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COP : Coeficiente de Rendimiento de un Compresor

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A lo largo de mi carrera, como especialista en refrigeración industrial por amoniaco,  me he encontrado con numerosas instalaciones frigoríficas con un alto e innecesario consumo de energía eléctrica. En este artículo, te explicaré algunos de los conceptos más importantes a tener en cuenta a la hora de realizar un proyecto de refrigeración industrial.

Esta información podrá ser de gran utilidad para aquellos que se encuentren desarrollando la ingeniería de proyecto, analizando una oferta técnica para la compra/venta de una instalación o realizando una auditoria energética. 

¿Qué es el COP – Coeficiente de Performance – en Compresores para Refrigeración Industrial?

El Coeficiente de Performance o de rendimiento  es el  número que relaciona el beneficio obtenido (capacidad de refrigeración del compresor) y lo invertido por dicho beneficio (potencia eléctrica demandada).  Es una herramienta fundamental para las personas que desarrollan el proyecto de refrigeración industrial y como argumento de venta del potencial proveedor.

El Coeficiente de Performance o de rendimiento COP de un compresor es la relación entre el calor extraído por unidad de tiempo y la potencia requerida para ello.Cuanto mayor es el valor de COP, menor es el consumo de energía de energía eléctrica , es un número adimensional.

COP = Q / N , en las mismas unidades , por lo tanto se trata de un número adimensional.

Q : Capacidad del compresor N : Potencia eléctrica demandada

El valor de COP de un compresor a plena carga, depende , para una misma presión de condensación, de la presión de evaporación, cuanto mayor sea la presión de evaporación , mayor será el valor de Coeficiente de Performance o de rendimiento,  esto significa que se debe elegir siempre la mayor presión de evaporación y por consiguiente la mayor temperatura de evaporación compatible con el proceso de enfriamiento.

Este criterio implica mayor inversión en superficie de intercambio de evaporadores, que se paga por única vez , pero comienza a recuperarse la inversión desde el día que la instalación entra en servicio, recuperada la inversión el ahorro continua durante la explotación de la planta frigorífica.

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¿Cómo varía la capacidad un compresor a tornillo y cual es su influencia en el COP – Coeficiente de Performance ?

Los compresores de refrigeración a tornillo regulan su capacidad de manera tal de ajustar su potencia de refrigeración a la demanda frigorífica instantánea para mantener constante y en el valor de trabajo la presión de evaporación.

En el instante inicial del proceso de refrigeración la potencia o capacidad de refrigeración es máxima y a partir de ese momento puede mantenerse cuando es un proceso continuo como un túnel de congelado de hamburguesas por ejemplo,  o comenzar a disminuir como ocurre con una cámara frigorífica una vez que cerró su puerta. 

La variación de capacidad de un compresor a tornillo puede presentarse en 3 variantes :

  1. Mediante válvula deslizante automática: el compresor posee una válvula deslizante accionada por un sistema hidráulico que permite variar la capacidad en forma continua desde 10% (mínima capacidad) a 100% (máxima capacidad) de manera de mantener constante la presión de evaporación , se puede asimilar como la “disminución de cilindrada” de un compresor alternativo.La desventaja de este sistema de variación de capacidad es cuando el compresor trabaja modulando a carga parcial, el valor de COP disminuye y peor es la situación cuanto más baja sea la capacidad del compresor, solamente se obtiene el máximo Coeficiente de Performance o de rendimiento cuando el compresor trabaja al 100% de capacidad.
  2. Mediante variador de frecuencia sin válvula deslizante: estos compresores, no poseen válvula deslizante, la variación de capacidad se realiza directamente modificando la velocidad del motor eléctrico, la capacidad aumenta o disminuye de manera directamente proporcional al aumento o disminución de velocidad.Se requiere la utilización de motores “especiales” que poseen ventilación independiente mediante un motoventilador adicional cuya velocidad y caudal de aire no dependen del motor de accionamiento principal, lo cual permite bajas velocidades de trabajo y por consiguiente bajas capacidades sin problemas de exceso de temperatura en el motor de accionamiento del compresor.En este caso el valor de COP se mantiene constante, independientemente del estado de carga.
  3. Mediante válvula deslizante y variador de frecuencia: esta configuración permite utilizar motores “estándar” y se trabaja con la válvula deslizante al 100%, condición de máximo COP, modulando capacidad con el variador de frecuencia hasta el valor mínimo de velocidad admisible por el motor o por el compresor , a partir de este momento la velocidad permanece constante y de ser necesario se reduce capacidad mediante la válvula deslizante, disminuyendo por supuesto el valor de Coeficiente de Performance o de rendimiento.
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Análisis de curva de potencia de un compresor a tornillo 

En el gráfico siguiente se observa la potencia absorbida por el compresor en función del estado de carga para el sistema de modulación de capacidad mediante válvula deslizante y mediante variación de velocidad.

