PEER Programa de Eficiencia Energética Regional en los Sectores Industrial y Comercial en Centroamérica

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PEER Programa de Eficiencia Energética Regional en los Sectores Industrial y Comercial en Centroamérica Manual Técnico Refrigeración Comercial PEER Programa de Eficiencia Energética Regional en los Sectores
PEER Programa de Eficiencia Energética Regional en los Sectores Industrial y Comercial en Centroamérica Manual Técnico Refrigeración Comercial PEER Programa de Eficiencia Energética Regional en los Sectores Industrial y Comercial en Centroamérica F9812m Fundación Red de Energía - BUN-CA Manual técnico: Refrigeración comercial [en línea] / Fundación Red de Energía BUN-CA. 1 ed. San José, C.R. : Biomass Users Network (BUN-CA), p. ; 27 X 21 cm. (Colección Refrigeración Comercial : Serie Manuales Técnicos) ISBN: Eficiencia Energética. 2. Refrigeración. 3. Uso Racional de la Energía. 4. Recursos Energéticos. I. Título. Reservados todos los derechos. Copyright 2007, BUN-CA. 1ª edición, Marzo, 2009 San José, Costa Rica Este documento fue elaborado por BUN-CA en el marco de su Estrategia Regional de Eficiencia Energética y puede ser utilizado libremente para propósitos no-comerciales con el debido reconocimiento al autor. Esta publicación ha sido posible gracias a la ejecución del Programa PEER (Programa de Eficiencia Energética en los Sectores Industrial y Comercial en América Central), implementado por el Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD) y financiado por el Fondo del Medio Ambiente Mundial (GEF, por sus siglas en inglés) en el marco del Programa Operacional No. 5 del Área Temática de Cambio Climático, bajo los términos del Contrato No Las opiniones expresadas en este documento son de BUN-CA y no necesariamente reflejan el parecer de las agencias cooperantes. Nota: Se agradece a los diferentes consultores los aportes técnicos a esta publicación. Diagramación: Diseño Editorial S. A. TABLA DE CONTENIDOS ÍNDICE DE FIGURAS... v ÍNDICE DE TABLAS... vi TABLA DE SIMBOLOGÍA...vii PREFACIO... 1 INTRODUCCIÓN... 2 I. FUNDAMENTOS DE REFRIGERACIÓN Historia y aplicación de la refrigeración Definiciones Propiedades físicas de las sustancias Presión y vacío Trabajo, potencia y energía Temperatura Calor Estados de la materia Medida del calor y energía... 5 II. EQUIPOS DE MEDICIÓN Termómetro Amperímetro y voltímetro Manómetro de refrigeración Analizador de redes Otras herramientas... 8 III. APLICACIONES DE LA REFRIGERACIÓN... 9 IV. FUNCIONAMIENTO DE LOS SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN Principio termodinámico de refrigeración Los refrigerantes V. COMPONENTES BÁSICOS Compresor Condensador Dispositivo de expansión o válvula de expansión Evaporador Tubería VI. EFICIENCIA DE LOS EQUIPOS La eficiencia electromecánica La eficiencia termodinámica Por qué se afecta la eficiencia termodinámica de los equipos? Los índices EER y SEER iii VII. TIPOS DE COMPRESORES Compresores reciprocantes Compresores rotativos Scroll o espiral Rotativo de paleta o pistón rodante Tornillo Centrífugo VIII. OTROS COMPONENTES Termostato o control de temperatura Controles de presión o presostatos Relojes de deshielo Ventiladores y bombas Válvulas reguladoras de presión Filtros, desecantes y visores Válvulas de paso Aislantes IX. CICLOS DE LOS EQUIPOS DE REFRIGERACIÓN Ciclo de enfriamiento Ciclo de deshielo X. LA CARGA TÉRMICA DE REFRIGERACIÓN Fuentes de calor externas Otras fuentes de calor externas: la infiltración y /o ventilación Fuentes de calor internas Ejemplo de utilización de las guías de cálculo rápido de cuarto frío Ejemplo de cálculo de diámetro de tubería para equipos de refrigeración XI. LOS EQUIPOS DEL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN Tipos de equipos Refrigerador Vitrina refrigerada Mostrador refrigerado Máquina de hacer hielo Cuarto frío (walking cooler) Túneles de enfriamiento Enfriadores de ráfaga (blast freezer) Enfriadores de líquido (chiller) Transporte refrigerado XII. AHORROS ENERGÉTICOS EN SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN