Integración de tecnologías evolución de la refrigeración

Las tecnologías aplicadas en equipos de refrigeración comercial ligera y su integración en la oferta de soluciones han atravesado un proceso de evolución, principalmente entre compresores, micromotores y controladores, que ha impactado en algunos de sus principales componentes.

No hay como escapar. La energía está en todos los aspectos de nuestras vidas; incluso cuando dormimos, el refrigerador está funcionando, el aire acondicionado nos permite una noche de sueño tranquila y confortable; durante el desayuno, el microondas calienta la comida, el coche nos lleva hasta el trabajo y para todo esto alguna forma de energía es necesaria.

No todas las fuentes de energía son renovables e incluso las renovables tienen algún impacto ambiental. Mucho se comenta hoy de buscar opciones sostenibles para la refrigeración y la ventilación, como consumos energéticos menores, refrigerantes ecológicos, materiales reciclables, entre un sinfín de posibilidades para hacer más eficaces los equipos de refrigeración.

Por tal motivo, los diferentes componentes de estos sistemas han experimentado transformaciones que pretenden mejorar su funcionamiento y ofrecer versatilidad para su utilización en las distintas aplicaciones de la industria.

Evolución de eficiencia en sistemas de refrigeración

Compresores
Los compresores son los componentes de los refrigeradores comerciales que más impactan en el consumo energético; por tanto, son el principal ítem que puede aumentar la eficiencia del refrigerador y de los equipos de refrigeración, mediante la simple sustitución de un compresor de baja eficiencia por otro de mejor rendimiento.

En la figura 1 se muestra la evolución de la eficiencia de los compresores en los últimos años y cuáles se están utilizando hoy en la industria.

Actualmente, la industria de la refrigeración comercial ligera aplica por lo general compresores con eficiencia desde 4.5 hasta 5.4 BTU/Wh, medidos en condición ASHRAE LBP, y esto representa una gran evolución en términos de consumo energético; no obstante, compresores con este nivel de eficiencia no deben de atender por mucho tiempo los requisitos que grandes especificadores y agencias gubernamentales precisan.

La figura 1 muestra que, normalmente, los compresores de refrigeración doméstica presentan niveles de eficiencia mayores que los compresores aplicados en la refrigeración comercial. Asimismo, existen cuestiones técnicas que impiden la aplicación de compresores usualmente destinados a aplicaciones domésticas en la refrigeración comercial.

Una característica diferente entre compresores domésticos y comerciales son los torques de arranque y funcionamiento, ya que en los comerciales estos torques son más altos para garantizar que el compresor, y por consecuencia el refrigerador, no tenga problemas de arranque y protección en campo.

Micromotores
Hasta la década de 1990, los motores eran definidos como componentes que tenían el objetivo de proporcionar flujo de aire para facilitar el intercambio de calor entre evaporador y condensador, y representaban una pequeña parcela en el consumo energético total del refrigerador; por ello, no era priorizado en proyectos de ahorro energético, y sólo mostraban dominio en el mercado de los motores de polo sombreados.

Con la evolución de los compresores, que mejoró su eficiencia, el consumo de los motores del evaporador y del condensador se tornó más eficiente. A principios de la década del 2000, los motores Electrónicamente Conmutados (EC) empezaron a aplicarse con frecuencia cada vez mayor, debido a su bajo consumo energético y una vida útil muy superior, en comparación con los motores de polo sombreado.

Comparativo entre motores EC y de inducción

Puede verificarse en la figura 2 que los motores EC proporcionan una ganancia directa en eficiencia, por tener uno consumo de potencia mucho más bajo que los motores de polo sombreados y proporciona además una ganancia indirecta por generar mucho menos calor, ya que en las aplicaciones del evaporador muestra reducción en el trabajo del compresor para retirar el calor generado internamente.

Otro factor que impulsa la aplicación de motores EC está relacionado con su tiempo de vida útil, muy superior en comparación con los de polo sombreados, pues la vida útil de éstos alcanza aproximadamente 25 mil horas, mientras que los motores EC presentan una vida útil de entre 70 mil y 90 mil horas

Además de ser más eficientes y perdurables, los motores EC proporcionan a los proyectistas de refrigeradores otras posibilidades, como trabajar en la velocidad exacta que el sistema de refrigeración necesita o incluso variar esta velocidad de acuerdo con alguna necesidad del proyecto, haciendo que la ganancia en ahorro energético sea aún mayor.

Controlador electrónico

Controladores
Los controladores electrónicos, de manera similar a los motores EC, tuvieron un aumento exponencial en su aplicación desde finales de la década de 1990 y llegaron como un nuevo componente para aumentar la confiabilidad y la eficiencia de los refrigeradores.

En este periodo, los termostatos (mecánicos o electrónicos) no cumplían con los requisitos de una nueva generación de refrigeradores que buscaban mayores beneficios de los que ofrecían estos componentes. Las ensambladoras de refrigeradores comerciales buscaban un termostato que, además de controlar el funcionamiento de los componentes según la temperatura interna, fuera más inteligente y decidiera bajo parámetros de funcionamiento cómo hacer trabajar al refrigerador.

Hoy, los controladores, además de las funciones naturales de los termostatos (accionar compresor, micromotor y resistencias eléctricas), permiten controlar todo en los refrigeradores, al verificar la mejor hora para el deshielo, decidir si es necesario cambiar el set-point de temperaturas para que el producto esté más frío o para que el refrigerador entre en modo nocturno y reporte ahorros de energía, al hacer compresores y motores trabajar menos y apagar o disminuir la intensidad de las luces.

