Há uma razão pela qual as grandes instalações utilizam quase sempre chillers arrefecidos a água. Não se trata de complexidade ou custo inicial - trata-se de eficiência. Um chiller industrial arrefecido a água bem concebido pode utilizar significativamente menos eletricidade do que uma unidade arrefecida a ar que faça o mesmo trabalho. Ao longo de anos de funcionamento, essa diferença traduz-se em dinheiro real.
Depois de analisar as facturas de energia das fábricas que mudaram de refrigeração a ar para refrigeração a água, as poupanças são difíceis de ignorar. Mas porque é que são exatamente mais eficientes? A resposta tem a ver com a forma como o calor é rejeitado e como os compressores funcionam.
Este é um olhar sobre a física e a engenharia por detrás da razão pela qual um refrigerador industrial arrefecido a água ganha em eficiência.
A física básica por detrás da eficiência dos chillers industriais arrefecidos a água
A eficiência de um chiller resume-se a uma coisa: o esforço que o compressor tem de fazer para mover o calor do evaporador para o condensador. Quanto mais baixa for a temperatura do condensador, menor é o trabalho do compressor.
Ar vs. Água como meio de transferência de calor
O ar é um fluido de transferência de calor terrível em comparação com a água. Tem baixa condutividade térmica e baixo calor específico. A água, pelo contrário, é excelente a transportar o calor. É por isso que os radiadores dos automóveis utilizam água (ou líquido de refrigeração) em vez de apenas ar.
Um chiller industrial arrefecido a água tira partido deste facto. O condensador utiliza água - que é bombeada de uma torre de arrefecimento, talvez a 85°F - para absorver o calor do refrigerante. Um chiller arrefecido a ar utiliza o ar ambiente, que num dia quente de verão pode estar a 95°F ou mais, e o ar não absorve o calor de forma tão eficiente.
Temperatura de bulbo úmido vs. temperatura de bulbo seco
Este é o conceito-chave. Um refrigerador arrefecido a ar é limitada pela temperatura de bolbo seco - a temperatura real do ar. Num dia de 100°F, o ar está a 100°F. A temperatura de condensação do chiller será de pelo menos 100°F, normalmente mais elevada.
Um chiller arrefecido a água, no entanto, está limitado pela temperatura de bolbo húmido - a temperatura que o ar teria se estivesse saturado de humidade. As torres de arrefecimento arrefecem a água por evaporação, e a evaporação pode baixar a temperatura da água para perto da temperatura de bolbo húmido. Num dia de bolbo seco de 100°F, o bolbo húmido pode ser de apenas 75°F. Isso representa uma temperatura de condensação 25°F mais baixa.
Uma temperatura de condensação mais baixa significa um rácio de pressão do compressor mais baixo. Um rácio de pressão mais baixo significa menos trabalho. Menos trabalho significa menos eletricidade.
Como é que a temperatura de condensação afecta um chiller industrial arrefecido a água
Vamos pôr alguns números nisto. Um chiller industrial típico, arrefecido a água, pode funcionar com uma temperatura de condensação de 95°F num dia quente. Um chiller arrefecido a ar, no mesmo dia, pode funcionar com uma temperatura de condensação de 115°F.
| Parâmetro | Arrefecimento a água | Refrigerado a ar | Diferença |
|---|---|---|---|
| Temperatura de condensação | 95°F (35°C) | 46°C (115°F) | 20°F mais alto |
| Pressão de condensação (R134a) | ~120 psig | ~170 psig | 50 psig superior |
| Potência do compressor (relativa) | 1.0 | 1.25-1.35 | 25-35% mais energia |
Essa diferença de 20°F na temperatura de condensação traduz-se diretamente numa maior potência do compressor. O chiller arrefecido a ar trabalha mais para empurrar o refrigerante contra uma pressão mais elevada.