Prácticas que inciden en los costos de operación Buenas prácticas en eficiencia energética Buenas prácticas en la instalación Buenas prácticas en la operación Buenas prácticas en el mantenimiento Buenas prácticas en la sustitución de equipos Otras prácticas adecuadas iv XIII. OTRAS TECNOLOGÍAS PARA EL AHORRO DE ENERGÍA Enfriamiento por absorción Intercambiadores de calor para subenfriamiento Compresores de doble etapa Compresores de válvula tipo disco Sistemas en cascada Sistemas en paralelo (racks) Sistemas de amoníaco Enfriamiento solar BIBLIOGRAFÍA ANEXOS Anexo 1a. Datos de temperatura y presión saturada (PSI) para refrigerantes Anexo 1b. Datos de temperatura y presión saturada (PSI) para refrigerantes Anexo 2. Diagrama de Presión-Entalpia del Refrigerante R Anexo 3. Diagrama de Presión-Entalpia del refrigerante HFC-134a ÍNDICE DE FIGURAS Fig 1. Termómetro... 7 Fig 2. Termómetro electrónico... 7 Fig 3. Amperímetros... 7 Fig 4. Manómetro... 8 Fig 5. Analizador de redes... 8 Fig 6. Cilindros de refrigerante Fig 7. Componentes principales en el ciclo de refrigeración y A/A Fig 8. Evaporador de placas usado en refrigeradores Fig 9. Tuberías en sistemas de refrigeración Fig 10. Ejemplo de etiqueta de consumo energético Fig 11. Compresores abiertos Fig 12. Compresores herméticos Fig 13. Compresores semi-herméticos Fig 14. Compresores scroll Fig 15. Compresores de paleta Fig 16. Compresores de tornillo Fig 17. Compresor centrífugo Fig 18. Dispositivos en sistemas de refrigeración Fig 19. Tipos de controles en los sistemas de refrigeración v Fig 20. Aislamiento en los cuartos fríos Fig 21. Ejemplo de escarchado en evaporadores Fig 22. Cargas de calor en sistemas de refrigeración Fig 23. Refrigeradores Domésticos Fig 24. Mostrador refrigerado Fig 25. Máquinas de Hielo Fig 26. Cuarto frío Fig 27. Túnel de enfriamiento Fig 28. Enfriadores de ráfaga Fig 29. Enfriadores de líquido Fig 30. Transporte refrigerado Fig 31. Equipos de enfriamiento por absorción Fig 32. Intercambiadores de calor Compresor de dos etapas Fig 33. Compresores Copeland Fig 34. Paralela o RACK de refrigeración Fig 35. Compresor abierto para compresión de amoniaco Fig 36. Panel solar para calentar agua ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Temperaturas recomendadas en refrigeración de uso general... 9 Tabla 2. Medidas generales de eficiencia electromecánica Tabla 3. Guía Heatcraf de cálculo rápido de tuberías de refrigeración Tabla 4. Guía Heatcraft de cálculo rápido de cuartos fríos a media temperatura vi TABLA DE SIMBOLOGÍA C Grados Celsius o centígrados F Grados Fahrenheit B.T.U. BTU/h o BTUH BUN-CA Cal Cal/h CCl 2 F 2 CCl 3 F CFC CHClF 2 CH 2 FCF 3 CHF 2 CF 3 Cl COP (o CDR) GEF HCFC HFC HP kg kpa kw kwh lb lbf lbm m 2 m 3 m/seg Mpa British Termal Unit: Unidad Térmica Británica Potencia térmica. BTU en una hora Fundación Red de Energía Caloría Calorías en una hora Diclorodifluorometano Triclorofluorometano Clorofluorocarbonos Clorodifluorurometano Tetrafluoroetano Pentafluoroetano Cloros Coeficiente de operación ó Coeficiente de rendimiento Fondo para el Medio Ambiente Mundial Hidroclorofluorocarbonos Hidrofluorocarbonos Caballos de Fuerza Kilogramo = gramos KiloPascal = 1000 Pascales Kilovatio = vatios Kilovatio por hora Libra libras fuerza libras masa Metros cuadrados Metros cúbicos Metros por segundo MegaPascal (= 1000 KPa) vii MBH N Pa PEER PNUD psig PYME REE (o EER) SEER TCS TSS TR o Ton W Wt/We Millar BTUH = BTUH Newton Pascal Programa Regional en Eficiencia Energética para los Sectores Industrial y Comercial en América Central Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo Presión medida en libras sobre pulgada cuadrada sin tomar en cuenta la presión del aire exterior Pequeña y Mediana Empresa Relación de eficiencia de energía Relación de eficiencia de energía en una temporada de uso de los equipos de sistema de refrigeración Temperatura de condensación saturada Temperatura de succión saturada Tonelada de refrigeración = BTU/h = 12 MBH Vatio Vatio térmico sobre Vatio eléctrico viii PREFACIO Uno de los mayores retos de la sociedad moderna