El aire comprimido es uno de los servicios más caros de una planta, y casi cada kilovatio que consume el compresor se expulsa del sistema en forma de calor. La forma en que se elimina ese calor determina si una máquina mantiene una temperatura de descarga estable durante una década o si se desconecta cada mes de julio; sin embargo, la configuración de la refrigeración suele ser el último punto de la ficha técnica.
Para la mayoría de las instalaciones con una potencia inferior a unos 75 kW, en una sala ventilada y razonablemente limpia, una unidad refrigerada por aire es la opción más económica y de menor riesgo. La refrigeración por agua se convierte en la mejor opción cuando la potencia supera los 200 kW, o cuando la sala es cerrada, el aire ambiente es cálido y polvoriento, o la instalación funciona de forma continua, siempre que se disponga de agua de refrigeración tratada o que su uso esté justificado. La cuestión no es qué método enfría mejor, ya que el agua siempre lo hace, sino si la instalación puede suministrar y mantener el circuito de agua a un coste total inferior al que supone la pérdida de calor al aire.
En los apartados siguientes se explica cómo elimina el calor cada circuito, qué requisitos impone al edificio y dónde se cruzan las curvas de costes.
Cómo eliminan el calor los dos sistemas de refrigeración
Ambos diseños utilizan el mismo elemento de compresión y los mismos conductos de refrigeración internos. La diferencia radica en el disipador térmico final: un sistema refrigerado por aire disipa el calor a la sala a través de serpentines con aletas y un ventilador, mientras que un sistema refrigerado por agua lo disipa a un circuito de agua mediante un intercambiador de calor de carcasa y tubos o de placas, y de ahí a una torre de refrigeración o a un enfriador seco.
En el interior de un compresor de aire de tornillo rotativo lubricado por aceite, el calor procede del motor, del grupo compresor y del circuito de aceite. Aproximadamente entre el 90 y el 96 por ciento de la energía eléctrica consumida se convierte en calor de baja calidad que debe eliminarse de forma continua.
El circuito de refrigeración por aire
Un ventilador aspira aire ambiente a través de un bloque con aletas que contiene el enfriador de aceite y el posenfriador, y lo expulsa por la parte superior de la cubierta. El límite de enfriamiento viene determinado por la temperatura de bulbo seco de la sala. El aire de salida del posenfriador se sitúa entre 10 y 16 K por encima de la temperatura ambiente, y los equipos estándar están diseñados para una temperatura de entrada de entre 45 y 46 grados C, mientras que las versiones para temperaturas ambiente elevadas alcanzan los 50 grados C.
El circuito de refrigeración por agua
Un intercambiador de calor de carcasa y tubos sustituye al bloque con aletas, con agua por un lado y aire comprimido por el otro, normalmente en contracorriente. Dado que el agua procede de una torre, un circuito de refrigeración o un colector de la planta, su temperatura es en gran medida independiente de las condiciones meteorológicas, y la salida de aire se mantiene a unos 10 K por encima de la entrada de agua. El equipo resulta más pequeño y silencioso, pero el calor simplemente se ha desplazado: ahora son la torre, la bomba, las tuberías y el sistema de tratamiento los que asumen la carga.
«Refrigerado por agua» no significa «lubricado por agua»
En el ámbito de las compras, estos dos términos se confunden habitualmente. La expresión «refrigerado por agua» se refiere al medio utilizado para disipar el calor. La expresión «lubricado por agua» se refiere a lo que sella y lubrica la cámara de compresión en las máquinas sin aceite. Un compresor lubricado por agua puede ser refrigerado por aire, y un compresor con inyección de aceite puede ser refrigerado por agua.
| Elemento de comparación | Refrigerado por aire | Refrigerado por agua |
| Dissipador térmico final | Aire de la habitación | Circuito de agua de refrigeración |
| Intercambiador de calor | Bloque de serpentín con aletas | De carcasa y tubos o de placas |
| Temperatura de salida del aire | Temperatura ambiente más entre 10 y 16 K | Entrada de agua más unos 10 K |
| Sensibilidad a las condiciones meteorológicas | Alta | Muy bajo |
| Equipos auxiliares | Conductos, extractor de aire | Torre, bomba, tratamiento |
Requisitos que debe cumplir el emplazamiento de un compresor refrigerado por aire
Una unidad refrigerada por aire necesita aire fresco suficiente para absorber el calor, una vía sin obstrucciones para que ese aire salga de la estancia y un flujo de entrada lo suficientemente limpio como para mantener los serpentines despejados. Cuando falla cualquiera de estos elementos, la unidad reduce su potencia, activa una alarma o se desconecta por temperatura elevada de descarga, independientemente de lo que indique la placa de características.
