Free Cooling industrial: cuándo el ambiente puede reducir el trabajo del chiller
Actualizado: hace 9 horas
Dry Cooler + chiller: cómo saber cuándo aprovechar el aire exterior, cuándo combinar ambas tecnologías y cuándo la refrigeración mecánica sigue siendo indispensable.
1. El ambiente también puede retirar calor
Cuando un proceso industrial necesita enfriamiento, con frecuencia pensamos primero en un chiller. La lógica parece sencilla: el proceso genera calor, el agua regresa caliente y el sistema frigorífico vuelve a reducir su temperatura.
Pero el compresor no es la única manera de retirar ese calor.
Si el aire exterior está suficientemente frío respecto al agua que regresa del proceso, también podemos transferir energía directamente hacia el ambiente mediante un intercambiador agua–aire. Éste es el principio detrás del Free Cooling.
La diferencia puede entenderse comparando dos recorridos térmicos.
Con refrigeración mecánica:
proceso → agua → evaporador del chiller → refrigerante → condensador → aire ambiente
Con Free Cooling mediante Dry Cooler:
proceso → agua → Dry Cooler → aire ambiente
En ambos casos el calor termina finalmente en la atmósfera. Lo que cambia es el camino utilizado para llegar hasta ella.
En el primer sistema necesitamos un ciclo frigorífico con compresor para elevar el nivel térmico del refrigerante y poder rechazar el calor. En el segundo aprovechamos directamente una diferencia favorable entre la temperatura del agua y la temperatura exterior.
Trane define el Free Cooling precisamente como el uso de condiciones exteriores favorables para reducir o evitar temporalmente la refrigeración mecánica. Cuando el aire exterior es suficientemente frío, un circuito hidráulico puede entregar su calor mediante un economizador o serpentín de Free Cooling y reducir el trabajo de los compresores. (trane.com)
Esto resulta especialmente interesante en procesos que necesitan enfriamiento durante todo el año.
Una máquina hidráulica, una línea de extrusión, un compresor o determinados procesos químicos pueden seguir generando calor durante una noche de invierno. Para el proceso sigue existiendo una carga térmica, aunque afuera la temperatura haya descendido considerablemente.
Entonces surge una pregunta razonable:
si el ambiente ya está suficientemente frío para recibir ese calor, ¿necesitamos que el compresor haga todo el trabajo?
Ésa es la pregunta que da origen al Free Cooling industrial.
2. Qué es realmente el Free Cooling industrial
El término puede prestarse a una interpretación incorrecta.
Free Cooling no significa enfriamiento con consumo eléctrico cero.
Todavía necesitamos mover agua y aire. Las bombas deben hacer circular el fluido y los ventiladores del Dry Cooler deben desplazar aire a través del serpentín. También pueden existir válvulas, controles y equipos auxiliares.
Trane utiliza precisamente las comillas al hablar de “free” cooling en sus documentos técnicos: el objetivo es reducir o eliminar el consumo asociado al compresor, no hacer desaparecer todo el consumo eléctrico del sistema. (trane.com)
La comparación correcta, por tanto, no es:
chiller consume energía / Dry Cooler no consume energía
sino:
refrigeración mecánica mediante compresor
frente a
transferencia de calor al ambiente mediante bombas y ventiladores.
Ésta es una diferencia importante porque un análisis serio debe considerar el consumo de todos los componentes.
También evita otro error: pensar que Free Cooling significa necesariamente sustituir el chiller.
En algunas condiciones podremos apagar completamente los compresores.
En otras, el ambiente sólo podrá retirar una parte de la carga y el chiller tendrá que completar el trabajo.
Y habrá momentos en los que el Dry Cooler no pueda aportar enfriamiento útil.
Por eso debemos pensar en tres modos diferentes:
Free Cooling total.
Free Cooling parcial.
Refrigeración mecánica.
El sistema puede pasar de uno a otro conforme cambian las condiciones exteriores y la carga del proceso.
3. El Dry Cooler no produce frío: acerca el agua a la temperatura ambiente
Para comprender cuándo existe Free Cooling debemos entender primero la principal limitación de un Dry Cooler.
Un termoconvector agua–aire toma el calor contenido en el agua y lo transfiere al aire exterior mediante un serpentín y ventiladores.
No utiliza un compresor frigorífico.
Por eso no puede producir arbitrariamente cualquier temperatura de agua.
El agua que sale del equipo permanecerá normalmente por encima de la temperatura de bulbo seco del aire exterior. Siempre necesitamos una diferencia térmica para que el calor pase del agua hacia el aire.
A esa diferencia se le suele llamar approach.
Conceptualmente:
Approach = temperatura de salida del agua − temperatura del aire exterior
La documentación de la línea IEMTCA de INENMEX utiliza como condición nominal una entrega de agua aproximadamente 5 °C por encima de la temperatura ambiente. Los equipos son termoconvectores agua–aire secos de circuito cerrado, en capacidades publicadas de 11 a 154 TRN. (inenmexslp.blogspot.com)
Esto nos proporciona una referencia muy útil para comprender el principio.
Si el aire exterior estuviera a:
15 °C
y utilizáramos como ejemplo un approach de:
5 °C
podríamos pensar conceptualmente en una temperatura de salida cercana a:
20 °C.
Pero hay que hacer una precisión importante.
Esos 5 °C no son una ley física ni una constante que podamos aplicar a cualquier condición de operación.
El approach real depende de la capacidad seleccionada, carga térmica, caudal de agua, superficie del serpentín, flujo de aire, temperatura ambiente, altitud y características del fluido.
