CASO REAL: SIMULACIONES TERMODINAMICAS EN SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN Y TÉRMICOS

En este artículo vamos a efectuar una aproximación teórica sobre la viabilidad y eficacia de las simulaciones termodinámicas en plantas de refrigeración.

A la hora de modelar el sistema de refrigeración es importante definir la estructura del modelo usado.

Así en la figura de abajo se observa que el modelo queda fijado una vez que los componentes del ciclo están caracterizados, se ha definido el ciclo de refrigeración correctamente y se han determinado una serie de variables apropiadas y necesarias para el proceso.

 

En nuestro caso estas variables pueden categorizarse en:

  • Inputs : donde se incluyen entre otras las medidas reales obtenidas de magnitudes del proceso frigorífico
  • Parámetros del sistema de refrigeración: donde se reflejan algunas propiedades internas de los equipos a modelar, tipo de sistema de refrigeración…
  •  Outputs: variables que queremos calcular mediante el modelo del sistema general ( capacidades, potencias…)

La integración de sistemas de supervisión energética con herramientas de simulación de sistemas de refrigeración de cara a evaluar rendimientos y proponer mejoras energéticas en las plantas no es una práctica extendida entre las empresas del sector de la refrigeración industrial , ni entre las empresas de automatización o consultoras energéticas que auditan instalaciones de refrigeración industrial, que en muchas ocasiones simplemente tomando  una serie de datos en campo como presiones, temperaturas y caudales y analizando las desviaciones de estos valores respecto de los valores esperados pretenden evaluar el rendimiento de la planta, sin considerar ni la variabilidad en las condiciones de trabajo de la planta a lo largo del año, ni el cálculo de  las variables que afectan al rendimiento de la instalación para cualquier condición de trabajo que se reproduzca en la planta.

Un análisis y conducción eficiente de cualquier planta, sobretodo aquellas cuyo consumo es importante, necesita de herramientas de este tipo para contrastar la información recibida a través de scadas y/o herramientas informáticas de monitorización y medición de consumos, necesarias para saber cómo funciona la planta con la información que proporcionan las herramientas de simulación, necesarias para saber cómo debería funcionar la planta .

Las herramientas de simulación que sirven de base para comparar escenarios de trabajo reales( medidos y registrados previamente por el sistema de supervisión energética) respecto a los óptimos( simulados maximizando el COP global de la planta) permiten no solamente cuantificar los ahorros que se pueden generar en la planta si cambian las condiciones de trabajo,productivas o climáticas, sino que permiten optimizar el control de la planta al ser capaces de determinar las mejores secuencias y regulaciones de capacidad, mecánica y/o eléctrica, de los equipos que conforman la planta, como compresores o condensadores.

Así, en Enerlogix, trabajamos en el desarrollo de sistemas simulados que para cualquier condición de trabajo presente en la planta determinen qué compresores deberían estar en marcha, su secuencia, la capacidad total o parcial a la que habrían de funcionar bajo las condiciones de trabajo presentes( % o rpm) , las presiones de trabajo óptimas tanto en aspiración como en descarga o cuántas etapas de ventilación, por ejemplo, han de estar en funcionamiento para en función de la presión óptima de condensación y los compresores en funcionamiento poder disipar todo el calor necesario al medio condensante con un mínimo consumo.

Respecto a la complejidad de las simulaciones ha de llegarse a una solución de compromiso entre, por una parte, el grado de exactitud que se quiera obtener entre los resultados obtenidos teóricos y los experimentales y por otra, la complejidad de la propia simulación, los límites computacionales( fundamentalmente por problemas de convergencia en la soluciones matemáticas ) y la cantidad de información que se dispone acerca de los componentes de la instalación y que generalmente suministran los proveedores de dichos equipos.