Las necesidades de ventilación pueden estimarse antes de realizar el pedido del equipo. Una fórmula muy utilizada en la práctica permite calcular el caudal de aire de la estancia en metros cúbicos por segundo mediante la ecuación Qv = 0,92 × N / dT, donde N es la potencia de entrada del conducto en kW y dT es el aumento permitido con respecto a las condiciones exteriores. Para una unidad de 110 kW y un aumento de 8 K, el resultado es de unos 12,7 metros cúbicos por segundo, o 26 800 cfm. Se trata de la ventilación de la sala, no del ventilador integrado en la unidad.
La velocidad del aire a través de las rejillas de entrada debe mantenerse en 5 m/s o por debajo de este valor, y las aberturas no deben permitir que el aire caliente expulsado vuelva a entrar en la toma de aire, lo cual es la causa más habitual de que una estancia parezca bien ventilada sobre el papel, pero resulte calurosa. Cuando no sea posible abrir la estancia, tanto el suministro como la extracción deben canalizarse dentro de los límites de la presión estática disponible del ventilador, una decisión que corresponde a la instalación de un compresor de aire planificarlo desde el principio, en lugar de realizar una adaptación tras el primer verano. El polvo es la causa de un fallo progresivo: una bobina obstruida pierde capacidad poco a poco, por lo que el síntoma es una tendencia al alza de la temperatura.
Requisitos de un compresor refrigerado por agua: caudal, calidad y temperatura
Un sistema de refrigeración por agua necesita tres factores garantizados: un caudal adaptado a la carga térmica, una composición química del agua que se ajuste a los límites establecidos por el fabricante del intercambiador y una temperatura de entrada lo suficientemente baja como para mantener el diferencial de temperatura requerido. Si falla cualquiera de estos factores, se produce la formación de incrustaciones, corrosión o un aumento de la temperatura de salida.
Cálculo del caudal de agua de refrigeración
Dado que casi toda la potencia en el eje se convierte en calor, el caudal necesario en metros cúbicos por hora es aproximadamente Q = 0,86 × P / dT, siendo P la potencia en el eje en kW y dT el aumento de temperatura del agua permitido en K. Una unidad de 200 kW diseñada para un aumento de 10 K necesita unos 17,2 metros cúbicos por hora; si se reduce el aumento a 6 K, la demanda se dispara hasta los 28,7.
| Potencia en el eje | Rise 10 K | Rise 8 K | Ascenso de 6 K |
| 75 kW | 6,5 m³/h | 8,1 m³/h | 10,8 m³/h |
| 110 kW | 9,5 m³/h | 11,8 m³/h | 15,8 m³/h |
| 200 kW | 17,2 m³/h | 21,5 m³/h | 28,7 m³/h |
Un aumento de temperatura de diseño de entre 5 y 10 K es normal; un aumento mayor ahorra agua y energía de bombeo, pero eleva la presión de entrada y sobrecarga el secador.
Límites de calidad del agua
Las incrustaciones son la causa principal de avería. Un depósito de aproximadamente 1 mm en el lado del agua puede reducir el rendimiento del intercambiador hasta el punto de que la temperatura de salida se salga del rango admisible, y ningún ajuste de la máquina permite recuperarlo.
| Parámetro | Límite típico | Consecuencias en caso de superarse el límite |
| pH | De 7,0 a 9,0 | Corrosión ácida o incrustaciones alcalinas |
| Dureza total | inferior a 100 mg/l, expresada como CaCO₃ | Formación de incrustaciones de carbonato cálcico |
| Cloruro | por debajo de 100 mg/l | Corrosión por picaduras en tubos de acero inoxidable |
| Sólidos en suspensión | por debajo de 10 mg/L | Incrustaciones y obstrucción de los canales |
| Hierro y manganeso | por debajo de 0,3 mg/l | Depósitos y sustrato para la formación de biopelículas |
El ablandamiento, la dosificación, la filtración en derivación y la descalcificación electrónica son las medidas habituales, y su coste debe tenerse en cuenta en la comparación.