Por eso utilizaremos 5 °C en los siguientes ejemplos solamente como una referencia nominal para entender la lógica del sistema, no como sustituto de una selección térmica.
4. La pregunta correcta no es si afuera hace frío
En una planta podemos escuchar:
“Hoy está fresco; deberíamos poder apagar el chiller.”
Pero “fresco” no es una condición de ingeniería.
Supongamos que tenemos un proceso que necesita:
agua de suministro: 20 °C
y regresa:
agua de retorno: 25 °C.
Es decir:
20 → proceso → 25 °C
El proceso está agregando suficiente calor para elevar cinco grados la temperatura del agua.
Ahora comparemos distintas temperaturas exteriores.
Si afuera tenemos 12 °C, la diferencia entre el agua caliente que regresa a 25 °C y el ambiente es considerable.
Con nuestro ejemplo de 5 °C de approach, un Dry Cooler podría conceptualmente aproximarse a:
12 + 5 = 17 °C.
Como sólo necesitamos regresar al proceso con agua a 20 °C, tenemos margen térmico suficiente.
En cambio, si afuera tenemos 18 °C, el límite conceptual sería:
18 + 5 = 23 °C.
El Dry Cooler puede enfriar el retorno de 25 °C, pero ya no puede producir los 20 °C que necesita el proceso.
Y si la temperatura exterior alcanza 25 °C, nuestro límite conceptual sería:
25 + 5 = 30 °C.
En esas condiciones el Dry Cooler ni siquiera puede enfriar útilmente un retorno que llega a 25 °C.
Por eso preguntar solamente:
“¿Qué temperatura hace afuera?”
es insuficiente.
Tenemos que compararla contra:
la temperatura a la que regresa el agua
y
la temperatura a la que necesitamos volver a suministrarla.
Aquí comienza realmente el análisis de Free Cooling.
5. Tres temperaturas que deciden si existe oportunidad de Free Cooling
Podemos simplificar el problema utilizando cuatro variables.
Ts = temperatura requerida de suministro
Tr = temperatura de retorno del proceso
Ta = temperatura ambiente exterior
A = approach del Dry Cooler
En nuestro ejemplo:
Ts = 20 °C
Tr = 25 °C
A = 5 °C, solamente como referencia nominal.
La temperatura mínima conceptual que podríamos esperar después del Dry Cooler sería aproximadamente:
Ta + A
A partir de ahí aparecen tres posibilidades.
Primera condición
Si:
Ta + A ≤ Ts
el Dry Cooler dispone de suficiente margen para alcanzar la temperatura requerida por el proceso.
Tenemos posibilidad de Full Free Cooling.
Segunda condición
Si:
Ts < Ta + A < Tr
el Dry Cooler puede enfriar el retorno, pero no hasta la temperatura requerida.
Tenemos posibilidad de Partial Free Cooling.
Tercera condición
Si:
Ta + A ≥ Tr
el Dry Cooler ya no dispone de una diferencia térmica útil para reducir la temperatura del retorno.
En ese momento necesitamos refrigeración mecánica y normalmente conviene evitar que el agua atraviese innecesariamente el Dry Cooler.
Esta comparación es solamente conceptual. La capacidad real del intercambiador disminuye conforme disminuye la diferencia de temperatura, por lo que una selección no puede hacerse exclusivamente con estas cuatro variables.
Pero como herramienta de diagnóstico es extremadamente útil.
Nos permite saber rápidamente si existe siquiera una ventana térmica que justifique estudiar Free Cooling.
6. Full Free Cooling: cuando el Dry Cooler puede cubrir toda la carga
Regresemos a nuestro circuito:
20 °C suministro → proceso → 25 °C retorno
Supongamos ahora:
Ta = 12 °C
y continuemos utilizando:
A = 5 °C
como referencia.
Entonces:
12 + 5 = 17 °C
El Dry Cooler dispone teóricamente de suficiente margen para producir agua por debajo de los 20 °C que necesita el proceso.
En realidad no tendría sentido enfriarla necesariamente hasta 17 °C. El control puede modular ventiladores, caudal o válvulas para mantener el suministro alrededor del valor requerido.
La ruta sería:
25 °C → Dry Cooler → 20 °C → proceso
El chiller puede permanecer apagado.
A esto se le denomina Full Free Cooling.
Trane describe precisamente esta condición: cuando el aire exterior es suficientemente frío, el circuito de Free Cooling puede proporcionar toda la capacidad requerida y los compresores permanecen fuera de operación. (trane.com)
Danfoss utiliza una lógica comparable en sus controladores: la regulación vigila la diferencia entre la condición exterior y el circuito de agua y puede desactivar los compresores cuando existe suficiente capacidad de Free Cooling. (danfoss.com)
Este es el escenario que normalmente imaginamos al hablar de Free Cooling.
Pero no necesariamente es el escenario que produce el mayor número de horas de aprovechamiento durante el año.
Para eso debemos considerar también el modo parcial.
7. Partial Free Cooling: cuando el ambiente puede hacer sólo una parte del trabajo
Ahora cambiemos únicamente la temperatura exterior:
Ta = 18 °C
Con nuestro approach conceptual:
18 + 5 = 23 °C
El proceso sigue regresando agua a:
25 °C
y necesita:
20 °C.
El Dry Cooler ya no puede realizar todo el enfriamiento.
Pero eso no significa que deje de ser útil.
Podría llevar el agua desde:
25 → 23 °C
y entregar después esa agua al chiller.
