Características de comportamiento del CO2 en el ciclo de refrigeración

1. En el punto crítico del CO2 las densidades del gas y del líquido son iguales; arriba de este punto las fases de vapor y líquido no existen.
2. El punto triple del CO2 es la condición en la que el estado sólido, líquido y gaseoso coexisten.
3. Los procesos del ciclo de refrigeración operando en transcrítico son:
• Compresión
• Enfriamiento de gas
• Expansión 
• Evaporación
4. Los procesos del ciclo de refrigeración operando en subcrítico son:
• Compresión
• Condensación y subenfriamiento
• Expansión
• Evaporación y sobrecalentamiento

Los refrigerantes A3 están sujetos a restricciones de uso debido a su inflamabilidad.

1. El Etano R170 se puede usar en refrigeración de muy baja temperatura y en la transferencia de calor no mecánica (Max 150 gr).
2. El R600a se puede usar en refrigeración doméstica (Max 57 gr).
3. El R290 se puede usar en refrigeración comercial auto contenida, refrigeradores, congeladores, maquinas de vending (Max 150 gr).
4. El R290 se puede usar en aire acondicionado de ventana hasta 34000 Btu's (Max 560 gr).
5. El R290 se puede usar en aire acondicionado de tipo cassette hasta 34000 Btu's (Max 340 gr).

Proceso de aprobación para el uso de los refrigerantes A2L y A3 en los EE.UU.

En marzo del 2015 la EPA, bajo su programa SNAP, incluyó al etano R170, isobutano R600a, propano R290, mezcla de hidrocarburos R441A y al R32 en la lista de los refrigerantes aprobados sujetos a restricciones de uso debido a su inflamabilidad. Sin embargo para poder iniciar el uso de los refrigerantes A2L (Ligeramente Inflamables) y los A3 (Muy Inflamables) antes se deben de cumplir varios pasos:

1.- El refrigerante debe de estar publicado en el Estándar 34 de ASHRAE, que se encarga de listar los niveles de seguridad de cada refrigerante.
2.- El refrigerante debe de estar aprobado por el programa SNAP (Significant New Alternatives Policy) de la EPA (Environmental Protection Agency)
3.- Una vez que se tengan los dos, sigue su camino hacia uno tercero.
Se debe de modificar el Estándar 15 de ASHRAE, quien es el que regula el nivel de seguridad del sistema de refrigeración.

Este estándar a su vez evalúa tres variables:

1.- Que tipo de refrigerante tiene el sistema.
2.- El tipo de uso que tiene el edificio en donde opera el sistema de refrigeración. Ejemplos de uso: doméstico, comercial, tienda de conveniencia, supermercado, oficinas, hotelería, etc.
3.- El tipo del sistema de refrigeración o el tipo del sistema de aire acondicionado.Teniendo esta información como base, el estándar establece las restricciones, los requisitos adecuados para garantizar y salvaguardar la vida, la integridad física, y la salud de los habitantes o usuarios del inmueble. Los requisitos incluyen cómo se utiliza el refrigerante, donde se ubica el refrigerante, la cantidad de refrigerante permitida, cómo está diseñado y construido el equipo (ya sea en una fábrica o si se construyó en sitio), normas de seguridad eléctrica, presión de seguridad máxima del equipo, cómo opera y cómo se prueba el equipo.Todos estos requisitos deben ser definidos en una u otra forma para todas las posibles combinaciones de las tres clasificaciones antes listadas. El Estandard 15 de ASHRAE generalmente permite el uso de refrigerantes clasificados como A2 para el confort humano en los sistemas autocontenidos que contengan menos de 3 kg (residenciales) o 10 kg (comerciales), dependiendo de la ubicación en el inmueble. Los sistemas split o divididos al día de hoy (Mayo 2015) no se les permite contener refrigerantes inflamables debido a que la tubería se instala en sitio. La nueva versión del estándar deberá ser publicada en el 2016.