Circuito abierto, circuito cerrado y torres
Una torre de evaporación abierta es la forma más económica de disipar calor y la que requiere un mayor esfuerzo de limpieza. El agua de reposición cubre la evaporación más la purga, lo que supone aproximadamente entre 1,3 y 1,5 veces el volumen evaporado, y el agua necesita biocidas y un tratamiento antical. Un circuito cerrado que utilice un enfriador seco o un intercambiador de placas de aislamiento mantiene limpia la parte de la máquina, y suele emplearse cuando una fuga en los tubos supondría un riesgo de contaminación. En climas fríos, el circuito funciona con glicol o se vacía al apagar la instalación.
Coste de inversión, coste de explotación y coste total de propiedad a diez años
La refrigeración por aire resulta más ventajosa en cuanto al coste inicial y la facilidad de mantenimiento. La refrigeración por agua resulta más ventajosa en cuanto a potencia específica y estabilidad cuando una unidad funciona más de unas 4.000 a 5.000 horas al año a plena carga. El punto de equilibrio viene determinado por las horas de funcionamiento y por los precios locales de la electricidad, el agua y el tratamiento.
| Partida de gastos | Refrigerado por aire | Refrigerado por agua |
| Conjunto de compresor | Valor de referencia | Normalmente, entre un 5 y un 15 por ciento más alto |
| Equipos de disipación de calor | Ninguno | Torre o enfriador seco |
| Bomba, tuberías, instrumentos | Ninguno | Plataforma de bombas, válvulas, manómetros |
| Tratamiento del agua | Ninguno | Descalcificador o dosificador |
| Obras de construcción | Conductos, rejillas, ventilador | Pasamuros de tuberías, cimentación |
Los costes operativos son más similares de lo esperado. Un equipo refrigerado por aire consume energía en un ventilador que representa aproximadamente entre el 2 % y el 4 % de la potencia nominal del motor, y descarga su calor en la sala, que luego debe ser eliminado mediante ventilación o aire acondicionado. Un equipo refrigerado por agua consume una cantidad de energía comparable en una bomba y un ventilador de torre, y añade costes de agua de reposición, productos químicos y purga. Lo que se gana es una pequeña reducción de la potencia específica, ya que las temperaturas de admisión y de refrigeración intermedia se mantienen bajas y constantes. La comparación más honesta es una evaluación del ciclo de vida, en lugar de una oferta basada en el coste inicial, el método defendido por el Instituto del Aire Comprimido y el Gas. El mantenimiento difiere más en la periodicidad que en el coste total: una limpieza frecuente y económica de los serpentines frente a pruebas periódicas, la eliminación de incrustaciones y los trabajos en la torre.
La recuperación de calor cambia la rentabilidad
Dado que casi toda la energía eléctrica que se introduce en el sistema se transforma en calor, la recuperación de calor es un factor clave en el diseño, más que un beneficio secundario. Una unidad refrigerada por aire solo puede proporcionar aire caliente en invierno, mientras que una unidad refrigerada por agua puede suministrar agua a una temperatura de entre 60 y 70 grados Celsius durante todo el año.
La recuperación por el lado del aire es económica: basta con canalizar el aire de salida hacia el taller cuando hace frío y desviarlo al exterior en verano mediante un regulador de tiro, lo que reduce las facturas de calefacción, aunque no aporta ningún beneficio durante gran parte del año en un clima templado. La recuperación por vía de agua es continua: un intercambiador de placas en el circuito de aceite produce agua caliente a una temperatura de entre 60 y 70 grados C para el precalentamiento de la agua de reposición de la caldera, el lavado o el calentamiento de procesos; estos sistemas suelen amortizarse en un plazo de uno a tres años cuando existe una demanda constante de agua caliente. La recuperación solo resulta rentable cuando el calor tiene un destino continuo, y una planta que necesite agua caliente las 24 horas del día a menudo justificará la refrigeración por agua solo por la recuperación.