Entonces el chiller solamente tendría que realizar:
23 → 20 °C
en lugar de:
25 → 20 °C.
La ruta sería:
proceso 25 °C → Dry Cooler 23 °C → chiller 20 °C → proceso
Éste es el principio de Partial Free Cooling.
Trane describe este modo como una operación integrada donde el economizador o sistema de Free Cooling retira una parte de la carga y el chiller activo completa el enfriamiento restante. Sus guías de diseño señalan incluso que una configuración en serie permite utilizar agua previamente enfriada por el economizador para reducir la carga que posteriormente debe manejar el chiller. (trane.com)
Los sistemas con Free Cooling integrado siguen una lógica similar. Cuando la capacidad natural alcanza su límite pero todavía existe demanda, la refrigeración mecánica entra para complementar el enfriamiento. (trane.com)
Esta condición es particularmente importante porque amplía la cantidad de horas durante las cuales podemos aprovechar el ambiente.
No necesitamos esperar a que afuera haga suficiente frío para apagar completamente los compresores.
Puede existir valor térmico simplemente porque:
el Dry Cooler entregue al chiller agua más fría de la que regresa del proceso.
Por eso, al evaluar Free Cooling, no deberíamos calcular únicamente cuántas horas tendremos Full Free Cooling.
También debemos conocer cuántas horas existe Partial Free Cooling.
8. Cuando el Dry Cooler ya no ayuda y debe quedar en bypass
Si obligáramos al fluido a pasar por ese serpentín, no obtendríamos el precooling que buscamos. Dependiendo de las condiciones, incluso podríamos añadir calor al circuito.
Por eso una instalación híbrida necesita una estrategia de bypass.
La ruta deja de ser:
proceso → Dry Cooler → chiller
y pasa a:
proceso → bypass del Dry Cooler → chiller → proceso
Trane documenta instalaciones donde un Dry Cooler se coloca antes del chiller y una válvula de tres vías modifica el recorrido del agua. Durante condiciones frías, el agua utiliza el Dry Cooler; durante condiciones cálidas, el control lo bypassa para evitar que el ambiente vuelva a calentar el circuito. (trane.com)
Danfoss emplea el mismo principio de decisión en sistemas integrados: la función de Free Cooling sólo se habilita cuando existe una diferencia mínima entre la condición exterior y la temperatura del agua; si esa diferencia desaparece, el sistema vuelve a depender de refrigeración mecánica. (danfoss.com)
Esto nos permite resumir la primera parte del artículo en tres escenarios.
Ambiente suficientemente frío:
25 → Dry Cooler → 20 °CFull Free Cooling
Ambiente moderadamente frío:
25 → Dry Cooler → 23 → chiller → 20 °CPartial Free Cooling
Ambiente demasiado caliente:
25 → bypass → chiller → 20 °CRefrigeración mecánica
La diferencia entre los tres casos no está en el proceso: en todos necesitamos retirar la misma clase de carga térmica.
Lo que cambia es cuánto trabajo puede realizar el ambiente antes de que necesitemos recurrir al compresor.
Y esta conclusión abre la siguiente pregunta, que será fundamental para determinar si Free Cooling tiene sentido en una aplicación real:
¿qué sucede si en lugar de necesitar agua a 20 °C nuestro proceso puede trabajar a 30 °C, o si necesita agua a sólo 7 °C?
La respuesta cambia radicalmente la cantidad de horas durante las cuales podremos aprovechar el ambiente.
9. La temperatura del proceso.
Hasta ahora utilizamos un circuito que necesita agua a 20 °C y regresa a 25 °C. Pero la conclusión cambia radicalmente si el proceso puede trabajar a 30 °C o, por el contrario, necesita agua a 7 °C.
La razón es sencilla: un Dry Cooler depende de la diferencia entre la temperatura del fluido y la temperatura del aire exterior. Cuanto más alta sea la temperatura que acepta el proceso, más fácil resulta encontrar condiciones ambientales suficientemente frías para transferir el calor directamente.
Podemos verlo utilizando nuevamente, sólo como referencia conceptual, un approach de 5 °C, valor que aparece como condición nominal en la documentación de la línea IEMTCA de INENMEX. La capacidad real debe seleccionarse para cada aplicación; el cálculo siguiente únicamente nos ayuda a comprender la oportunidad térmica. (inenmex-slp.com)
Circuito del proceso | Ambiente aproximado para Full Free Cooling* | Zona conceptual de Partial Free Cooling* |
30 → 35 °C | Ta ≤ 25 °C | 25 < Ta < 30 °C |
20 → 25 °C | Ta ≤ 15 °C | 15 < Ta < 20 °C |
15 → 20 °C | Ta ≤ 10 °C | 10 < Ta < 15 °C |
7 → 12 °C | Ta ≤ 2 °C | 2 < Ta < 7 °C |
*Ejemplo conceptual con approach de 5 °C. No representa una selección garantizada de equipo.
La diferencia es enorme.
Un proceso que acepta agua a 30 °C podría aprovechar Free Cooling incluso durante muchas condiciones ambientales que consideraríamos templadas, mientras que un proceso que necesita agua a 7 °C requerirá temperaturas exteriores considerablemente más bajas.
Por eso Free Cooling no debería evaluarse diciendo únicamente:
“la planta está en una zona fría”.
La pregunta correcta es:
“¿qué tan fría debe estar el agua respecto al aire disponible?”
10. Agua a 30 °C y agua a 7 °C no representan el mismo problema
Este contraste merece especial atención porque permite evitar una de las interpretaciones más comunes del Free Cooling.