es procurar la explotación suficiente y sostenible de recursos energéticos para sustentar las actividades económicas y el desarrollo de sus pueblos. En los últimos años hemos experimentado a nivel mundial una problemática de magnitudes titánicas en cuanto a los altos costos y la escasez de la energía. El problema tiene connotaciones aún más marcadas en regiones como la nuestra, que se encuentran en pleno desarrollo social y económico. Este crecimiento ha procurado un incremento acelerado en la demanda energética de la región centroaméricana, y exige que identifiquemos maneras de hacerle frente a esta problemática. La eficiencia energética ha sido identificada como una herramienta valiosa en la mitigación del crecimiento de la demanda energética. Tiene un valor económico muy alto, ya que las inversiones requeridas para adecuar tecnología, reorganizar el comportamiento organizacional asociado al uso de la energía y realizar los mantenimientos y otros cambios conducentes a la mejora de la eficiencia energética, son mucho más económicos que la expansión de la matriz energética. Esto es especialmente cierto para nuestra región donde un gran porcentaje de la energía proviene de la explotación de los recursos energéticos fósiles, los cuales son importados a un alto costo. La Universidad Tecnológica de Panamá tiene como parte de su misión promover e impulsar el desarrollo tecnológico, económico, social y cultural. Y dentro de esta misión presenta a la comunidad estos manuales técnicos de iluminación, motores eléctricos, refrigeración comercial y acondicionadores de aire los cuales muestran no sólo una descripción detallada del estado de la tecnología de cada área, sino que además incluyen un conjunto de buenas prácticas conducentes a un incremento en la eficiencia energética de estos sistemas en el contexto centroamericano. Estos manuales han sido desarrollados por la Fundación BUN-CA como parte de sus planes de trabajo, en los cuales la Universidad Tecnológica de Panamá es un socio estratégico importante. La información presentada en estos manuales ha sido recabada por especialistas del más alto nivel en la región, y son una fuente confiable tanto para los ingenieros practicantes, como para los no especialistas que deseen tener una visión general sobre el tema. Si bien la intención de estos manuales no es preparar especialistas en los temas tratados, tienen el propósito de concientizar a la comunidad en estos temas, y son un excelente medio de actualización para los profesionales. Esperamos que esta co-edición sea de su agrado y que se conviertan en una herramienta más del desarrollo social, comercial y energético en Centroamérica. Ing. Marcela Paredes de Vásquez Rectora Universidad Tecnológica de Panamá, INTRODUCCIÓN La capacidad instalada de generación eléctrica en Centroamérica depende cada vez más de los hidrocarburos importados, lo cual aumenta la vulnerabilidad energética de la región y provoca un aumento en las emisiones de gases efecto invernadero. Conforme aumentan los costos de generación de electricidad y la demanda promedio continúa creciendo a un 6% anual, de cara a un entorno regional de mayor competitividad y mayor desarrollo socio-económico, las necesidades de la nueva capacidad instalada aumentan exponencialmente. El equipamiento eléctrico utilizado en la mayoría de los procesos industriales y en la infraestructura comercial presenta bajos niveles de rendimiento; ello, aunado a que el equipo ha sobrepasado su período de vida útil o se acerca a ese límite, provocando considerables desperdicios energéticos. Esto se traduce en un incremento en los costos de producción y costos operativos. Para emprender el desarrollo de mercados sostenibles en torno al uso final eficiente de la electricidad, se requiere eliminar una serie de barreras de tipo político, financiero, técnico y de información. BUN-CA y el Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD), con el financiamiento del Fondo para el Medio Ambiente Mundial (GEF), desarrollan el Programa Regional en Eficiencia Energética para los Sectores Industrial y Comercial en