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

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.

¿Qué es el transcrítico del CO2?

En el ciclo transcrítico del CO2, el compresor eleva la presión del gas por encima de la presión crítica, el calor se libera a la atmósfera enfriando el gas de la descarga sin condensarlo, es decir no va a cambiar de fase va a entrar el gas caliente y va a salir más frío o a la temperatura ambiente en la que el enfriador de gas esté instalado. Este ciclo ó sistema no usa Condesandor utiliza un Enfriador de gas. No vamos a obtener líquido a la salida del enfriador de gas ya que el CO2 no va a cambiar de fase, va disminuir su temperatura. Cuando el gas enfriado pasa a través del dispositivo de expansión, este se convierte en una mezcla de líquido y gas. Si se supera la presión de descarga del compresor, se reduce la cantidad de calor que puede absorber el refrigerante, por lo que hay un punto óptimo de funcionamiento que equilibra el aporte de energía adicional requerida para proporcionar la presión de descarga más elevada y el efecto adicional de enfriamiento logrado mediante la reducción de la entalpia (cantidad de calor absorbido o liberado). Se han desarrollado varios algoritmos de optimización con el fin de maximizar la eficiencia midiendo la presión de saturación de succión y la temperatura de salida del enfriador de gas, regulando el caudal de refrigerante para mantener una presión de descarga óptima. Alcanzar una temperatura en la salida del enfriador de gas tan baja como sea posible es fundamental para una buena eficiencia. Para una eficiencia máxima, el enfriador de gas debe ser capaz de funcionar como un condensador en tiempo frío, y el sistema de control debe ser capaz de pasar del funcionamiento de enfriamiento de gas (donde el flujo de salida del intercambiador de calor refrigerado por aire está restringido) al funcionamiento de condensador (donde se elimina la restricción, como en los sistemas convencionales). En comparación con un sistema directo típico de HFC, el consumo de energía se puede reducir en un 5% en climas fríos como los del norte de Europa, pero incrementar en un 5% en climas más cálidos como los del sur de Europa o Estados Unidos.

Referencias: ASHRAE HANDBOOK 2014, Capítulo 3. Carbon Dioxide GIZ Semminar 2014, Carbon Dioxide Bitzer Semminar 2012.

Refrigerante R-744 Bióxido de Carbono Parte 4

Agujero en la Capa de Ozono

En la década de los setentas, se descubrieron los efectos atmosféricos de las emisiones de CFC, concretamente el debilitamiento de la capa de ozono en la estratósfera. Esto condujo a un esfuerzo concertado de los gobiernos, científicos y los industriales para limitar estos efectos. Estos esfuerzos se convirtieron en el Protocolo de Montreal. Inicialmente, éste tomó la forma de las cuotas de producción, pero pronto se trasladó a una total eliminación, primero de los CFC y ahora de hidroclorofluorocarbonos (HCFC). El elevado potencial de agotamiento de la capa de ozono del CFC y del HCFC impulsó el desarrollo de los refrigerantes hidrofluorocarbonos (HFC). Posteriores investigaciones ambientales desplazan el foco de agotamiento del ozono al cambio climático, produciendo un segundo clasificación conocida como el potencial de calentamiento global (PCG). En los últimos años, CO2 se ha convertido nuevamente en un refrigerante de gran interés. Sin embargo, de alta presión del CO2 en los sistemas (por ejemplo, 490.8 psia a una temperatura de saturación de 30 ° F o 969.6 psia a 80 ° F) presenta desafíos para la contención y la seguridad. Los avances que han tenido los componentes que se utilizan en los sistemas de refrigeración desde la década de 1950 permiten el diseño rentable y eficiente de la alta presión de dióxido de carbono en los sistemas. El nuevo interés que tiene el uso del CO2 en los sistemas modernos de refrigeración se basa en sus propiedades termo físicas: baja viscosidad, alta conductividad térmica y densidad de vapor alta. Éstos resultan en una buena transferencia de calor en evaporadores, condensadores y enfriadores de gas, permite una selección de equipos más pequeños en comparación con los CFCs, HCFCs y los HFCs. El bióxido de carbono es único como refrigerante, está siendo considerado para aplicaciones que abarcan refrigeración, aire acondicionado y calefacción, que se extienden desde congeladores hasta para las bombas de calor y de los equipos domésticos hasta las plantas industriales de refrigeración.

Refrigerante R-744 Bióxido de Carbono Parte 3

Compresor de CO2 instalado en Vienna, Austria
Funcionó desde 1904 hasta 1997
Presión de Prueba 200 bar
Presión de Trabajo: 60 bar
COP: 3.36