Los chillers industriales INENMEX se publican con una condición nominal de agua de salida de 7 °C en sus familias estándar. La línea IEMIAHD, por ejemplo, se publica entre 1.5 y 15 TRN con salida nominal de agua a 7 °C; la familia IEMIAS también utiliza esa condición de referencia. (inenmex-slp.com)
Eso no significa que todas las aplicaciones industriales necesiten agua a esa temperatura.
Un circuito hidráulico, un aceite enfriado indirectamente, un compresor, un proceso químico o determinada maquinaria pueden trabajar correctamente con agua considerablemente más caliente.
Supongamos que nuestro proceso necesita:
30 °C de suministro
y devuelve:
35 °C.
Con el ejemplo conceptual de 5 °C de approach, una temperatura exterior de 20 °C ofrecería margen suficiente para producir aproximadamente 25 °C después del Dry Cooler. Como sólo necesitamos 30 °C, tenemos margen de sobra para regular el sistema.
El Dry Cooler podría cubrir la carga sin refrigeración mecánica.
Ahora comparemos un chiller trabajando con:
7 °C suministro → 12 °C retorno.
Para obtener 7 °C utilizando el mismo approach conceptual, necesitaríamos aproximadamente:
2 °C de temperatura exterior.
Y para lograr siquiera un precooling significativo del retorno a 12 °C necesitaríamos un ambiente por debajo de aproximadamente 7 °C.
Esto no significa que Free Cooling sea imposible en un circuito de agua helada. Existen chillers comerciales específicamente diseñados con serpentines de Free Cooling integrados y controles capaces de combinar refrigeración natural y mecánica. Trane y Danfoss documentan precisamente sistemas donde el Free Cooling actúa como primera etapa y los compresores complementan la capacidad cuando la temperatura exterior ya no es suficientemente baja.
Pero la cantidad de horas disponibles será muy diferente.
Podemos resumirlo así:
Cuanto más alta sea la temperatura de agua que acepta el proceso, mayor puede ser la ventana anual de Free Cooling.
Esta relación es probablemente más importante que la capacidad nominal del Dry Cooler cuando apenas estamos evaluando si la estrategia vale la pena.
11. ¿Dry Cooler solo o Dry Cooler + chiller?
La investigación nos lleva a tres arquitecturas posibles.
La primera es la más sencilla:
Dry Cooler como única fuente de enfriamiento
Tiene sentido cuando el proceso acepta una temperatura suficientemente alta y las condiciones ambientales permiten mantenerla durante las horas críticas de operación.
La ruta sería:
proceso → Dry Cooler → proceso
Si esta solución puede cumplir durante todo el rango climático de diseño, agregar un chiller únicamente para hablar de Free Cooling no tendría sentido.
La segunda posibilidad es un sistema híbrido:
Dry Cooler + chiller
Aquí sabemos que habrá momentos en los que el ambiente pueda retirar toda o parte de la carga, pero también habrá condiciones en las que necesitemos refrigeración mecánica.
La ruta conceptual puede ser:
proceso → Dry Cooler → chiller → proceso
En condiciones frías, el chiller permanece detenido.
En condiciones intermedias, el Dry Cooler reduce la temperatura y el chiller completa el trabajo.
En condiciones cálidas, el Dry Cooler puede quedar fuera mediante un bypass y el chiller atiende la carga.
Trane describe precisamente el Free Cooling como un sistema capaz de operar tanto en modo total como parcial: si el aire exterior puede satisfacer toda la demanda, los compresores permanecen apagados; si sólo cubre parte de la carga, la refrigeración mecánica complementa el enfriamiento.
La tercera posibilidad también debe permanecer abierta:
Sólo chiller
Si el proceso necesita una temperatura muy baja y el clima ofrece pocas horas aprovechables, la inversión adicional en Dry Cooler, tuberías, control y bombeo puede no justificarse.
Por eso Free Cooling tampoco debe convertirse en una solución que intentemos incorporar a todas las instalaciones.
12. Cómo se combinan físicamente un Dry Cooler y un chiller
Para explicar el principio, la configuración más intuitiva es colocar el Dry Cooler antes del chiller.
La secuencia sería:
retorno del proceso → Dry Cooler → chiller → suministro al proceso
Pero necesitamos agregar una segunda ruta:
retorno del proceso → bypass del Dry Cooler → chiller
El sistema de control decide cuál utilizar.
Cuando el ambiente ofrece margen térmico, el agua atraviesa el Dry Cooler.
Cuando la temperatura exterior ya no permite retirar calor útil, una válvula puede desviar el flujo para evitar que el agua atraviese innecesariamente el serpentín exterior.
Conceptualmente:
MODO FRÍO
25 °C retorno ↓ Dry Cooler ↓ 20 °C ↓ Proceso
MODO INTERMEDIO
25 °C retorno ↓ Dry Cooler ↓ 23 °C ↓ Chiller ↓ 20 °C ↓ Proceso
MODO CÁLIDO
25 °C retorno ↓ Bypass Dry Cooler ↓ Chiller ↓ 20 °C ↓ Proceso
Los sistemas comerciales de Free Cooling utilizan exactamente esta filosofía. Danfoss documenta controles que desvían el retorno del sistema hacia un serpentín de Free Cooling cuando la diferencia respecto al aire exterior es favorable; Trane utiliza igualmente el Free Cooling como primera etapa antes de habilitar la capacidad de compresores.
La instalación real necesitará además considerar bombas, válvulas de retención, expansión, purga de aire, drenaje, protección contra congelamiento, instrumentación y estrategia de control.
