Historia do proxecto. Xustificación

Durante o curso 2012-13 no ciclo diúrno de grao medio correspondente ao título de técnico en instalacións frigoríficas e de climatización e no módulo MP0041. Montaxe e mantemento de instalacións frigoríficas industriais; reflexionouse que debido ao impacto medio-ambiental dos refrixerantes dispoñibles para conxelación e as normativas existentes, o sector tiña un gran problema. O grupo de alumnado meditou partindo dos coñecementos adquiridos e buscando información; que as posibles solucións pasaban polo uso de hidrocarburos ou refrixerantes naturais mentres a industria química non dera unha resposta adecuada ás actuais limitacións. O problema destas solucións e a perigosidade e/ou toxicidade e a complexidade técnica das solucións. Recapacitando en que durante máis dunha década en frigoríficos domésticos e arcóns conxeladores usouse o R-134a, debateuse por que non ao seu uso en instalacións frigoríficas de maior tamaño. Formuláronse solucións técnicas para o seu uso e deseñouse unha posible instalación de conxelación con este refrixerante, que ademais se lle incorporaría un descarche con recuperación de calor para aumentar a eficiencia do equipo. Durante o segundo trimestre do curso comezouse coa montaxe do primeiro prototipo usando material doado por empresas e readaptando para esta aplicación: cambio de aceites, protección dos motores …..

Durante o curso 2012-13 paralelamente e nos módulos de ciclos superiores de eficiencia enerxética e enerxía solar térmica a través dos módulos de MP0121. Equipamentos e instalacións térmicas e MP0349. Eficiencia enerxética de instalacións sumáronse a esta experiencia realizando simulacións teóricas do ciclo frigorífico formulando e comprobando os avances na montaxe da instalación.

Durante o curso 2013-14 no ciclo diúrno de grao medio correspondente ao título de técnico en instalacións frigoríficas e de climatización e no módulo MP0041. Montaxe e mantemento de instalacións frigoríficas industriais e no ciclo nocturno de grao medio correspondente ao título de técnico en instalacións frigoríficas e de climatización e no módulo MP0036. Máquinas e equipamentos térmicos; púxose en marcha este prototipo de instalación axustándoa para o seu correcto funcionamento e realizando unha serie de medidas que comparadas coas instalacións tradicionais de R-507A montadas durante o curso adiantaban unha mellora neste tipo de cámaras frigoríficas.

Este proxecto resultou premiado na Resolución de 20 de xuño de 2014 da Dirección Xeral de Educación, Formación Profesional e Innovación Educativa, pola que se conceden os premios para o desenvolvemento de proxectos de innovación tecnolóxica ou científica e proxectos de innovación didáctica no ámbito da Formación Profesional en centros públicos dependentes da Consellería de Cultura, Educación e Ordenación Universitaria (convocados na Resolución de 24 de marzo de 2014).

O proxecto consistiu en montar a par unha instalación para cámara de conxelación que se monta hoxe en día no sector con R-507A e unha cámara de conxelación exactamente igual pero montada cun equipo de R-134a. Aproveitouse a montaxe para comparar sistemas de descarche distintos; no primeiro caso levou un descarche por resistencias eléctricas, montado tradicionalmente nestes equipos, e no segundo caso montouse un descarche por recuperación de calor. Os dous equipos estiveron dando servizo en cámaras xemelgas; con condicións de funcionamento idénticas: mesma rede eléctrica, mesmas temperaturas exteriores, interiores de parada… e grazas a un sistema de adquisición de datos análizouse a enerxía consumida por cada equipo así como as variables de temperatura, presións…para poder ter comparativas.

As montaxes aínda que estaban moi avanzadas no mes de Setembro grazas a iniciarse xa fai dous cursos, houbo que refacelas practicamente dende cero por variar totalmente o cadro de control das mesmas; e puxéronse en marcha grazas aos alumnos do ciclo medio de frío e climatización diurno promoción do curso 2014-15 os cales grazas a súa inquietude; se lles adaptou parte das ensinanzas dos curriculums formativos, traballando, durante o primeiro trimestre nestas montaxes e na súa posta en marcha. A par dous alumnos do ciclo superior de eficiencia enerxética realizaron os seus traballos do módulo de proxecto sobre estas instalacións; documentando parte dos resultados ademais da realización dos esquemas eléctricos, frigoríficos e de principio incluidos neste traballo coas súas correspondentes modificacións durante o desenvolvemento real das instalacións.

A posta en marcha foi difícil debido a complexidade técnica das montaxes, as novidades empregadas e os defectos en parte dos elementos empregados ao ser reutilizados de outras montaxes realizadas en cursos pasados e que provocaban fallos que houbo que analizar ata dar co problema; pero ao final as cámaras prototipo mantivéronse en funcionamento varios días para poder realizar os axustes finais e detectar posibles problemas; ademais de realizarse as primeiras tomas de datos comparativos que nos proporcionan as conclusións aportadas neste traballo; quedandolle moito xugo por sacar aínda a estas montaxes a nivel comparativo.

