diferentes cargas (100%, 75%, 50% y 25%) y difieren uno del otro en referencia al peso dado y las condiciones en las que los diferentes E.E.R. son calculados.

Fórmula para el cálculo del ESEER y del lPLV

4444444444444 34444444444444 21

ESEERIPLV

EERPEEERPEEERPEEERPE−

⋅+⋅+⋅+⋅ %25%25%50%50%75%75%100%100

Definiciones: P.E.= peso indicado en cada condición de operación. E.E.R.= representación de la eficiencia energética en diferentes condiciones de carga.

Figura 7

Comparativa de valores IPLV entre

unidades tradicionales

y unidades ISAC

Al analizar las soluciones equipadas con compresores de velocidad variable y al considerar los diferentes índices de energía para las unidades ISAC y ERAC, queda claro que la principal ventaja está en las condiciones de carga entre el 30% y el 80%, es decir, cuando la que lleva sólo compresores de velocidad fija los regula mediante el paro y arranque de los mismos. Estas condiciones de carga están entre las más frecuentes y son las que generan una reducción considerable del consumo energético anual.

Figura 8

Comparativa de valores

ESEER entre unidades

tradicionales y unidades

ISAC

Tabla 1 Comparación de valores ESEER para unidades tradicionales y unidades ISAC

Tabla 1 Modelo 0621A 0921A 1221A

Capacidad frigorífica nominal [kW ]

59 87 115

E.S.E.E.R.

ISAC 5.66 5.71 5.72

ERAC 5.16 5.26 5.38

Delta +10% +9% +8%

Figura 7

Figura 8

7

Tabla 2 Comparación de la presión garantizada de

unidades con dos compresores scroll de velocidad fija y de unidades con dos

compresores scroll, uno de velocidad fija y el otro de velocidad variable.

Tabla 2 Modelo 0621A 0921A 1221A

Capacidad frigorífica nominal [kW]

59 87 115

Carga 10%-100% del valor nominal

ERAC ±1°C

ISAC ±0,2 °C

Carga < 10% del valor nominal

ERAC ±1,6°C

ISAC ±0,7°C

Precisión en la regulación del enfriamiento del agua

Las unidades equipadas con más de un compresor de velocidad fija mantienen las condiciones de carga al arrancar y parar los compresores. Este método provoca un descenso en la temperatura del agua suministrada por la enfriadora, posteriormente equilibrada y atenuada por el depósito de inercia (ver Fig. 9) El compresor utilizado en las unidades ISA*/ICC* hace posible la modulación de la carga del 10% al 100& al combinar un compresor de velocidad variable con uno de velocidad fija.

Consecuentemente el sistema de control, al monitorizar las temperaturas del agua a la entrada y a la salida y al ajustar la capacidad frigorífica suministrada, permite mantener la temperatura del agua fría/ caliente con una precisión de ±0.2°C incluso en situaciones en las que se produzcan cambios bruscos en la carga térmica. Las unidades ISA*/ISC* son por tanto idóneas para aquellas situaciones que precisan un alto nivel de estabilidad o que registran cambios significativos en la carga.

Figura 9 Oscilación de la temperatura de salida del

agua fría para una unidad equipada con dos compresores Scroll de velocidad fija

(ERAC)

Figura 10 Oscilación de la temperatura de salida del

agua fría para una unidad equipada con dos compresores Scroll, uno de los cuales es de velocidad fija y el otro de velocidad variable

(ISAC)

Figura 9

Figura 10

8

Fiabilidad de los compresores y sistemas de velocidad variable El uso de compresores de velocidad variable incrementa el nivel de fiabilidad del sistema. De hecho, las corrientes máximas absorbidas (LRA) son inferiores gracias a la posibilidad de arrancar los compresores inverter a una velocidad baja y reducir el número de arranques y paros del compresor teniendo en cuenta que éstos son una fuente de estrés tanto mecánico como eléctrico. Un aspecto fundamental a tener en cuenta es la correcta lubricación de los compresores. Para conseguirlo, se han diseñado y desarrollado técnicas específicas para el compresor y para el circuito. Lubricación del compresor Este compresor, diseñado y desarrollado especialmente para operar a diferentes velocidades, permite la modulación de la carga frigorífica en función de las necesidades, gestionando y asegurando gracias a su diseño, la correcta lubricación en cualquier condición de carga.

