Enfriamiento de máquinas y de procesos
Crece la importancia de la refrigeración
La solución que se propone en este artículo representa un importante avance en el campo de los sistemas de enfriamiento aplicados a la industria de fabricación y procesamiento de plásticos y goma. Frigel Firenze a creado una innovadora serie de máquinas para la realización del sistema de refrigeración Ecodry System
Aún cuando los distintos tipos de transformación de plásticos puedan diferir el uno del otro, puede aplicarse un principio común en cuanto al sistema de enfriamiento. De hecho, tanto el moldeado por inyección, como el moldeado por compresión y otros tipos de extrusión, poseen requerimientos de enfriamiento similares:
I. Enfriamiento de máquina, que incluye todas las partes que deben enfriarse para asegurar el correcto funcionamiento de la máquina de producción en si misma.
II. Enfriamiento de proceso, que incluye exclusivamente aquellas partes que deben enfriarse a temperatura controlada, para la solidificación de plásticos una vez procesados.
I. Enfriamiento de máquina
La mayor parte de las máquinas para el procesamiento de plásticos son de accionamiento hidraúlico. Una parte del trabajo mecánico realizado por la bomba eléctrica se transfiere al aceite en forma de calor, haciendo que la temperatura de éste aumente. La temperatura adecuada del aceite en funcionamiento oscila entre los 45° y 50° C, de modo que es necesario un sistema de enfriamiento. Las máquinas de producción están generalmente provistas de un intercambiador térmico agua-aceite de dimensiones adecuadas y de una válvula termostática que controla el flujo del agua refrigerante por el permutador. La importancia de esta válvula está en mantener la temperatura del aceite en los niveles indicados por el fabricante de la máquina.
Un aceite demasiado frío, es decir muy viscoso, implica un elevado consumo de energía por parte del motor de la bomba, lo que acorta su propia vida útil. Por otra parte un aceite demasiado caliente, es decir poco viscoso, provoca filtraciones en las juntas y aros tóricos, y a largo plazo la reducción de su vida útil.
Otros puntos que requieren enfriamiento de forma continua, como el área de plastificación, los extrusores, etc., así como el controlador de temperatura del agua o el aceite, también están comprendidos en el enfriamiento de la máquina.
Figura 1
El requerimiento total de enfriamiento de máquinas para un departamento de transformación de plásticos, puede variar de acuerdo al tipo de proceso; no obstante, podemos estimar que representa ente el 50 y 90% de la exigencia de enfriamiento total.
Resumiendo los aspectos básicos del enfriamiento de máquina, podemos señalar que:
- Constituye la carga térmica más importante (50/90%) del total requerido para el sistema de enfriamiento
- No tiene sentido usar agua refrigerada para el enfriamiento, ya que la temperatura requerida es superior a los 35° C ; es suficiente con utilizar agua a temperatura ambiente para el enfriamiento.
- No se requiere un control estricto de la temperatura ambiente para el enfriamiento
- No hay necesidad de personalizar el sistema de enfriamiento para cada usuario, de modo que una planta de enfriamiento central es la solución ideal para el enfriamiento de máquina.
Las soluciones
Soluciones tradicionales:
-Agua desechada: Esta solución pertenece al pasado, no solo por razones técnicas (problema de incrustación y severos requisitos de filtrado), sino también por disposiciones legales que limitan cada vez más el consumo de agua de fuentes naturales (manantiales, ríos, lagos). De algún modo, y/o en algún caso, podría haber escasa disponibilidad de agua. Además, la creciente conciencia sobre la protección ecológica discrimina, con toda razón, este tipo de enfriamiento debido a la polución termal que ocasiona en el curso del agua.
- Torre de enfriamiento: Este sistema se ha empleado durante mucho tiempo. Sin embargo los problemas de instalación, unidos a los altos costos de mantenimiento característicos de un "circulo abierto", han llevado a su sustitución sistemática por refrigeradores de agua industrial de circuito cerrado provistos de compresores de refrigeración. De hecho, algunos de los problemas más serios relacionados con la torre de enfriamiento, como problemas de incrustación, formación de algas, contaminación bacteriana y corrosión ácida, deben enfrentarse con trabajos de mantenimiento contínuos y costosos.
- Refrigerador industrial: Los refrigeradores de agua y las plantas de refrigeración, se han desarrollado como soluciones típicas a los problemas de los sistemas de enfriamiento mencionados. Sin embargo, el uso de compresores de refrigeración para el enfriamiento de máquinas requiere un alto consumo de energía, lo que se traduce en elevados costos energéticos. A fin de reducir estos costos energéticos, los "sistemas de enfriamiento ambiente" se propusieron recientemente como alternativa para ahorrar energía durante las estaciones frías. Sin embargo, por razones técnicas, los refrigeradores industriales deben funcionar con una temperatura de agua refrigerante que no supere los 15-18° C, aún cuando la temperatura de aceite necesaria es de 40 a 50° C. Esto limita la posibilidad de ahorrar energía en un período del año extremadamente breve.