Actualmente as montaxes están operativas e son obxeto de estudo nos distintos módulos relacionados que se imparten no centro; ademais de estar dispoñibles para mostrar a calquera técnico do sector interesado e que se achegue polas nosas instalacións. Asimesmo estase desenvolvendo un grupo de traballo sobre “Adquisición de datos en instalacións de sistemas enerxéticos” para sacarlle maior partido ao sistema de adquisición de datos implementado nesta montaxe.

Avaliación do proxecto

Como características básicas dicir que as dúas instalacións posúen unha potencia térmica de frío 3,21 kW, cunha temperatura de vaporización de -25ºC e unha temperatura de condensación é de 40ºC.

A primeira carga refrixerante R507A. Esta instalación realiza un ciclo frigorífico de compresión mecánica simple, ou de simple etapa, é dicir, de un só chanzo de compresión. O sistema de desxeo é eléctrico.

A segunda instalación realiza un ciclo de refrixeración mecánica en dobre etapa ou de dous chanzos de compresión, empregando como refrixerante R-134a. O desxeo é realizado mediante recuperación de calor por gas quente.

O resultados que se expoñen abranguen os seguintes campos:

Resultados de consumo enerxético acumulado.
Resultados sobre implicacións do efecto medioambiental que as instalacións xeneran.
Resultados de custos das instalacións.
Resultados sobre axustes e características da posta en marcha das instalacións.
Resultados da análise de mantemento durante la vida útil das instalacións.

Resultados de consumo enerxético acumulado:

Partimos da potencia de carga térmica de 3,21kW establecida para un tempo de funcionamento diario de 19h.

Respecto á valoración enerxética real, os resultados enerxéticos obtidos refírense a consumos enerxéticos acumulados.

En unidades de traballo anteriores determinouse de xeito teórico os rendementos dos ciclos. É nestas análises teóricas onde unha máquina de dobre etapa con R-134a mostra beneficios enerxéticos fronte unha máquina de R-507a.

Para a máquina frigorífica de dobre etapa con R-134a nas condicións de traballo mostradas ofreceu un COP_R-134a=2,61; mentres que o rendemento en ciclo simple con R-507A obtido foi de COP_R-507A =1,61. Estes serán os rendementos das plantas frigoríficas para o cálculo de consumos; e aínda que teríamos que ter en conta os consumos auxiliares; ventiladores de condensador e evaporador; nesta comparativa como serían practicamente iguais nas dúas instalacións non inflúe e ademais queda compensado, a nivel enerxético, no 10% de sobredimensionar de carga térmica.

Na instalación de R-507A instalase un sistema de desxeo tradicional: eléctrico; o evaporador seleccionado incorpora unhas resistencias de 4,4KW; establecemos 6 desxeos ao día de 20 minutos cada un co que nos sae 2 horas de desxeo ao día cunha enerxía consumida a sumar a enerxía consumida durante as 19 horas de funcionamento do equipo frigorífico ao día. Ben é certo que a análise foi feita para dezanove horas, polo que o cálculo acumulado debería ser feito só para este número de horas. Aínda así, extrapólase ao ano completo,o cal non desvirtúa o resultado para as dezanove horas.

Comparando os resultados vemos que a instalación de R-134a anticipa un consumo un 49,9% menos de enerxía que a instalación de R-507A.

Resultados sobre o efecto medioambiental das instalacións:

Os valores de impacto sobre muda climática global, son os referidos ao de contribución ao efecto invernadoiro. Estes valores, para o R-134a e para o R-507A son obtidos do IF2 do RSF.

Pódese establecer que unha instalación do tipo das analizadas posúe, perfectamente, unha vida útil de 15 anos.

Dada a actual normativa sobre instalacións frigoríficas en vigor dende 2011, e levando a cabo un cumprimento razoable da mesma, pódese establecer unha porcentaxe de recuperación de refrixerante no desmantelamento das instalacións frigoríficas, unha vez rematada a súa vida útil, dun 95%.

O R-507a é un refrixerante de media presión, mentres que R-134a é un refrixerante de baixa presión. Para as mesmas condicións climáticas de condensación e para a mesma temperatura de cámara frigorífica, as presións de traballo do R-134a son da orde da metade das que posúe a máquina traballando co R-507a. Está establecido que as fugas de refrixerante son proporcionais ás presións de traballo do interior do circuíto. En base a este proceder experimental do uso destas instalacións, pódese establecer que as perdas por fugas do circuíto do R-134a serán da orde do 50% das perdas que posúa o circuíto de R-507A. Para a instalación de R-507A estímanse unhas perdas por fugas de ao redor do 12% da carga total; polo que na instalación de R-134a poderanse establecer unhas perdas por fugas de ao redor do 6%.