13. Serie, paralelo y circuitos separados: no existe una sola arquitectura
Colocar el Dry Cooler en serie con el chiller es fácil de entender, pero no es la única posibilidad.
Una instalación puede diseñarse en serie, de manera que ambos equipos vean el mismo caudal y el Dry Cooler actúe primero sobre el retorno.
También pueden existir configuraciones en paralelo, donde válvulas de control deciden si el flujo pasa por una ruta de Free Cooling o por la ruta de refrigeración mecánica.
Trane ha estudiado estas diferencias en sistemas con economizadores de agua. En arreglos paralelos, el economizador puede comportarse de forma más cercana a un esquema “todo o nada”; en serie es más sencillo aprovechar simultáneamente el enfriamiento natural y dejar que el equipo posterior atienda la carga restante.
No podemos trasladar automáticamente cada diagrama de una planta HVAC a cualquier proceso industrial, pero el principio sí resulta útil:
la forma de conectar los equipos determina si podemos aprovechar Free Cooling parcial o únicamente Free Cooling total.
Existe además otra posibilidad importante: separar circuitos mediante un intercambiador de calor.
Por ejemplo:
circuito de proceso → intercambiador → circuito exterior con glicol → Dry Cooler
Esta arquitectura puede ser útil cuando no queremos llevar el fluido del proceso directamente al exterior, cuando necesitamos diferente calidad de agua en cada circuito o cuando el circuito exterior requiere protección contra congelamiento.
Pero cada intercambio adicional introduce también una diferencia de temperatura.
Es decir, un intercambiador adicional protege y separa circuitos, pero también consume parte del margen térmico disponible.
Eso debe considerarse desde el diseño.
14. El control decide cuándo cada equipo debe trabajar
Podemos tener un excelente Dry Cooler y un buen chiller, pero si ambos trabajan sin una lógica coordinada podemos perder parte de la ventaja que buscábamos.
El control necesita conocer al menos tres temperaturas:
retorno del proceso
suministro requerido
aire exterior
A ellas se pueden añadir caudal, carga, estado de bombas, velocidad de ventiladores y condición del chiller.
Danfoss documenta una lógica de Free Cooling basada precisamente en la diferencia mínima entre la temperatura exterior y la temperatura del agua. Cuando esa diferencia es suficiente se habilita Free Cooling; si el aire exterior baja lo suficiente, los compresores pueden apagarse. También incorpora histéresis y retardos para evitar cambios continuos de estado.
Trane utiliza una filosofía semejante: Free Cooling entra como primera etapa de capacidad y los compresores se incorporan cuando el enfriamiento natural ya no puede satisfacer toda la demanda.
Esto permite introducir un concepto muy útil:
Trim cooling
El Dry Cooler retira todo el calor que las condiciones exteriores permitan.
El chiller retira solamente el resto.
Conceptualmente:
Carga térmica total = carga cubierta por Free Cooling + carga restante para el chiller
Esto evita pensar en ambos equipos como si necesariamente tuvieran que operar simultáneamente a plena capacidad.
La estrategia óptima consiste en utilizar el recurso térmico disponible en cada momento.
15. Free Cooling no significa consumo cero
El nombre puede dar lugar a una expectativa incorrecta.
Incluso cuando el compresor está detenido, todavía necesitamos mover aire y agua.
Los ventiladores del Dry Cooler consumen electricidad.
Las bombas consumen electricidad.
Las válvulas y controles necesitan energía.
Además, cualquier serpentín, intercambiador, tubería adicional o concentración de glicol introduce pérdida de presión que la bomba tendrá que vencer.
Por eso una evaluación energética correcta debe hacerse sobre el sistema completo, no únicamente sobre el chiller.
Trane advierte precisamente que un economizador de agua modifica los puntos de operación de bombas y chillers, y que la comparación energética debe considerar el efecto global de la configuración. En determinados arreglos, una estrategia mal seleccionada incluso puede reducir o eliminar parte del beneficio esperado.
La pregunta económica debería ser:
¿cuánta energía de refrigeración mecánica evitamos?
menos
¿cuánta energía adicional necesitamos para bombas, ventiladores y pérdidas hidráulicas?
A ello debemos agregar inversión, mantenimiento y horas reales de aprovechamiento.
Por eso sería incorrecto publicar afirmaciones como:
“Free Cooling ahorra 30 % de energía.”
El porcentaje puede ser muy alto en una aplicación y prácticamente nulo en otra.
Depende de la temperatura requerida, el clima, las horas de funcionamiento, la carga y el comportamiento del sistema a carga parcial.
16. El glicol protege, pero también modifica el sistema
Colocar un Dry Cooler en el exterior introduce una consideración que puede pasar desapercibida durante el diseño: el circuito estará expuesto a la temperatura ambiente incluso cuando la planta esté detenida.
Si existe riesgo de congelamiento, tendremos que proteger el fluido.
Una alternativa habitual es utilizar mezclas de agua con glicol.
Pero añadir glicol no consiste únicamente en evitar que el agua se congele.
La concentración modifica propiedades del fluido.
Dow señala que, conforme aumenta la concentración de glicol, mejora la protección frente a congelamiento, pero también aumenta la viscosidad. Como resultado, puede aumentar la energía de bombeo necesaria para mantener el caudal requerido.
También cambia el comportamiento térmico.
Los fluidos con glicol no tienen exactamente el mismo calor específico, conductividad térmica o viscosidad que el agua pura, por lo que intercambiadores, bombas y Dry Coolers deben seleccionarse utilizando las propiedades reales de la mezcla.