Figura 2
Además, los refrigeradores de agua industriales y las plantas de refrigeración son maquinarias complejas y requieren personal altamente capacitado para realizar los trabajos de instalación y mantenimiento.
La nueva solución
- Sistema de enfriamiento seco: Constituye la última tecnología para el intercambio térmico aire-agua. Se compone de una extensa superficie de cobre y aluminio provista de aletas y con ventiladores axiales de alta velocidad de circulación. Estos intercambiadores térmicos ofrecen gran fiabilidad y una buena función; son capaces de mantener la temperatura del agua a unos pocos grados sobre la temperatura ambiente. El gran desarrollo tecnológico llevado a cabo en su construcción, ha permitido una importante reducción en su precio. Son la solución perfecta para el enfriamiento de máquina; trabajan en circuito cerrado, lo que evita el consumo de agua y los complicados trabajos de mantenimiento característicos de las torres de enfriamiento; además, su consumo eléctrico representa una octava parte del consumo del refrigerador industrial con compresores de refrigeración.
Solo es necesaria una planta de distribución simple y económica, ya que los caños no se aislan y no se requieren conductos de aire debido a su instalación exterior. Por último la total ausencia de mantenimiento hace que el enfriador seco represente la solución más fiable a largo plazo. En la tabla 1 se representa una comparación esquemática entre las soluciones indicadas.
II. Enfriamiento de proceso
El enfriamiento de proceso está estricta y exclusivamente pensado para la industria del plástico, por lo cual es muy diferente del enfriamiento de máquina.
En cualquier tipo de proceso productivo (moldes, calandras), las condiciones de enfriamiento son de extrema importancia para lograr la mejor calidad y mayor productividad del proceso en si mismo. En especial, cuanto más acortemos el tiempo de enfriamiento, más aumentará la productividad. Del mismo modo, un enfriamiento correcto mejora la calidad del producto, reduce los residuos y optimiza la eficacia general del proceso productivo.
Por lo tanto, queda claro que, dependiendo de la materia prima que se procese, el artículo fabricado y las condiciones de producción, cada proceso en particular tiene su propia serie de parámetros optimizados para el enfriamiento del agua (temperatura, presión, velocidad de circulación), que difieren de otros procesos en marcha.
El segundo aspecto básico del enfriamiento de proceso es la posibilidad de repetir la serie optimizada de parámetros de enfriamiento cuando se fabrica un mismo artículo. No tiene sentido hallar las condiciones optimizadas de enfriamiento que permitan lograr los mejores resultados, si luego el sistema no es capaz de mantener sus valores constantes y exactos.
Resumiendo los aspectos fundamentales del enfriamiento de proceso, podemos señalar:
Las soluciones
Solución tradicional
La única solución disponible hasta ahora era el refrigerador de agua industrial de gran capacidad con compresores de refrigeración. Estas plantas se componen de una unidad central de refrigeración provista generalmente de varios compresores, que distribuyen agua enfriada a todas las máquinas de producción por medio de un único circuito de distribución. Por lo tanto, el agua fría se suministra a la menor temperatura requerida entre todos los usuarios. Todos los procesos que necesitan menor enfriamiento solo pueden controlarse reduciendo el flujo del agua refrigerada (fluxómetro).
La reducción del nivel de flujo de agua refrigerada a través del proceso, hace que la temperatura del agua tenga una gran diferencia térmica entre la entrada y la salida, lo que implica una distribución despareja de temperatura a lo largo de la superficie metálica que está en contacto con el plástico.
Es evidente que este tipo de solución nunca puede satisfacer el requerimiento de enfriamiento del proceso antes señalado. Una planta de enfriamiento centralizada presenta los siguientes inconvenientes:
La nueva solución
La empresa Frigel Firenze, representada en España por Alimatic, ha creado una serie de máquinas para la realización de un sistema de refrigeración, que ha bautizado con el nombre Ecodry System.
Se trata de un refrigerador de proceso ultracompacto. Como ya se ha señalado, la solución para el enfriamiento de proceso debe prever un sistema de enfriamiento adaptable al usuario para enfriar ese proceso particular con total independencia de los demás. Hasta ahora esta solución era imposible de llevar a la práctica debido a las dimensiones de los refrigeradores industriales, al nivel de ruido y al molesto flujo de aire producido por los ventiladores del condensador.