Factores relacionados con el lugar y el entorno que determinan el caso
Hay cinco factores que suelen zanjar la cuestión antes de que comience el análisis de costes: la temperatura ambiente en verano, el polvo y los gases corrosivos presentes en el aire, el espacio disponible en el suelo y en los conductos, la sensibilidad al ruido y si la planta funciona de forma continua. Si alguno de estos factores queda fuera de los límites de refrigeración por aire, la decisión queda, en la práctica, tomada por ti.
Una sala de compresores cerrada sin pared exterior es el caso clásico para la refrigeración por agua, ya que cada paso de aire de refrigeración eleva la temperatura de la sala y esta va aumentando progresivamente hasta que la entrada de aire se acerca a su límite. El coste no es la factura de la reparación, sino la parada imprevista, y una sola desconexión por temperatura elevada en una línea que funciona en tres turnos puede superar la diferencia total del coste inicial. Cuando las temperaturas ya tienden a subir, los diagnósticos que se recogen en esta guía para Sobrecalentamiento del compresor de aire de tornillo rotativo merece la pena analizarlas antes de culpar al sistema de refrigeración.
Además, ambos métodos presentan fallos distintos. Las bobinas refrigeradas por aire se ensucian por fuera, un problema reversible, pero las aletas de aluminio, en una atmósfera corrosiva, se pican y acaban desmoronándose. Los intercambiadores refrigerados por agua se ensucian por dentro, donde los depósitos son más difíciles de alcanzar; sin embargo, el lado del aire permanece limpio y una sala polvorienta no afecta al equipo. En climas húmedos, la fuerza motriz del lado del aire disminuye a medida que aumenta la temperatura del bulbo húmedo, por lo que las instalaciones en zonas tropicales suelen necesitar un serpentín más grande. Además, un equipo refrigerado por agua es más compacto y, por lo general, unos pocos dB(A) más silencioso.
Adaptación del tipo de refrigeración al tamaño del compresor y a la aplicación
El tipo de refrigeración depende del tamaño del equipo. La refrigeración por aire es la opción predominante por debajo de unos 75 kW; entre 75 y 160 kW, ambas opciones compiten entre sí; y la refrigeración por agua se convierte en la opción predeterminada por encima de unos 200 kW, o siempre que la alta presión y los estrictos requisitos de pureza del aire hagan que el equipo alcance niveles de calor elevados.
| Rango de tallas | Elección habitual | Motivo |
| Hasta 75 kW | Refrigerado por aire | Carga térmica reducida; a menudo no se ofrece la versión refrigerada por agua |
| De 75 a 160 kW | Cualquiera de las dos opciones, según el lugar | La carga térmica es manejable; la disponibilidad de agua es el factor decisivo |
| 200 kW y más | Refrigerado por agua | La carga térmica es demasiado elevada para el aire de la estancia; la estabilidad es fundamental |
| De alta presión y sin aceite | Refrigerado por agua | Alta temperatura de descarga, aproximación estrecha |
| Centrífuga | Refrigerado por agua | Chasis de gran tamaño, intercoolers integrados |
Aproximadamente el 80 % de los grupos compresores de tornillo rotativo en servicio son refrigerados por aire, y los tamaños más pequeños suelen estar disponibles únicamente en esa configuración. Los variadores de velocidad y los diseños de dos etapas reducen la potencia específica, pero no eliminan el calor; una máquina de dos etapas libera una mayor cantidad de calor a la temperatura del intercooler, lo que facilita su disipación, aunque el volumen total no disminuye.
Calidad del aire y tratamiento en la fase posterior
El método de refrigeración determina la temperatura de salida del posenfriador, y esa temperatura determina el punto de rocío a presión a la entrada del secador. Una unidad refrigerada por aire en una sala a 40 °C puede suministrar aire a una temperatura de entre 52 y 56 °C, por encima de la temperatura nominal de entrada de un secador refrigerado estándar, mientras que una unidad refrigerada por agua a 30 °C suministra aire a una temperatura de entre 38 y 40 °C.