O factor "β" de equivalente de produción de CO₂ por kWh eléctrico consumido, será tomado o do ano 2013 na península, de valor: 0,241 kgCO₂/kWh.

A carga de refrixerante de R- 134a é de 4,44 kg. Na instalación de R-507A a carga é de 4,20 kg.

Respecto ao impacto medio ambiental sobre a muda climática obsérvase que os resultados amosan que a instalación de R-134a presenta unhas emisións de CO2 á atmosfera dun 58,2% menos que a instalación de R-507A. O impacto é proporcional ás emisións de dióxido de carbono, polo que a menor porcentaxe no impacto é a mesma que a das emisións.

Comparativa de custos:

Reordenando datos e facendo o suposto que durante os próximos 15 anos o prezo da enerxía eléctrica mantivérase constante, obtéñense as seguintes cifras de custos:

Custos de montaxe instalación de R-507A = 16.710 €
Custos de montaxe instalación de R-134a= 20.301 €
Custos de montaxe supervisión instalación de R-134a= 4.979 €
Custos de funcionamento anuais instalación de R-507A= 2.510 €
Custos de funcionamento anuais instalación de R-134a= 1.257 €
Custos funcionamento 15 anos instalación R-507A= 37.650 €
Costos funcionamento 15 anos instalación R-134a= 18.855 €

O obtido até o de agora permite dicir que:

A montaxe da instalación de R-134a sobre a de R-507A representa un sobre custe de 3.591€ que, tendo en conta o aforro anual de custes de funcionamento entre os dous tipos de instalacións é de 1.253€; amortizaríase en menos de 3 años; de xeito máis concreto en 2 años y 10 meses.

A incorporación do sistema de supervisión e adquisición de datos supón un medre nos custos de instalación dun 20%; pero permitiría, ter controlada a eficiencia enerxética da planta en todo intre e con históricos dos consumos o cal faría máis doadas as labores de mantemento durante a vida útil da instalación. Non se debe tentar establecer tempos de amortización desta parte xa que, sexa o tipo que sexa de instalación frigorífica, o sistema de supervisión sempre é aconsellable na procura buscar, como principal obxectivo, a vixía de que os custos de funcionamento estean controlados.

Posta en marcha:

As labores da posta en marcha serán as mesmas tal como están especificadas nas unidades de traballo deste mesmo proxecto, ca diferenza de que as probas de presións poderían ser un 55% de menor valor para o R-134a fronte ao R-507A.

Cabe salientar o maior tamaño das tubaxes de aspiración na instalación de R-134a sobre a instalación de R-507A como se aprecia na unidade de traballo adicada ás tubaxes neste proxecto.

Un proceso fundamental na posta en marcha de instalacións frigoríficas é a toma de datos de funcionamento ou folla de posta en marcha. Neste documento débense reflectir presións, temperaturas, consumos…. que se consideren datos clave ou fundamentais para a interpretación do funcionamento da instalación ou para a detección futura de anomalías sobre a mesma. Neste proxecto, ó contar cun sistema de adquisición de datos; os valores fican reflectidos nas bases de datos correspondentes e, neste caso adxuntos, ó proxecto.

Mantemento:

Calquera instalación frigorífica precisa unhas labouras de mantemento con dous obxectivos:

Manter a eficiencia de la planta en rangos aceptables.

Previr o deterioro dos seus compoñentes.

Para manter a eficiencia de la planta, o sistema de supervisión e adquisición de datos permite un control a distancia, sen necesidade de desprazamento á instalación por parte de la empresa encargada do mantemento, o cal permite, incluso, aforrar custes de non doada valoración.

Nun mantemento deste tipo de instalacións, a base é ter uns datos fiables e en cantidade suficiente da posta en marcha ao longo de anos sucesivos, para poder, nos seguintes anos de funcionamento, dispor de información comparada que servan para detectar variacións debidas no funcionamento da instalación e, polo tanto, detectar avarías ou fallos que afectarían á eficiencia, e incluso á parada da máquina.

O mantemento de calquera dos dous sistemas prantexados neste proxecto é o mesmo coa diferenza de que no caso da instalación montada con R-134a as probabilidades de fugas diminúen ó traballar a un 50% menos de presión e o deterioro dos compresores é menor ao traballar cunha relación de compresión menor que no caso da instalación de R-507A.

Asemade, as instalacións estiveron funcionando de xeito simultáneo en distintas condicións; incluso forzando a situacións extremas no caso da dobre etapa de R-134a respondendo de xeito eficaz ás expectativas.

Conclusións.