La baja toxicidad y la nula inflamabilidad del CO2 fueron las razones fundamentales para que este refrigerante natural se desarrollara. El transporte marino refrigerado con CO2 fué el que creció rápidamente. Ganó popularidad por la confiabilidad que tiene en su uso, fué utilizado para refrigerar y/o congelar una amplia variedad de alimentos y productos perecederos de muchos países alrededor del mundo. La industria del transporte marino refrigerado tuvo un crecimiento importante, y antes de 1910, 1800 sistemas estaban en funcionamiento en los barcos de transporte de alimentos refrigerados. En 1935, los productores de alimentos transportaban millones de toneladas de productos perecederos como carnes, productos lácteos y frutas anualmente hacia Gran Bretaña. América del Norte también utilizó el CO2 en la refrigeración de transporte marino de CO2 en la exportación y en la recepción de los productos alimenticios. La popularidad de los sistemas de refrigeración de CO2 se fue reduciendo cuando los refrigerantes sintéticos aparecieron. El desarrollo del HCFC-22 (clorodifluorometano) en la década de 1940 comenzó a desplazar al CO2 y para la década de 1960 ya había sido casi en su totalidad sustituido en todos los sistemas de transporte marino y terrestre. En 1950, los clorofluorocarbonos (CFC) estaban presentes en la mayoría de los sistemas de refrigeración. Esto incluyó una amplia variedad de refrigeradores domesticos y comerciales que utilizaban CFC. El desarrollo de los compresores herméticos y semiherméticos aceleró el desarrollo de sistemas que utilizaban el CFC. Los siguientes 35 años, un sin número de refrigerantes CFC ganaron popularidad, reemplazando prácticamente a todos los otros refrigerantes naturales exceptuando al amoníaco, que mantuvo su posición dominante en los sistemas de refrigeración industrial.
Referencia: ASHRAE Refrigeration Handbook 2014, Capítulo 3

Refrigerante R-744 Bióxido de Carbono Parte 2

Manómetro de baja presión de CO2
(Transcrítico - Enfriado por Aire)
BFS Kälte Klima Technik
Frankfurt, Alemania

Cuando se utiliza como refrigerante, el dióxido de carbono normalmente opera a una presión mayor que los hidrofluorocarbonos y otros refrigerantes. Si bien esto presenta algunos problemas de diseño, por lo general pueden ser superados en los sistemas específicamente creados para usar dióxido de carbono. Este gas puede usarse con lubricante polietileno glicol de alquileno (PGA), con lubricantes polioléster (POE) o polivinil éter (PVE). 

El bióxido de carbono se utiliza principalmente en:
1. Refrigeración industrial y comercial: sistemas en cascada NH3/CO2.
2. Sistemas compactos.
3. Bombas de calor (calentamiento de agua).
4. Refrigeración comercial: supermercados, sistemas directos, cascada, indirectos.

Un poco de historia
El bióxido de carbono tiene una larga historia como refrigerante. Desde la década de 1860, las propiedades de este refrigerante natural se han estudiado y probado en los sistemas de refrigeración. En los primeros días de la refrigeración mecánica, había pocos compuestos químicos adecuados que estaban disponibles para utilizarse como refrigerantes. La amplia disponibilidad del CO2 lo hizo un refrigerante viable. El uso de los sistemas de refrigeración de CO2 inició en la década de 1890 convirtiendose en el refrigerante de elección para la congelación y transporte de productos alimenticios perecederos en todo el mundo. La carne y otros productos alimenticios procedentes de Argentina, Nueva Zelanda y Australia fueron enviados a través de buques frigoríficos a Europa para la distribución y consumo. Para 1900, más de 300 barcos refrigerados estaban entregando productos cárnicos procedentes de muchos países. En el mismo año, Gran Bretaña importó 360,000 toneladas de carne de vacuno refrigerada y cordero desde Argentina, Nueva Zelanda y Australia.

Referencia: ASHRAE Refrigeration Handbook 2014, Capítulo 3

Refrigerante R-744 Bióxido de Carbono Parte 1

Tanques de CO2
BFS Kälte Klima Technik
Frankfurt, Alemania

El bióxido de carbono (CO2) es otra de las alternativas para sustituir a los HFC (hidrofluorocarbonos) porque no daña la capa de ozono y es un refrigerante natural. Es un fluido inodoro, incoloro y más pesado que el aire. Su Potencial de Calentamiento Global (PCG) es de uno. Lo que significa que este gas es la referencia para determinar el PCG de otros gases y su valor de Potencial de Agotamiento de la Capa de Ozono (PAO) es de cero, favoreciéndolo en el aspecto ambiental. Aunque el CO2 es necesario para la vida en la Tierra, es también un Gas de Efecto Invernadero (GEI). Es clasificado por los Estándares 34 de ASHRAE y el DIN EN 378 como tipo A1 (no inflamable y de baja toxicidad). Como se mencionó anteriormente, el hecho de ser más pesado que el aire puede resultar peligroso (especialmente en espacios reducidos), al no tener aroma autoalarmante (no tiene un olor detectable), puede desplazar al oxígeno hasta límites nocivos para la salud. Estas características llevan a la necesidad de tener una especial atención en la detección de fugas y la ventilación de emergencia. Tiene baja compatibilidad química con los materiales comunes y una buena solubilidad con el lubricante polietileno glicol de alquileno (PGA) y el polioléster (POE). Posee un muy bajo costo y está disponible en cualquier cantidad en todo el mundo.

Referencia: Buenas Prácticas en el Uso de Sustancias Alternativas a los Hidroclorofluorocarbonos. SEMARNAT.