Estos controladores pueden aprender el funcionamiento del lugar y cambiar los parámetros de operación para ajustarse automáticamente a las condiciones ambientales y a la demanda del establecimiento; incluso, si algo cambia en estas condiciones, busca una nueva mecánica de trabajo que permite mantener el producto refrigerado en las mejores condiciones de consumo.

Estas características abren una nueva posibilidad de evolución en los refrigeradores, pues estos controladores ahora integrarán mejor las tecnologías involucradas en el refrigerador y permitirán un nuevo salto tecnológico.

La evolución de los sistemas de refrigeración está estrechamente relacionada con las líneas de investigación tecnológica para el desarrollo de sistemas más eficaces. En la edición anterior se consideraron algunos de los componentes que han atravesado mayores modificaciones y su impacto en el desempeño de los sistemas. Esta vez, se revisaran algunos aspectos que también deben tenerse en mente para la integración de las tecnologías y sus avances.

Mediante la integración de tecnologías y el uso de controladores es posible elegir rutinas de trabajo que garanticen un buen desempeño y la eficiencia del sistema.

Los primeros controladores electrónicos representaron una revolución para los refrigeradores comerciales ligeros, pero ahora la industria está lista para dar un paso adelante, que es integrar de manera más inteligente todas las tecnologías, con el fin de llevar el refrigerador a una condición de trabajo más eficiente y menos agresiva para los componentes.

Como se revisó en la primera parte de este tema, en épocas pasadas los compresores comerciales tenían como regla general una eficiencia inferior en comparación con los utilizados para la refrigeración doméstica. Eso se debía, principalmente, a que la aplicación comercial solía ser mucho más rigurosa.

La experiencia de años como trabajador en una empresa de fabricación de compresores permite observar que siempre que se enviaba una solicitud para diseñar un nuevo motor para un nuevo compresor comercial, los ingenieros eléctricos contestaban de la siguiente manera a la solicitud de mejorar la eficiencia: “Si se reducen los requisitos de arranque es posible aumentar la eficiencia”. En resumen, para mejorar la eficiencia de los compresores es necesario que los proyectos de los refrigeradores se evalúen para dejar la aplicación menos dura al compresor.

Abajo se verificarán algunas condiciones de aplicación en las que se analizan los momentos más críticos del instante en que el compresor arranca y que pueden llevarlo a no arrancar, no tener torque suficiente para pasar los picos de presión y detenerse (stalling), o simplemente protegerse.

En la Figura 1 se incluye una gráfica que representa el momento en que el compresor arranca en un sistema de refrigeración que tiene como elemento de control un tubo capilar. La curva de stalling del compresor representa condiciones de presión en las que el compresor no tiene torque para trabajar y simplemente para y después se protege.

Figura 1.Representación del arranque de un compresor

Momento 1. En este momento, el compresor está apagado, con las presiones ecualizadas, y hoy casi todos los controladores tienen rutinas que garanticen el arranque con presiones siempre ecualizadas; pero otra posible mejora es buscar una operación más adecuada para el refrigerador, que permita disminuir la carga de refrigerante de modo que se disminuya la presión ecualizada del refrigerador.

La determinación de la carga de refrigerante se realiza considerando las condiciones de aplicación extremas, como alta temperatura ambiente, alta carga de producto por refrigerar, entre otras; pero, con estrategias de funcionamiento del compresor y un motor EC (para variar velocidad), es posible disminuir el impacto de estas variantes y tender a aplicar cargas de refrigerante más bajas.

Momento 2. El tiempo entre el punto uno y el dos son solamente 10 o 15 segundos, pero la curva entre estos puntos normalmente pasa muy cerca de la curva del compresor y por eso es crítico para el sistema de refrigeración.

Para evitar problemas y lograr que la curva del refrigerador se aleje de la del compresor, el controlador puede bajar la velocidad del motor EC del evaporador para que la temperatura de evaporación baje con mayor rapidez.

Esto pasa solamente por algunos segundos, pero genera una mejoría en la confiabilidad del compresor y puede permitir a la industria de compresores proyectar sistemas más eficientes. Si además de la variación de la velocidad del motor EC, es posible variar la velocidad del compresor, resultaría factible encontrar la mejor condición de trabajo para este esquema.

Momento 3. El tiempo entre el punto dos y el tres depende de la situación. Si el refrigerador está caliente internamente, con la misma temperatura que el ambiente externo, este tiempo lleva aproximadamente 1 hora; si el sistema está funcionando bajo condiciones normales, después de un deshielo por resistencia, puede llevar de 10 a 20 minutos; durante el ciclado normal, toma cerca de 1 minuto.

Las estrategias para disminuir la presión de pico de descarga (punto 3) y alejarse de la curva del compresor son aplicar un condensador más eficiente, en el momento de pico hacer el motor EC trabajar con una velocidad más alta y disminuir la carga de refrigerante.

Éste es el momento en el que un controlador con integración de tecnologías puede ayudar al sistema a mejorar su eficiencia, pues permite cambiar la velocidad del compresor, la velocidad del motor EC del condensador y del evaporador, y volver al sistema de refrigeración más eficiente, con lo que es posible aplicar compresores de mayor eficiencia. Este tipo de integración de tecnologías necesita de un controlador más inteligente que evalúe estas cuestiones y elija una rutina para garantizar eficiencia.

Con este tipo de aplicación, el ensamblador del refrigerador, los proveedores de compresor, motor EC, controladores, iluminación y resistencias eléctricas tienen que trabajar en conjunto para que el resultado final arroje los mejores resultados posibles. Los controladores actuales representaron una evolución importante para la industria de la refrigeración, pero ahora es necesario enfocarse más en los detalles, buscar nuevas oportunidades de rutinas que permitan un nuevo salto en ahorro energético y, junto con una evolución en la confiabilidad, que otorgue a todos los componentes una vida útil más prolongada.