Dow señala, por ejemplo, que los fluidos basados en etilenglicol suelen presentar menor viscosidad que los de propilenglicol a condiciones comparables, con consecuencias en transferencia térmica y potencia de bombeo. La elección entre ambos depende además de requisitos de seguridad y aplicación.
Esto abre dos posibilidades de diseño.
Podemos utilizar:
agua–glicol en todo el circuito
o separar:
circuito interior de agua → intercambiador → circuito exterior con glicol → Dry Cooler
La segunda alternativa mantiene glicol fuera del proceso, pero agrega un intercambiador y, con él, una nueva diferencia de temperatura y pérdida hidráulica.
Por eso la protección contra congelamiento debe formar parte del balance completo.
El objetivo no es añadir la mayor cantidad posible de glicol.
Es utilizar la concentración necesaria para las condiciones climáticas y de seguridad del proyecto, considerando al mismo tiempo sus efectos térmicos e hidráulicos.
Al terminar esta segunda parte podemos hacer una distinción mucho más precisa.
Un sistema de Free Cooling no se define simplemente porque tenga un Dry Cooler y un chiller.
Se define porque existe una estrategia que sabe:
cuándo el ambiente puede cubrir toda la carga,
cuándo puede cubrir solamente una parte
y
cuándo debemos dejar de utilizarlo y depender de refrigeración mecánica.
17. Altitud y temperatura ambiente: dos condiciones que afectan al Dry Cooler
Hasta ahora hemos utilizado la temperatura exterior como la principal variable para saber cuánto calor puede retirar un Dry Cooler. En una instalación real necesitamos añadir otra condición: la altitud.
Un Dry Cooler depende del paso de una determinada masa de aire a través de su serpentín. Conforme aumenta la altitud disminuye la densidad del aire; por ello, el mismo volumen desplazado por un ventilador representa una masa menor que a nivel del mar.
Esto significa que no debemos seleccionar un equipo utilizando únicamente:
capacidad requerida + temperatura ambiente.
También necesitamos conocer la elevación del sitio.
Los procedimientos de evaluación térmica para Dry Coolers consideran explícitamente la densidad del aire. EVAPCO, por ejemplo, establece que la densidad utilizada durante una prueba de desempeño de un Dry Cooler debe calcularse para aire seco bajo las condiciones reales del ensayo. (evapco.com)
Alfa Laval hace una precisión similar al publicar capacidades de Dry Coolers: sus condiciones nominales se refieren a nivel del mar y presión atmosférica normal, mientras que la selección definitiva debe realizarse con las condiciones reales de temperatura, fluido y capacidad. (alfalaval.com)
Esto es especialmente relevante para una aplicación en San Luis Potosí.
No significa que un Dry Cooler deje de funcionar por estar instalado a gran altitud. Significa que su capacidad real debe evaluarse para esa ubicación, igual que hacemos con temperatura ambiente, caudal y propiedades del fluido.
Por tanto, dos plantas que requieren la misma temperatura de agua y trabajan con el mismo clima aparente podrían necesitar selecciones distintas si una está a nivel del mar y otra se encuentra cerca de los 2,000 metros de elevación.
18. San Luis Potosí: ¿existe una oportunidad real de Free Cooling?
San Luis Potosí ofrece un caso interesante precisamente por su combinación de altitud y clima.
La estación climatológica 24069 del Servicio Meteorológico Nacional se encuentra en el municipio de San Luis Potosí a 1,870 metros sobre el nivel del mar. Sus normales climatológicas 1991–2020 muestran una temperatura media anual de aproximadamente 18 °C. Las temperaturas máximas normales mensuales van desde unos 20.8 °C en enero hasta 29.2 °C en mayo, mientras que las mínimas normales van aproximadamente de 6.5 °C en enero hasta 15 °C en junio. (smn.conagua.gob.mx)
Estos datos no permiten afirmar todavía cuántas horas al año podremos utilizar Free Cooling.
Pero sí permiten comprender por qué la temperatura requerida por el proceso cambia completamente el análisis.
Si un circuito necesita agua a 30 °C, una gran cantidad de las condiciones habituales de San Luis Potosí están por debajo de esa temperatura. Con un Dry Cooler correctamente seleccionado podría existir una ventana considerable para rechazar calor directamente al ambiente.
Si necesitamos agua a 20 °C, las condiciones nocturnas, invernales y de temporadas frescas se vuelven especialmente interesantes.
Pero si queremos producir agua a 7 °C, el panorama cambia radicalmente. Incluso las mínimas normales de enero están alrededor de 6.5 °C. Para alcanzar 7 °C con un Dry Cooler necesitaríamos además el margen correspondiente al approach, por lo que las horas útiles para Full Free Cooling serían mucho más limitadas.
Los registros históricos muestran que San Luis Potosí puede experimentar temperaturas bajo cero, pero un extremo climático no debe utilizarse para justificar una inversión cuya rentabilidad depende de cientos o miles de horas de operación. (smn.conagua.gob.mx)
La conclusión preliminar es mucho más útil:
San Luis Potosí puede ser favorable para Free Cooling, pero la oportunidad aumenta considerablemente cuando el proceso acepta temperaturas de agua moderadas o altas.
La ubicación por sí sola no determina si el proyecto tiene sentido.
19. Dónde puede tener más sentido en manufactura
Free Cooling adquiere mayor interés en procesos que generan calor durante muchas horas del año y que no necesitan necesariamente agua helada.