De todo o proceso desenvolvido así como dos datos obtidos, pódense obter unha sucesión de conclusións relevantes respecto a diferentes aspectos do traballo proposto:

Respecto ao contraste entre as dúas instalacións:

A eficiencia enerxética da máquina de compresión en dobre etapa de R-134a móstrase sempre maior cá da máquina de R-507a tradicional de simple etapa. Con sistema de desxeo por recuperación: TEORICAMENTE un 50% mellor, e co mesmo sistema de desxeo un 37% mellor.
Valor TEWI de impacto medioambiental de muda climática é na instalación de dobre etapa de R-134a do 42% do da instalación de R-507A tradicional de simple etapa.
Custo anual de enerxía consumida pola máquina en dobre etapa de R-134a é TEORICAMENTE o 50% do consumido pola máquina de R-507A tradicional de simple etapa.
Custo da instalación en dobre etapa de R-134a é un 21% maior que na instalación de R-507A tradicional de simple etapa.

Respecto a particularidades do proceso técnico desenvolvido:

As sondas de humidade dentro das cámaras non son fiables pola baixa temperatura do interior das mesmas.
Os valores de temperatura medidos á entrada e saída dos vaporizadores, arroxan valores idénticos dentro da precisión dos sensores; debido ao limitado tamaño dos recintos e as altas velocidades do aire no seu interior.
A enerxía consumida polos compresores da instalación en dobre etapa do R-134a é máis elevado do previsto. Se conclúe que isto é debido a que estes compresores posúen motores eléctricos sobredimensionados para a aplicación (orixinalmete son compresores preparados para instalacións de R-22), contribuindo en exceso as perdas enerxéticas eléctricas. Esta conclusión é obtida, analizando os datos adxuntos de 23h de funcionamento, polo baixo valor do factor de potencia nesta instalación (factor de potencia instalación R-134a=0,4 frente a factor de potencia instalación de R-507A=0,7), polo que, con toda seguridade, as diferenzas de consumo e de eficiencia que dan vantaxe competitiva da máquina de dobre etapa de R-134a fronte a de R-507A tradicional de simple etapa, aínda deberían ser maiores cas obtidas se as potencias eléctricas dos motores estiveran correctamente adaptadas. Os valores obtidos, analizando os datos adxuntos de 23h de funcionamento, son que a instalación de R-134a consumiu 37kWh fronte a instalación de R-134a que consumiu 43kWh. Analizando os resultados vese que ao existir unha parcialización de potencia do 50% na instalación de R-507A esto tamén contribuiu a menor consumo final por estar practicamente o 50% das 23h arrancada esa cámara co 50% de potencia frigorífica; o que tamén contribuiu a unha maior inestabilidade na temperatura interior na cámara de R-507A.
Levando a gráficos os valores acadados de temperatura interior de cámara apreciase unha maior estabilidade de temperatura ao usar o descarche por recuperación de calor fronte o descarche por resistencias eléctricas na cámara de R-507A.

Liñas futuras de investigación

Pasan por dous camiños ben diferenciados:

a) Mellora da propia instalación incorporando unha parcialización na montaxe de R-134a que lle permita mellorar o consumo non tendo simplemente funcionamento o 100% o cal provoca maior número de arrancadas-paradas co aumento conseguinte de consumos. Hai posibilidade de obtención de moitas máis variables e de xeito máis fiable ( en moitos casos simplemento facendo un estudo de reubicación de sondas), e sobre todo, máis versátil, é dicir, a mellora deste banco experimental de xeito que medre a súa capacidade para analizar multiplicidade de situacións diferentes.

b) O segundo é proxectar diferentes camiños de experimentación. Dentro da multiplicidade de liñas de investigación que hai na tecnoloxía do frío e dadas as particularidades e limitacións dun centro integrado de formación profesional, que aínda tendo capacidade de investigación,está bastante alonxada das posibilidades que poidan ter centros específicos desta actividade como poidan ser universidades ou empresas con capacidade de investigación e fondos económicos para protexer as innovacións, postúlanse dúas vías plausibles de traballo de investigación e de innovación no eido do frío no noso contexto educativo, como son:

I. Análise comparada de diferentes tipos de circuítos traballando co mesmo refrixerante, de xeito que, aínda resultando circuítos máis complexos, poidan ofrecer vantaxes dende o punto de vista da mellora da eficiencia enerxética e polo tanto da baixada dos consumos enerxéticos para cumprir unha fin concreta.

II. Análise do comportamento de diferentes tipos de refrixerantes, novos no mercado ou xa existentes, traballando no mesmo tipo de circuíto e baixo as mesmas situacións climáticas, a fin de clasificar a súas performances dependendo do contexto no que traballen.

Última modificación: xoves, 25 de xuño de 2020, 7:37 PM