El principal punto a tener en cuenta es que, al modificar la velocidad de rotación y por consiguiente la masa refrigerante, la cantidad de aceite circulando en el compresor varía, afectando por tanto a la correcta lubricación y, en consecuencia, a su fiabilidad. El compresor instalado en las unidades ISA* y ISC* dispone de una línea interna de by-pass conectada a una válvula solenoide que controla la cantidad de aceite que se debe añadir al compresor. De hecho, para minimizar el ratio de circulación de aceite (ratio entre la cantidad de aceite y la masa refrigerante - en inglés OCR) el compresor separa el refrigerante del aceite a altas velocidades: una línea puente interna o de by-pass se activa siempre que el compresor opera a alta velocidad.

Figura 11 Ratio entre la cantidad de aceite y la masa de refrigerante (OCR) para compresores tradicionales de velocidad variable o los mismos pero con un sistema puente de aceite ó by-pass de aceite

Figura 11

9

Lubricación de compresores Scroll de velocidad variable en circuitos multi-compresores (Patentado por Uniflair) El asegurar un correcto retorno del aceite en un circuito refrigerante con uno o más compresores operando en paralelo a velocidad fija es una cuestión delicada y crítica que tradicionalmente se ha resuelto mediante un sistema que permita a los compresores que se comuniquen con el ecualizador de aceite y dimensionando correctamente de los depósitos de succión y descarga. De esta manera, los compresores operan casi como si fueran un único compresor y el nivel de aceite es más o menos el mismo para todos los compresores, permitiendo una óptima lubricación. En un sistema compuesto por un compresor de velocidad variable trabajando junto con uno o más compresores operando a velocidad fija, el sistema de ecualización no funciona ya que el compresor con velocidad variable genera diferentes presiones en la succión, creando así diferentes niveles de aceite que pueden inundar o vaciar el compresor. El sistema, patentado por Uniflair para asegurar los niveles correctos de aceite en un circuito frigorífico con uno o más compresores Scroll operando en paralelo, está basado en un circuito específico con un

separador de aceite altamente eficiente y diversas válvulas solenoides controladas por un sistema de sensores situados en el mismo compresor y controlado todo por el sistema de gestión de la unidad. Los sensores controlan el nivel de lubricante correcto y, mediante el sistema de control y las válvulas solenoides, se mantiene el nivel de aceite, asegurando así la correcta lubricación de los compresores en todas las condiciones de operación. El separador limita la descarga de aceite mezclado con el gas refrigerante a lo largo del circuito frigorífico así como integrando la reserva de lubricante. De esta manera los compresores se suministran de acuerdo a los requerimientos y con la cantidad acorde de aceite en circulación, con las consiguientes ventajas en cuanto a la eficiencia de los intercambiadores. El sistema de control gestiona el tiempo y las alarmas de parada del compresor en el caso de existir un nivel bajo de aceite.

Figura 12 Esquema general explicativo de la

patente de Uniflair para la lubricación de múltiples compresores operando en

paralelo

inve

rter

400/3/50

Oil return system

General control system

Figura 12

10

Unidades enfriadoras de agua condensadas por aire, bombas de calor y unidades enfriadoras “free-cooling” y con ventiladores axiales.