América Central (PEER), iniciativa que contribuye, entre otros objetivos, a remover las barreras de la falta de conocimiento e información técnica para desarrollar los mercados de eficiencia energética en Centro América. El presente Manual tiene el objetivo específico de fortalecer la plataforma de conocimiento en el nivel centroamericano y brindar las bases para el desarrollo técnico necesario, a fin de realizar una adecuada selección y uso de los sistemas de iluminación. Este texto brinda información técnica sobre los conceptos de estos sistemas, así como de las buenas prácticas que deben ser implementadas para lograr un uso eficiente del equipo. Este Manual también es un medio para acercar el conocimiento general del ahorro de energía en iluminación eficiente a quienes se encuentren interesados en el tema, en él encontraran prioridad en el tema de eficiencia energética, por tanto aspectos como diseño, manufactura, y otros semejantes no son abordados a profundidad. Fundación BUN-CA, I. FUNDAMENTOS DE REFRIGERACIÓN 1.1 Historia y aplicación de la refrigeración La refrigeración consiste en reducir y mantener la temperatura de un espacio determinado por debajo de la temperatura ambiente, básicamente para la conservación de alimentos. Otras aplicaciones permiten licuado de gases, enfriamiento de procesos industriales, aire acondicionado, etc. La conservación de alimentos por medio de refrigeración tiene muchas ventajas sobre el enlatado, el secado o el curado, debido a que permite al producto conservar su frescura y todo su valor nutritivo y vitaminas. La refrigeración retarda el proceso de descomposición natural realizada por bacterias, enzimas y hongos, aletargando a los microorganismos, pero no eliminándolos, por lo que el almacenamiento no debe ser indefinido. Los primeros refrigeradores del siglo XIX usaban hielo para enfriar su interior; luego en 1856 surgió el primer refrigerador por compresión de vapor y se utilizó para enfriar cerveza. Sucesivamente se fueron desarrollando nuevos y más pequeños motores y compresores, hasta llegar a los sistemas actuales. Los equipos de refrigeración más empleados por las empresas son los cuartos fríos, las refrigeradoras comerciales, las máquinas de fabricación de hielo y el transporte refrigerado. La refrigeración también constituye una necesidad moderna para el hogar, de forma que el refrigerador doméstico constituye entre el 25% y el 50% del consumo energético en el sector residencial, ya que permanece encendido y operando continuamente las 24 horas del día, por lo que la eficiencia de estos equipos es de mucha importancia en el diseño de políticas públicas en el sector energético. 1.2 Definiciones Para evaluar y reconocer el funcionamiento de los equipos de refrigeración es necesario entender los siguientes conceptos: Propiedades físicas de las sustancias Masa. La masa de un cuerpo es la cantidad de materia, moléculas y átomos que posee. Se mide en libras masa (lbm) o en kilogramos (kg). Fuerza. Es la atracción o empuje de un cuerpo sobre otro, capaz de alterar la velocidad o deformar al objeto. Se mide en libras fuerza (lbf) o Newton (N). Peso. Es la fuerza con que el planeta tierra atrae a los cuerpos, por lo que se mide en libras fuerza. Sin embargo, es común que las personas se refieran al peso simplemente como libras. Densidad y volumen específico. La densidad de una sustancia es la masa que posee por cada unidad de peso, es decir, cuántas libras de masa se encuentran en un volumen determinado. Se mide al dividir la masa entre el volumen en unidades de lbm/pie3 o Kg/m3. El volumen específico es lo opuesto a la densidad, es decir, mide la masa en un volumen dado y sus unidades son volumen entre masa (pie3/ lbm o m3/kg). 