Cuando se utiliza la válvula deslizante la potencia absorbida es siempre mayor en relación al estado de carga, salvo cuando el compresor está al 100% de capacidad. Por ejemplo , al 30% de capacidad el compresor toma aproximadamente el 60% de la potencia que corresponde al 100%, la diferencia está indicada por el valor de “DC”.

El valor de “DC” decrece cuando aumenta la capacidad (aumenta COP) y aumenta cuando la capacidad disminuye (disminuye COP).  Cuando la regulación de capacidad es mediante variación de velocidad el compresor absorbe la potencia que corresponde a su estado de carga. (Máximo Coeficiente de Performance o de rendimiento y constante).

¿Cuál es la diferencia entre COP y COP Global ?

Además del Coeficiente de Performance o de rendimiento – COP – de compresores , existe el denominado COP global de la instalación , su concepto es similar, pero involucra la cantidad total de calor extraída en el proceso de refrigeración y la  potencia eléctrica demandada  por todos los componentes, no solamente los compresores , sino también : condensadores – torres de enfriamiento – bombas de agua y NH3 – ventiladores etc.etc. 

En general y de acuerdo a experiencias personales, instalaciones de elevado valor de COP requieren una mayor inversión frente a instalaciones de menor valor de coeficiente  de rendimiento COP.

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Consejos para minimizar el consumo de energía eléctrica de un compresor a tornillo

Teniendo en cuenta lo anterior, podemos decir que si se maximiza el valor de COP se reducirá notablemente el consumo de energía eléctrica, lo cual se traduce en ahorro económico y optimización en la asignación de recursos.

Para lograr altos valores de COP – coeficiente de rendimiento – en compresores, para iguales presiones de condensación, se debe trabajar con el mayor valor de presión de evaporación compatible con el sistema de enfriamiento. 

Los compresores a tornillo que regulan la capacidad mediante válvula deslizante deben trabajar la mayor parte del tiempo a la máxima capacidad (100%) o en el entorno de la misma, en general es recomendable tener la capacidad máxima de refrigeración en más de un compresor, lo cual además otorga mayores posibilidades de atender el sistema de refrigeración ante alguna imprevista salida de servicio y facilitar las paradas para mantenimiento, por supuesto es conveniente la existencia de una máquina de back up.

Cuando el compresor a tornillo con válvula deslizante trabaja a capacidades del orden del 50% el 50% del tiempo se debe evaluar técnica y económicamente la incorporación de un variador de frecuencia.

La incorporación de un variador de frecuencia permite a compresores que inicialmente trabajaban a 50 HZ , 2950 RPM llevarlos a 60 HZ , 3550 RPM con lo cual su capacidad aumenta un 20% , para ello se debe consultar al fabricante y tener en cuenta además que todos los demás componentes deben poder absorber ese incremento de capacidad : motor eléctrico – separador de aceite – bomba de aceite y enfriador de aceite.

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Ing. Alejandro d'Huicque

Ingeniero Electromecánico egresado de la Universidad de Buenos Aires - Argentina. Trabajo en el área de refrigeración industrial desde el año 1984. Docente en : Universidad Tecnológica Nacional UTN - Consejo Profesional de Ingeniería Mecánica y Electricista COPIME -Instituto Argentino de Refrigeración y Aire Acondicionado IARAA.

Agradecimientos

Muchas gracias por el tiempo dedicado a la lectura de este articulo, espero que haya sido de interés. Quedo a disposición de todos los lectores, respondiendo a sus preguntas o inquietudes y son bienvenidas aquellas sugerencias para la selección de contenidos a desarrollar en los próximos artículos del blog académico.

Sobre el autor

Ing. Alejandro d’Huicque

Ingeniero Electromecánico egresado de la Universidad de Buenos Aires – Argentina. Trabajo en el área de refrigeración industrial desde el año 1984.

Docente en : Universidad Tecnológica Nacional UTN – Consejo Profesional de Ingeniería Mecánica y Electricista COPIME -Instituto Argentino de Refrigeración y Aire Acondicionado IARAA.

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4 comentarios. Dejar nuevo

  • Excelente aporte Alejandro! Te felicito por esta iniciativa que llevas adelante a través de este blog compartiendo tu conocimiento y experiencias profesionales. Lo mejor para vos, saludos.

    Responder
  • Excelente articulo y con la ayuda de un refrigerante ecologico se hace mas eficiente el uso , le invito a que visite nuestra pagina web http://www.sumgas.com si desea mas informacion de nuestros productos me puede escribir a mi email.

    Saludos,
    Beni

    Responder
  • Germán Parola
    enero 19, 2021 8:02 pm

    Muy clara la explicación sobre la eficiencia de los compresores y sistemas de refrigeración.
    Feleicitaciones por la página.

    Responder

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