Modelos

0621A 0921A 1221A

ISAC – sólo frío

Capacidad frigorífica (1) kW 59 87 115

Energía absorbida (1)(2) kW 18.7 26.6 35.9

E.S.E.E.R. 5.66 5.71 5.72

I.P.L.V. 6.19 6.27 6.22

ISAH – bombas de calor

Capacidad calorífica (3) kW 66 97 128

Energía absorbida (3)(2) kW 18.1 26.2 35.9

ISAF – free-cooling

Capacidad frigorífica (4) kW 62.4 92.2 122.2

Potencia absorbida (1)(2) kW 20.0 28.5 38.3

Nivel de presión sonora (5) dB(A) 43.5 44.3 54.7

Dimensiones y peso

Altura mm 1560 1560 1874

Longitud mm 1190 1190 1192

Anchura mm 2008 2798 3075

Peso ISAC (versión básica) (6) Kg 652 810 1047

Peso ISAH (versión básica) (6) Kg 682 840 1092

(1) Datos referidos a condiciones nominales: temperatura del agua 12/7°C; temperatura ambiente 35 °C; glicol 0%; compresor modulando a 90 rps; refrigerante R410A

(2) Datos referidos a la potencia absorbida total (compresores y ventiladores)

(3) Datos referidos a condiciones nominales: temperatura del agua 40/45°C, temperatura externa 7°C temperatura bulbo seco, 6°C temperatura bulbo húmedo; compresor de modulación a 90rps; refrigerante R410A

(4) Datos referidos a condiciones nominales: temperatura del agua 15/10°C; temperatura ambiente 35 °C; glicol 20%; compresor de modulación a 90rps; refrigerante R410A

(5) Datos medidos en campo libre a 10 m de la unidad operando bajo condiciones nominales, lado batería, factor direccional Q=2

(6) Datos referidos a una unidad vacía sin bomba

Peso ISAF (versión básica)) (6) Kg 751 935 1212

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Unidades enfriadoras de agua condensadas por aire, bombas de calor y enfriadoras “free-cooling” con ventiladores centrífugos con palas curvadas hacia atrás.

Modelos

0621A 0921A 1221A

ISCC – sólo frío

Capacidad frigorífica (1) kW 59.7 88.1 117.0

Potencia absorbida (1)(2) kW 21.4 30.8 41.4

E.S.E.E.R. 3.98 4.42 4.35

I.P.L.V. 5.63 5.70 5.66

ISCH – bombas de calor

Capacidad calorífica (3) kW 67.4 98.7 131.0

Potencia absorbida (3)(2) kW 21.5 31.2 42.5

ISCF – free-cooling

Capacidad frigorífica (4) kW 64.7 95.3 126.8

Potencia absorbida (1)(2) kW 22.0 31.5 42.4

Nivel de presión sonora (5) dB(A) 65.3 66.8 71.2

Dimensiones y peso

Altura mm 1560 1560 1874

Longitud mm 1190 1190 1192

Anchura mm 2008 2798 3075

Peso ISCC (versión básica) (6) Kg 818 1179 1277

Peso ISCH (versión básica) (6) Kg 848 1209 1322

(1) Datos referidos a condiciones nominales: temperatura del agua 12/7°C; temperatura ambiente 35 °C; glicol 0%; compresor modulando a 90 rps; refrigerante R410A; 50Pa

(2) Datos referidos a la potencia absorbida total (compresores y ventiladores)

(3) Datos referidos a condiciones nominales: temperatura del agua 40/45°C, temperatura externa 7°C bulbo seco, 6°C bulbo húmedo; compresor modulando a 90 rps; refrigerante R410A; 50Pa

(4) Datos referidos a condiciones nominales: temperatura del agua 15/10°C; temperatura ambiente 35 °C; glicol 20%; compresor modulando a 90 rps; refrigerante R410A; 50Pa

(5) Datos medidos en campo abierto a 1 m. de la unidad operando en condiciones nominales, lado batería, factor direccional Q=2

(6) Datos referidos a la unidad vacía sin bomba

Peso ISCF (versión básica) (6) Kg 917 1304 1442

05RE

0026

X1A

- 03/

2010

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