3 1.2.2 Presión y vacío La presión es la fuerza ejercida por una sustancia sobre una superficie o área. Se mide en libra fuerza sobre pie cuadrado, pero es más conveniente utilizar la libra fuerza sobre pulgada cuadrada (lbf/in 2 o psi 1 ). También se utiliza el Pascal (Pa) que se obtiene de dividir la fuerza en Newton (N) entre la superficie en m 2. Cuando no existe ningún tipo de presión, se dice que existe un vacío absoluto.toda presión sobre este valor se conoce como presión absoluta y se mide en psia. La presión ejercida por la presión de la atmósfera sobre los objetos se conoce como presión barométrica y es igual a 14,7 psia 3 en el nivel del mar y se reduce a medida de que aumenta la altura. Presiones por debajo de la atmosférica se conocen como presiones de vacío parcial o simplemente de vacío. Los instrumentos para medir la presión son los manómetros y generalmente están calibrados a fin de marcar cero a la presión atmosférica, por lo que el valor medido se conoce como presión manométrica (psig 4 ). El manómetro es una herramienta indispensable para los técnicos de mantenimiento de refrigeración Trabajo, potencia y energía Se realiza un trabajo al desplazar un objeto, cuerpo o sustancia, de un punto a otro, al aplicar una fuerza. La potencia es qué tan rápido puede realizarse un trabajo, por lo que se mide en unidades de trabajo entre tiempo. Las unidades más conocidas de trabajo son los Vatios (W) y los caballos de fuerza (del inglés Horse Power o HP), donde 1HP es igual a 746 W. A la capacidad de realizar un trabajo se le llama energía, la cual no se crea ni se destruye, únicamente se transforma Temperatura La temperatura es una propiedad de las sustancias y depende de la velocidad del movimiento de las moléculas del cuerpo, de tal manera que a mayor velocidad, mayor temperatura. Cuando no se pueda medir en forma práctica la velocidad de las moléculas y los átomos, la medición se hace subjetivamente y se definen los términos de caliente y frío al comparar en forma subjetiva a través del tacto, pero para evaluar objetivamente la temperatura, se definen escalas que utilizan unidades llamados grados. El instrumento para realizar estas mediciones es el termómetro. Esta herramienta es importante para evaluar los sistemas de refrigeración y permite, inclusive, diagnosticar si existen fallas en el sistema. Los termómetros actualmente pueden ser mecánicos o electrónicos y encontrarse en todo tipo de formas y tamaños para las aplicaciones de refrigeración. Las escalas más utilizadas son los grados centígrados o Celsius ( C) y los Fahrenheit ( F). Existen otras escalas, pero en la práctica de refrigeración éstas son las más utilizadas. 1 Del ingles pound square inch (psi). 2 La a al final de psi indica que es presión absoluta psia = 1 atmósfera. 4 La g al final de psi indica que es presión manométrica y proviene del inglés gauge que significa manómetro. 4 1.2.5 Calor Es una forma de energía relacionada con la temperatura de los cuerpos, la cual se transfiere de un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor. La refrigeración es un uso práctico del calor, al reducir la temperatura de los cuerpos y extraer su calor utilizando sustancias o cuerpos de menor temperatura. El calor nunca se desplaza de un cuerpo frío a otro caliente Estados de la materia La temperatura y/o calor de un cuerpo mas la presión definen también el estado de agregación de la materia en que se encuentra determinada sustancia sólida, líquida o gaseosa. Un gas posee moléculas con alto nivel de energía y moviéndose a gran velocidad. Al remover calor de un gas, sus moléculas perderán energía y velocidad y su temperatura se reducirá hasta llegar a un punto en que se moverán lentamente y la sustancia se volverá un líquido. A este punto se le conoce como licuefacción o condensación. Si se continúa enfriando, las moléculas llegarán a un nivel de energía bajo y se solidificarán. A esto se le llama punto de congelamiento o solidificación. Si, por el contrario, al líquido se le agrega más calor, sus moléculas aumentarán su velocidad hasta vaporizarse. A esto se le llama punto de ebullición. De tal forma, mientras la sustancia cambia de estado, su temperatura se mantiene constante, a pesar de ceder o ganar calor, y se le conoce como condición de saturación. Esto es así hasta que cambia su estado totalmente. Cuando se agrega calor bajo estas condiciones se dice que es calor late
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