La diferencia se debe a la temperatura de entrada: los intercambiadores refrigerados por aire se mantienen entre 8 y 11 K por encima de la temperatura ambiente, mientras que los refrigerados por agua, entre 5 y 8 K por encima de la temperatura de entrada del agua, con un secador estándar limitado a una temperatura de entrada de 45 °C. Por lo tanto, la refrigeración por aire en un clima cálido traslada el coste a fases posteriores del proceso, ya que requiere un secador de alta temperatura, un secador sobredimensionado o un posenfriador de ajuste. La refrigeración por agua mantiene el secador dentro de sus parámetros y garantiza un punto de rocío estable, lo cual es importante para el aire de instrumentos, el recubrimiento, el corte por láser y cualquier proceso en el que la humedad provoque rechazos. Cuando la pureza esté estipulada contractualmente, especifíquela según las clases de ISO 8573-1 y confirmar la opción seleccionada secador de compresor de aire puede mantener esa clase a la temperatura real de salida del posenfriador.
Una lista de verificación práctica para la selección
Evalúa la obra según criterios ponderados, en lugar de basarte únicamente en la reputación de un único método, y comprueba el sistema de suministro de agua in situ antes de emitir la orden de compra, en lugar de hacerlo después de que se haya entregado la torre.
| Criterio | Peso | Veredicto sobre la refrigeración por aire |
| Temperatura ambiente inferior a 40 grados C | Alta | Pasar |
| La sala puede tener ventilación por conductos o abierta | Alta | Obligatorio |
| Polvo o atmósfera corrosiva | Alta | Débil |
| Agua tratada disponible | Alta | No es necesario |
| Más de 5.000 horas anuales | Medio | Débil |
| Demanda continua de calor | Medio | Débil |
| Primera presión sobre los costes | Medio | Fuerte |
El estudio debe registrar el caudal, la presión y la temperatura de entrada del agua de refrigeración; un análisis del agua que incluya la dureza y el cloruro; las dimensiones de la sala y la superficie de la abertura; el margen de potencia para la bomba y el ventilador de la torre; el límite de ruido en el límite más cercano; las horas de funcionamiento anuales; y si existe un destino para el calor. Cualquier elemento calificado como «obstáculo» descarta la refrigeración por aire independientemente del precio, por lo que el estudio se realiza antes del presupuesto.
Preguntas frecuentes
¿Se puede convertir un compresor refrigerado por aire en uno refrigerado por agua?
En muchos equipos de tornillo con inyección de aceite es posible, ya que el circuito interno no se modifica y solo se sustituye el lado secundario, pero rara vez se trata de una tarea sencilla. Se necesita un nuevo intercambiador o un conjunto de adaptación, una bomba, una interfaz de control y una revisión de las condiciones de la garantía. Por encima de unos 110 kW, a veces resulta justificado cuando no es posible ventilar la sala; por debajo de esa potencia, el coste se aproxima a la diferencia entre dos equipos nuevos.
¿Los compresores refrigerados por agua consumen más agua que los refrigerados por aire?
Sí, pero menos de lo que esperan la mayoría de los operadores. La refrigeración por aire no consume agua directamente, aunque el aire de ventilación que necesita puede suponer una carga para el sistema de refrigeración del edificio. Una unidad instalada en una torre abierta consume agua de reposición equivalente a la evaporación más la purga, normalmente entre 1,3 y 1,5 veces el volumen evaporado, mientras que un circuito cerrado no consume prácticamente nada.
¿Qué tipo de refrigeración es el más adecuado para una instalación en contenedor o al aire libre?
Refrigeración por aire, siempre que la carcasa permita la libre circulación del aire y proteja los desagües de las heladas. La refrigeración por agua en exteriores solo tiene sentido cuando ya se dispone de un circuito de la planta, ya que un circuito de agua expuesto conlleva un riesgo de congelación, un riesgo de corrosión y un mantenimiento que un equipo refrigerado por aire para exteriores evita.