Una vez que esto suceda, los equipos que sean diseñados para utilizar estos gases, deberán de cumplir con la normas UL que ya existen para estos equipos. Estas normas especifican los requisitos sobre cómo construir el equipo para garantizar de que es seguro de usar.

Una vez que este disponible la versión actualizada del Estándar 15 de ASHRAE, sigue la actualización de los reglamentos de construcción. Después de eso, los refrigerantes se pueden utilizar.
Referencia: http://www.achrnews.com/articles/129241-carefully-embracing-flammable-refrigerants

Refrigeración con refrigerantes inflamables R-290 y R-600a

Video Refrigerar sin calentar con subtítulos en español
Explica el benficio de utilizar los refrigerantes inflamables en los equipos refrigeración autocontenidos y en los equipos de aire acondicionado de ventana.

El CO2 subcrítico como fluido secundario

En aplicaciones comerciales como la de los supermercados, los sistemas de refrigeración en cascada normalmente utilizan HFC o, en alguna ocasión, HC, como refrigerante primario. Los supermercados han adaptado la tecnología en cascada por razones económicas y de funcionamiento (la carga de refrigerante primario que puede ser un HFC se puede reducir hasta en un 75%). En este circuito el CO2 líquido se bombea a los muebles exhibidores refrigerados de baja temperatura de los supermercados y se controla mediante el uso de una válvula de expansión electrónica. En los muebles exhibidores refrigerados de media temperatura se suministra líquido desde el mismo circuito o desde un sistema de bombeo dedicado. Los sistemas en cascada de los supermercados se diseñan para que puedan funcionar los muebles exhibidores refrigerados a diferentes temperaturas y para poder tener recuperación de calor para producir agua caliente o calefacción. En general, y a pesar de que se utiliza una bomba para transportar el CO2 líquido, el consumo de energía no es significativamente diferente a los sistemas tradicionales de HFC porque las pérdidas en la línea de succión son menores y la eficiencia de la transferencia de calor del evaporador es mayor. Esto puede dar como resultado un incremento de hasta 10°F en la temperatura de evaporación, compensando el consumo de la bomba de alimentación y el diferencial de temperatura en el intercambiador de calor en cascada.

Referencias: ASHRAE HANDBOOK 2014, Capítulo 3. Carbon Dioxide GIZ Semminar 2014, Carbon Dioxide Bitzer Semminar 2012. http://www.honeywell-refrigerants.com/

El circuito subcrítico básico del CO2

Para poder mantener al CO2 por debajo de su temperatura crítica (31°C) el medio de enfriamiento debe de estar por debajo de esta temperatura. El circuito subcrítico básico del CO2 es un sistema en cascada que consiste en dos sistemas de refrigeración independientes que comparten un intercambiador de calor común . En un circuito subcrítico, la parte de alta presión del circuito se sitúa por debajo del punto crítico es decir el CO2 en el lado de alta presión se condensa. Las presiones del lado de alta se sitúan en el orden de los 30 bar (-5ºC). El condensador del refrigerante CO2 de baja temperatura sirve como evaporador del refrigerante de alta temperatura; este intercambiador de calor conecta térmicamente a los dos circuitos de refrigeración. Para poder mantener al CO2 en fase subcrítica el sistema de HFC o HC debe de estar funcionando en todo momento. Si este se llegara a detener no vamos a poder controlar la presión del CO2. El tamaño del sistema influye en el diseño del intercambiador de calor en cascada: en grandes sistemas de refrigeración industrial se puede usar un intercambiador de calor de tubos envolventes, un intercambiador de calor de placas, o un intercambiador de tipo placas y envolvente; mientras que en sistemas comerciales es más común usar intercambiadores de calor en cascada de placas soldadas, coaxial y de doble tubo. En las aplicaciones a baja temperatura, el CO2 líquido a alta presión se expande hasta una presión más baja y se utiliza un compresor para llevar el gas de succión de nuevo a la presión de condensación. El uso de un sistema en cascada permite reducir la carga del refrigerante de alta temperatura. Esto puede resultar importante en sistemas comerciales, para disminuir las pérdidas de refrigerante HFC.