Los modelos puramente matemáticos( “ modelo caja negra”) si bien sirven adecuadamente para poder caracterizar equipos individuales y para elaborar catálogos de equipos , no lo son tanto si de lo que se trata es de hacer interaccionar estos equipos entre sí, debido a los problemas de convergencia en las ecuaciones presentes, muchas veces de difícil solución analítica y debido sobretodo a la falta de significado físico del modelo, que impide que la “intuición” física del desarrollador de la simulación partícipe del proceso.

Para obtener buenas aproximaciones han de considerarse una gran cantidad de puntos experimentales y considerar que la extrapolación a condiciones de trabajo diferentes puede resultar errónea ya que muchas de las ecuaciones así obtenidas pueden presentan anomalías en los contornos o fronteras de trabajo.

Por otra parte, los modelos puramente físicos(“ modelo caja blanca”), deterministas y que pretenden describir todos los fenómenos físicos que ocurren en el sistema, requieren del conocimiento y uso de parámetros geométricos de los equipos o componentes individuales( a veces imposibles de conseguir al formar parte de las características de diseño del equipo y que los fabricantes guardan celosamente) y si bien, no necesitan de mediciones experimentales y son los modelos más completos y con más significado físico, también los son en complejidad y requieren de gran tiempo de programación y desarrollo, incluso para expertos en la materia.

Son modelos que tienen más sentido en el proceso de diseño de un equipo , como en baterías de evaporadores, intercambiadores de calor, válvulas…Incluso en un compresor la complejidad sería tal que se requerirían aproximaciones experimentales o resultados obtenidos a través de técnicas computacionales en dinámica de fluidos( CFD).

Los modelos teóricos-experimentales(“modelos caja gris”) integran ambos aspectos, asumiendo modelos físicos más simplificados  y por tanto sin perder el significado físico del proceso a simular pero combinándolo con parámetros adimensionales obtenidos o bien de datos suministrados del fabricante o bien mediantes tests experimentales.

El «tono gris del modelo» y por tanto su exactitud y complejidad dependerá del grado de desarrollo de los modelos físicos presentes.

Estos parámetros adimensionales han de seleccionarse adecuadamente y siempre a ser posible con el mayor significado físico posible; de esta manera se podrán detectar funcionamientos anómalos o no previstos de los componentes de la instalación e incluso evitar averías si con el paso del tiempo estos parámetros se alejan de los valores previstos.

Los modelos teóricos experimentales, consideramos, que son los más recomendables para efectuar un análisis del funcionamiento frigorífico de una planta y evaluar el rendimiento teórico y el real de la instalación, realizar auditorías energéticas con propuestas de mejora tanto en sustitución de componentes como en mejoras en control y para ser usado, en definitiva, como herramienta de decisión para la mejora continua de un sistema de refrigeración o cualquier otro proceso térmico.

En Enerlogix optamos por el desarrollo de este tipo de modelos teórico-experimentales, integrando modelos físicos y matemáticos, que van más allá de los modelos estadísticos basados en patrones sacados de minería datos, potenciando en los modelos un significado físico que conduzca a la posibilidad posterior de aplicar los resultados en las instalaciones.

Las figuras que mostramos a continuación son ejemplos concretos desarrollados con diversos resultados obtenidos a través de simulaciones teórico-experimentales de un compresor alternativo, uno de tornillo  y un condensador evaporativo.

Rendimiento de compresor alternativo Sabroe 108 L de 8 cilindros con NH3 en función de diferentes  temperaturas de evaporación y condensación

Rendimiento de compresor de tornillo Mycom 250 VM-L para un Tcd=30ºC y Tev=-8ºC a 2950 rpm para diferentes desplazamientos de la válvula corredera

Factor de Capacidad de condensador evaporativo Evapco LSCB-295 en función de la temperatura húmeda del aire Twb,su,cd y para diferentes temperaturas de condensación Tcd

También en Enerlogix hemos desarrollado para nuestros clientes modelos de dinámica de fluidos y transferencia de calor, por ejemplo, para cálculo de pérdidas de carga y temperatura de fluidos en régimen bifásico, donde predecimos el tipo de flujo en tubería , las velocidad de las fases del fluido, densidades,etc.

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