Un buen candidato podría ser un circuito hidráulico cuya temperatura se mantiene mediante un intercambiador agua–aceite. El aceite entrega calor al agua y posteriormente esa agua necesita rechazarlo. Si la temperatura requerida permite trabajar suficientemente por encima del ambiente, un Dry Cooler puede convertirse en el principal equipo de rechazo.
Una situación similar puede aparecer en compresores, maquinaria, circuitos auxiliares, determinados procesos químicos, electrónica industrial y algunas aplicaciones de transformación de plásticos.
La industria del plástico ofrece un ejemplo especialmente útil porque existen sistemas comerciales que combinan rechazo central mediante aire ambiente con refrigeración mecánica únicamente donde es necesaria. Frigel documenta sistemas en los que el enfriamiento central utiliza el ambiente y los chillers dedicados entran únicamente cuando la temperatura requerida por el molde o proceso está por debajo de la disponible en el circuito central. (frigel.com)
En otras palabras, una misma fábrica puede tener dos necesidades térmicas diferentes.
Una parte del proceso puede aceptar agua templada.
Otra puede necesitar agua considerablemente más fría.
En lugar de obligar al chiller central a producir permanentemente la temperatura más baja para toda la planta, puede tener sentido separar las necesidades.
Esto introduce una pregunta de diseño mucho más interesante:
¿qué parte de nuestra carga realmente necesita refrigeración mecánica?
20. Un Dry Cooler también puede demostrar que no necesitamos un chiller
Cuando hablamos de Free Cooling es fácil imaginar automáticamente dos equipos:
Dry Cooler + chiller.
Pero esa conclusión tampoco debería darse por adelantado.
Si un proceso necesita agua a 30 °C y la selección demuestra que un Dry Cooler puede mantener esa condición incluso durante el ambiente máximo de diseño, el sistema frigorífico puede resultar innecesario.
La ruta completa sería simplemente:
proceso → Dry Cooler → proceso
Esto ocurre porque el objetivo no es instalar dos tecnologías.
El objetivo es mantener la temperatura que el proceso realmente necesita.
Frigel utiliza este principio en sus sistemas de enfriamiento de proceso: cuando el agua central disponible se encuentra por debajo de la temperatura requerida en la máquina, el compresor puede detenerse y el circuito utiliza directamente esa fuente de enfriamiento. (frigel.com)
Esta posibilidad es particularmente relevante para INENMEX porque la familia IEMTCA está concebida precisamente como un sistema agua–aire seco de circuito cerrado, disponible actualmente de 11 a 154 TRN. (inenmex-slp.com)
Por eso una conversación comercial no debería comenzar con:
“¿qué tamaño de chiller necesita?”
Puede comenzar con:
“¿qué temperatura necesita realmente mantener?”
Si esa temperatura puede conseguirse utilizando el ambiente durante toda la condición de diseño, el Dry Cooler puede ser suficiente.
21. Cuándo la combinación Dry Cooler + chiller sí es especialmente interesante
La combinación cobra mayor sentido cuando existen dos condiciones simultáneas.
La primera es que el proceso necesite control térmico durante todo el año.
La segunda es que durante una parte significativa de ese tiempo el ambiente sea suficientemente frío para retirar todo o parte del calor, pero no durante las condiciones más cálidas.
Consideremos nuevamente un proceso que necesita:
20 °C de suministro → 25 °C de retorno.
Durante una noche fría el Dry Cooler puede cubrir la carga completa.
Durante una tarde templada puede retirar solamente parte de ella.
Durante un día cálido el chiller debe asumir la carga.
La ventaja de esta arquitectura es que no sacrificamos la capacidad para trabajar durante el verano.
Conservamos refrigeración mecánica para cuando resulta necesaria, pero podemos evitar pedirle al compresor el mismo trabajo durante todo el año.
Ésa es una diferencia importante frente a dimensionar únicamente un Dry Cooler para condiciones medias.
El sistema híbrido tiene que ser capaz de operar durante la condición desfavorable, no solamente durante las horas en que existe Free Cooling.
Por eso el chiller no se selecciona necesariamente para una capacidad menor sólo porque exista un Dry Cooler. La decisión depende de qué nivel de respaldo y capacidad necesita el proceso cuando el ambiente ya no ayuda.
En una aplicación crítica, el chiller podría seguir teniendo que cubrir por sí solo toda la carga de diseño.
Free Cooling reduciría entonces horas de operación y carga mecánica, pero no necesariamente la capacidad instalada.
22. Qué información necesitamos antes de hablar de ahorro
Una frase como:
“Con Free Cooling podemos ahorrar energía”
es técnicamente cierta como posibilidad, pero insuficiente para una propuesta.
Antes de estimar ahorro necesitamos conocer las condiciones reales del proceso. Como mínimo debemos obtener la temperatura requerida de suministro y retorno, el caudal, la carga térmica y su variación, horarios y meses de funcionamiento, ubicación de la planta, condiciones climáticas horarias, altitud, tipo y concentración de fluido, pérdidas hidráulicas, potencia de bombas y ventiladores, comportamiento del chiller a carga parcial y estrategia de control.
También debemos saber si el proceso trabaja las 24 horas.
Una planta que opera solamente de 08:00 a 17:00 no puede aprovechar una madrugada fría si las máquinas están detenidas.
Otra planta que opera 24/7 puede tener una situación completamente diferente aunque ambas se encuentren en el mismo parque industrial.
Lo mismo ocurre con la estacionalidad.
Si la carga térmica aparece principalmente durante verano, la ventana de Free Cooling puede ser pequeña.