O impacto do tempo quente
A diferença de eficiência aumenta com o aumento da temperatura exterior. Num dia ameno de 75°F, um chiller arrefecido a ar pode ser razoavelmente eficiente. Num dia de 105°F, ele tem dificuldades. A pressão de condensação sobe. O compressor trabalha mais. O chiller pode até diminuir - produzindo menos capacidade de refrigeração e consumindo mais energia.
Um chiller industrial arrefecido a água, pelo contrário, regista apenas uma pequena queda de eficiência em dias quentes. A temperatura de bolbo húmido aumenta muito menos do que a temperatura de bolbo seco. Num dia de bolbo seco de 105°F, o bolbo húmido pode ser de 78°F. A torre de arrefecimento continua a fornecer água a cerca de 85°F. O chiller mal se apercebe da onda de calor.
Do ponto de vista da observação, é por isso que os centros de dados e os hospitais - instalações que necessitam de um arrefecimento fiável mesmo durante as vagas de calor - optam quase sempre pelo arrefecimento a água.
Eficiência em carga parcial e a vantagem da refrigeração a água
Os chillers raramente funcionam a plena carga. Na maioria das vezes, estão a 40-70% de capacidade. O desempenho de um chiller em carga parcial é mais importante do que a sua eficiência em carga total.
Como os refrigeradores arrefecidos a água lidam com a carga parcial
Um chiller industrial arrefecido a água com um acionamento de velocidade variável no compressor e ventiladores de torre de velocidade variável pode manter uma excelente eficiência até uma carga de 20-30%. A temperatura da água do condensador pode ser reposta para cima com cargas baixas para poupar energia da ventoinha da torre, mas o chiller continua a funcionar com uma pressão de condensação baixa.
Os chillers arrefecidos a ar têm mais dificuldades em carga parcial. As ventoinhas do condensador ligam-se e desligam-se ou funcionam a velocidades fixas. O chiller pode ter de fazer funcionar as ventoinhas mais do que o necessário apenas para manter a pressão de condensação mínima, especialmente em tempo frio.
Valor integrado de carga parcial (IPLV)
A indústria mede a eficiência em carga parcial com o IPLV (Integrated Part Load Value). Um bom chiller industrial arrefecido a água pode ter um IPLV de 0,35-0,45 kW/tonelada. Um chiller arrefecido a ar de dimensão semelhante pode ter 0,70-0,85 kW/ton. A unidade arrefecida a água utiliza cerca de metade da eletricidade em condições normais de funcionamento.
Poupança de energia no mundo real
Vamos dar um exemplo. Um chiller de 300 toneladas a funcionar 4.000 horas por ano (típico de uma fábrica ou centro de dados). Eletricidade a $0,12 por kWh.
| Tipo de refrigerador | Carga total kW/ton | IPLV kW/tonelada | kWh anual | Custo anual |
|---|---|---|---|---|
| Refrigerado a água | 0.55 | 0.45 | 540,000 | $64,800 |
| Arrefecimento por ar | 0.85 | 0.75 | 900,000 | $108,000 |
O refrigerador arrefecido a água poupa $43.200 por ano em eletricidade. Ao longo de uma vida útil de 20 anos, isto representa $864.000 em custos de energia evitados. Isto paga a manutenção de muitas torres de arrefecimento.
O primeiro compromisso de custos
Os chillers arrefecidos a água custam mais à partida. O chiller em si é mais caro. Acrescente uma torre de arrefecimento, bombas de água do condensador, tubagem e tratamento de água. O custo de instalação de um sistema arrefecido a água pode ser 30-50% superior ao de um sistema arrefecido a ar.
Mas o período de retorno do investimento é frequentemente curto. No exemplo acima, se o sistema de refrigeração a água custar $150.000 a mais à partida, o retorno do investimento é de cerca de 3,5 anos apenas com a poupança de energia. Depois disso, é pura poupança.
Outros factores que afectam a eficiência
Para além da termodinâmica básica, alguns outros aspectos contribuem para a vantagem de eficiência de um chiller industrial arrefecido a água.