Hoy en día, gracias al desarollo tecnológico en la fabricación de intercambiadores de calor tipo placa para refrigeración y al control electrónico por microprocesador, es posible tener refrigeradores de proceso ultracompactos fiables y de alta precisión, con las siguientes características técnicas:
- No producen flujo de aire, ya que operan por condensación de agua.
- Son de dimensiones pequeñas, apenas una quinta parte del tradicional refrigerador de agua de gran capacidad, de modo que pueden instalarse cerca del proceso ocupando muy poco lugar.
- Proporcionan un control de temperatura continuo, manteniéndolo exacto y constante con un margen de error máximo de " 11C.
- Pueden suministrar al usuario un ritmo de circulación de agua que es el doble de los refrigeradores industriales tradicionales, lo que posibilita una perfecta uniformidad de temperatura en toda la pieza de trabajo.
- Pueden ser programados por la misma máquina de proceso mediante entradas seriadas, tanto para establecer la temperatura como para el mando de la alarma del refrigerador de proceso, eliminando así por completo los desperdicios.
- Permite el vaciado automático del circuito del proceso, facilitando el cambio de moldes sin que se produzcan filtraciones de la mezcla de agua y glicol.
- Están equipados con un dispositivo automático de enfriamiento ambiente que hace funcionar el compresor únicamente cuando la temperatura del agua procedente de la planta central es superior a la establecido. Esto permite un notable ahorro de dinero en el enfriamiento de proceso.
Ya se ha dicho anteriormente que estos refrigeradores de proceso son por condensación de agua; esto implica la necesidad de que el agua de enfriamiento - inferior a 40° C- ceda la carga térmica recogida de los usuarios
En la práctica, cada refrigerador de proceso dará su propia carga térmica a la misma planta central que enfría la máquina, es decir el sistema de enfriamiento seco.
Este tipo de sistema de enfriamiento consta de:
- Un refrigerador de proceso ultracompacto de alta precisión, cuyas dimensiones se adecuarán a la producción estimada de la máquina.
- Una planta centralizada de enfriamiento seco para disipar, con bajo costo de energía, tanto el calor producido por la máquina del proceso como el calor producido por los refrigeradores de proceso.
- Una cadena de distribución no aislada por donde circula el agua de enfriamiento a temperatura ambiente.
Francisco Centelles
Director Técnico de Alimatic
| Tabla 1 | |||||||
| Solución aspecto | Torre de enfriamiento | Refrigerador industrial | Enfriador seco | ||||
| consumo eléctrico | bajo | muy alto | bajo | ||||
| consumo de agua | alto | ausente | ausente | ||||
| costo de inverión | bajo | muy alto | mediano | ||||
| costo de planta | bajo | muy alto | mínimo | ||||
| mantenimiento | especializado y permanente | especializado y permanente | ausente | Tabla 2 | |||
| Moldeado por inyección 350 Ton. | Refrigerador de agua industrial | Enfriador seco | |||||
| Requerimiento enfriamiento | 15000-17000 Kcal./h. | 15000/17000 Kcal./h. | |||||
| Máxima energía eléctrica requerida | 8 kW. | 1,1 kW. | |||||
| Energía media absorvida* | 6,1 kW. | 0,8 kW. | |||||
| Precio enfriam. por hora | 104,-pts./hora | 14,-pts/hora | |||||
| Coste enfriam. por año base 3600 hs. trabajo/año | 374.400,-pts./año | 50.400,-pts/año | |||||
| * Cálculos en base a las temperaturas ambiente del norte de Italia Coste de kW./h.:17,- |
Optimización del proceso productivo | ||||||
| Capacidad de producción |
Calidad del producto |
Mínimo rechazo |
Tiempo muerto |
Coste del ejercicio | |||
| Eficacia de enfriamiento | Control preciso de la temperatura | Perfecta receptividad productiva | Arranque Cambio molde |
Racionalización energética | |||
| Presión elevada Alto caudal de circulación en molde |
Alta flexibilidad regulable en el panel de control |
Constancia en el tiempo Independencia entre el proceso |
Recalentamiento Vaciado automático |
Ahorro energético Mínima pérdida |
Uno de los aspectos básicos del enfriamiento de proceso es la posibilidad de repetir la serie optimizada de parámetros de enfriamiento cuando se fabrica un mismo artículo | El sistema de enfriamiento seco trabaja en circuito cerrado, lo que evita el consumo de agua y mantenimiento típico de las torres de enfriamiento, y su consumo eléctrico es muy bajo | |