Si existe durante todo el año, las noches y meses fríos adquieren mayor valor.
Por eso el ahorro no depende únicamente del clima.
Depende de la coincidencia entre clima favorable y demanda de enfriamiento.
23. Cómo estimar una ventana anual de Free Cooling
Éste es el punto en el que podemos pasar de una idea interesante a una evaluación cuantificable.
Las normales climatológicas mensuales sirven para saber si una ubicación parece prometedora, pero no son suficientes para calcular horas de Free Cooling.
Para eso necesitamos información meteorológica horaria.
El procedimiento conceptual sería tomar cada hora del año y comparar la temperatura exterior contra los límites térmicos del sistema.
Por ejemplo, si tenemos:
Ts = 20 °C
Tr = 25 °C
y un approach de diseño determinado por la selección del Dry Cooler, podemos clasificar cada hora como:
Full Free Cooling, cuando el ambiente permite alcanzar el suministro requerido.
Partial Free Cooling, cuando puede enfriar el retorno pero no llegar al suministro.
Sin Free Cooling útil, cuando ya no existe margen suficiente.
Posteriormente debemos cruzar esas horas con el calendario de funcionamiento de la planta.
Una temperatura exterior favorable a las 03:00 no genera ahorro si la línea permanece apagada.
Después necesitamos incorporar la carga real.
No todas las horas representan las mismas toneladas de refrigeración.
Finalmente calculamos cuánta energía consumiría el sistema exclusivamente con chiller y cuánta utilizaría la estrategia alternativa incluyendo compresores, bombas y ventiladores.
Esta última etapa es importante. Trane muestra en sus estudios de economizadores que reducir el consumo del chiller no garantiza automáticamente reducir en la misma proporción el consumo de toda la planta. En determinados arreglos, bombas y equipos auxiliares pueden consumir suficiente energía como para reducir el beneficio esperado. (trane.com)
Por tanto, el análisis correcto no debería terminar con:
“tenemos 2,000 horas frías”.
Debe terminar con:
“durante estas horas, con esta carga y esta arquitectura, ésta es la cantidad de refrigeración mecánica que podemos evitar”.
24. ¿Dónde pueden participar los equipos INENMEX?
Esta aplicación conecta directamente tres funciones térmicas diferentes.
El termoconvector IEMTCA puede utilizar el aire ambiente para retirar calor de un circuito líquido cuando existe suficiente diferencia de temperatura. La línea publicada cubre de 11 a 154 TRN. (inenmex-slp.com)
El chiller produce agua fría cuando la temperatura requerida está por debajo de lo que puede obtenerse mediante rechazo directo al ambiente. INENMEX dispone actualmente de familias IEMIAHD de 1.5 a 15 TRN, IEMIAH de 20 a 60 TRN e IEMIAS de 20 a 160 TRN. (inenmex-slp.com)
Un intercambiador de calor puede intervenir cuando necesitamos separar el circuito de proceso del circuito exterior, utilizar fluidos diferentes o proteger determinada calidad de agua.
Pero la presencia de estas tres familias en el portafolio no significa que las tres deban utilizarse en todos los proyectos.
Una aplicación puede necesitar solamente el Dry Cooler.
Otra solamente el chiller.
Otra puede justificar una combinación.
Y otra puede requerir además un intercambiador entre los circuitos.
La selección correcta surge de seguir el calor:
¿dónde se genera?
¿a qué temperatura debe permanecer el proceso?
¿qué fluido lo transporta?
¿qué temperatura tenemos disponible afuera?
Sólo después elegimos la tecnología.
25. Conclusión: antes de encender el compresor, revisemos cuánto trabajo puede hacer el ambiente
Free Cooling no sustituye automáticamente a la refrigeración mecánica.
Tampoco depende simplemente de que sea invierno.
Es una oportunidad que aparece cuando existe suficiente diferencia térmica entre el proceso y el ambiente exterior.
Un circuito que necesita agua a 30 °C puede encontrar oportunidades durante una gran cantidad de condiciones ambientales.
Otro que necesita 20 °C tendrá una ventana menor.
Y uno que exige 7 °C puede depender de refrigeración mecánica durante prácticamente toda la operación, salvo condiciones especialmente frías.
Por eso la pregunta fundamental no es:
“¿podemos instalar un Dry Cooler junto al chiller?”
La pregunta es:
“¿durante cuántas horas el ambiente puede retirar por sí mismo una parte útil de la carga?”
A partir de esa respuesta podemos decidir si necesitamos:
Dry Cooler, chiller o una combinación de ambos.
El objetivo final no es agregar equipos.
Es utilizar cada tecnología únicamente cuando proporciona una ventaja térmica.
26. ¿Tu proceso podría aprovechar Free Cooling?
Si tu proceso necesita enfriamiento durante todo el año, quizá exista una parte de esa carga que pueda rechazarse directamente al ambiente antes de recurrir a refrigeración mecánica.
Para hacer una primera evaluación necesitamos conocer la temperatura de suministro que requiere el proceso, temperatura de retorno, caudal, ubicación de la planta, horario de funcionamiento y carga térmica aproximada.
Con esos datos podemos comenzar a determinar si la aplicación tiene potencial para trabajar con un Dry Cooler, necesita un chiller durante todo el año o puede beneficiarse de una arquitectura híbrida.
Antes de hablar de ahorro, primero determinamos cuándo existe realmente una ventana térmica para aprovechar el ambiente.
INENMEX SLP | Ingeniería en control térmico industrial para la manufactura potosina.
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