Tipo de compressor
Os chillers arrefecidos a água utilizam frequentemente compressores centrífugos ou de parafuso, que são inerentemente mais eficientes em grandes dimensões do que os compressores scroll comuns nas unidades arrefecidas a ar. Os compressores centrífugos não têm peças de fricção e podem atingir kW/tonelada muito baixos, especialmente em grandes capacidades.
Conceção do permutador de calor
Os chillers arrefecidos a água utilizam permutadores de calor de casco e tubo. Estes têm excelentes coeficientes de transferência de calor - muito melhores do que as serpentinas de tubos com alhetas nas unidades arrefecidas a ar. Isto significa que são necessárias diferenças de temperatura mais pequenas para transferir calor, o que reduz ainda mais o trabalho do compressor.
Potencial de arrefecimento livre
Em tempo frio, alguns sistemas arrefecidos a água podem utilizar a torre de arrefecimento diretamente para fornecer água refrigerada sem fazer funcionar o compressor do chiller. A isto chama-se arrefecimento livre. Um sistema de bypass envia a água da torre através de um permutador de calor (ou diretamente para a carga) quando a temperatura de bolbo húmido é suficientemente baixa. Os chillers arrefecidos a ar não podem fazer isto - têm de pôr os compressores a funcionar sempre que é necessário arrefecimento.
A refrigeração a água é sempre mais eficiente?
Quase sempre, mas há excepções.
Um chiller industrial arrefecido a água necessita de bombas para mover a água do condensador. Essas bombas utilizam eletricidade.
Uma torre de refrigeração utiliza ventiladores. O tratamento da água utiliza produtos químicos e, por vezes, eletricidade. Estas cargas auxiliares reduzem ligeiramente a vantagem da eficiência líquida.
Em climas muito frios, um chiller arrefecido a ar pode tirar partido das baixas temperaturas ambiente para obter uma boa eficiência. Num dia de 40°F, um chiller arrefecido a ar pode ter um desempenho quase tão bom como uma unidade arrefecida a água.
Mas durante um ano inteiro, na maioria dos climas, a refrigeração a água ganha. A diferença é maior em climas quentes e húmidos, onde o desempenho do sistema de refrigeração a ar é mais prejudicado.
O resultado final para as suas instalações
A escolha de um chiller envolve mais do que apenas eficiência. A disponibilidade de água, as capacidades de manutenção, o espaço, o ruído e o custo inicial são factores importantes.
Mas se a eficiência energética for a prioridade - e para muitas instalações, é - um chiller industrial arrefecido a água é a escolha óbvia. A física é clara. Os números somam-se. E ao longo da vida útil do equipamento, as poupanças são substanciais.
Um chiller industrial arrefecido a água é um componente de um sistema de refrigeração industrial que inclui torres de arrefecimento, bombas, tubagens e controlos. Todas essas peças precisam de trabalhar em conjunto para que o sistema atinja a sua eficiência potencial. Mas o próprio chiller - quando corretamente selecionado e mantido - proporciona um desempenho que o arrefecimento a ar simplesmente não consegue igualar.
Se quiser saber mais sobre o refrigerador industrial refrigerado a água, leia O que é um refrigerador industrial arrefecido a água? Como funciona.
FAQ
Quanto mais eficiente é um chiller arrefecido a água do que um arrefecido a ar?
A plena carga em tempo quente, um chiller arrefecido a água é tipicamente 25-40% mais eficiente. Em carga parcial, a diferença pode ser de 40-50% ou mais.
O consumo de água de uma torre de arrefecimento anula a poupança de energia?
A água tem um custo, mas é normalmente muito inferior à poupança de eletricidade. Na maioria das regiões, a água utilizada por uma torre de arrefecimento custa uma fração da eletricidade poupada.
Posso readaptar um sistema arrefecido a ar existente para um sistema arrefecido a água?
Na prática, não. O próprio chiller teria de ser substituído. No entanto, por vezes, é possível acrescentar uma torre de arrefecimento e um novo chiller arrefecido a água, mantendo a unidade arrefecida a ar existente como reserva.
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