Uno de los refrigerantes que más mercado está obteniendo es el CO” y por ello es importante conocer profundamente sus características para hacer la mejor elección.
por Ing. Ernesto Sanguinetti Remusgo*
Anteriormente al CO2 se le llamaba anhídrido carbónico, pero hace algunos años, la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada realizó cambios en la nomenclatura inorgánica estableciendo el uso del nombre de Oxido para los anhídridos de ácidos inorgánicos como los ácidos carbónico, sulfúrico, nítrico y por ello ahora se usan términos como dióxido de carbono en lugar de anhídrido carbónico, trióxido de azufre en lugar de anhídrido sulfúrico, óxido de nitrógeno en lugar de anhídrido nítrico.
Lo malo
El dióxido de carbono se considera un gas de efecto invernadero, que absorbe y emite radiación infrarroja.
La radiación solar en frecuencias de la luz visible pasa en su mayor parte a través de la atmósfera para calentar la superficie de nuestro planeta, parte de esa energía es absorbida por la superficie y parte es emitida en frecuencias menores de radiación térmica infrarroja hacia fuera del planeta. Por miles de años ese equilibrio se mantuvo por lo que la temperatura promedio de la atmósfera se mantuvo inalterable y como sabemos con estaciones muy definidas a lo largo de cada año de acuerdo a la ubicación geográfica. La radiación solar entrante en la atmósfera debe estar compensada por la radiación saliente, pues si la radiación entrante es mayor que la radiación saliente se produce un calentamiento global y si sucede lo contrario se produce un enfriamiento global.
Sin embargo, las actividades que han llevado al desarrollo y progreso humano desde la Revolución Industrial, principalmente con la quema de combustibles fósiles, tala de arboles y quema de bosques, están desequilibrando el intercambio de calor causando el denominado “efecto invernadero” o “calentamiento global”.
El “efecto invernadero” es un proceso mediante el cuál la radiación térmica emitida por la superficie de la tierra es absorbida por los gases de efecto invernadero atmosféricos ( ubicados a la altura de las nubes) y es re-irradiada en todas las direcciones. Parte de esta radiación es devuelta hacia la superficie y la atmósfera inferior, dando como resultado un incremento de la temperatura superficial media respecto a lo que habría en ausencia de dichos gases.
La mayoría de especialistas indican que el aumento en la concentración atmosférica de CO2,y por lo tanto en el efecto invernadero inducido por CO2 es la principal razón del aumento de la temperatura media global desde mediados del siglo pasado. El principal gas de efecto invernadero responsable del calentamiento es el CO2 pero también contribuyen el metano, el óxido nitroso, el ozono, y otros gases entre ellos los refrigerantes que usamos en equipos de refrigeración y de aire acondicionado. El CO2 es el más preocupante, porque ejerce una mayor influencia en el calentamiento que todos los otros gases combinados, y porque tiene una larga vida. Se estima que la masa de CO2 emitido a la atmósfera: alrededor de un 50 % tardará 30 años en desaparecer, un 30 % permanecerá cien o doscientos años y el 20 % restante durará varios siglos.
Por ello se están tomando medidas correctivas a través del tan comentado Protocolo de Kioto.
Lo bueno
El CO2 es tan habitual y frecuente en nuestra vida que muchas de las cosas que consumimos y hacemos en nuestro día a día, no sabemos o no nos damos cuenta que funcionan o están hechas con este compuesto:
Se utiliza como agente extintor del fuego porque dificulta el contacto de las llamas con el oxígeno del aire.
En la industria alimentaria, se utiliza en bebidas carbonatadas: gaseosa, cerveza, champagne. También para conservar vegetales en atmósferas controladas y como “hielo seco” para conservar helados.
En la medicina: agente de insuflación en cirugías laparoscópicas, agente de contraste en radiología de vasos sanguíneos, en láser de CO2, tratamiento de heridas craneales y úlceras, tratamientos estéticos, tratamiento de problemas circulatorios. Como “hielo seco” se utiliza para el transporte a larga distancia de especímenes biológicos, para la criopreservación, para el almacenaje de plaquetas de sangre sin necesitar el uso de congeladores electromecánicos.
En agricultura, se puede utilizar como abono: las plantas no pueden absorberlo por las raíces pero se puede añadir para bajar el pH, evitar los depósitos de cal y hacer más disponibles los nutrientes del suelo. Como agente de insensibilidad de cerdos o gallinas, los que antes de ser sacrificados son expuestos al CO2. No queda ningún tipo de residuo en la carne.
Se usa para crear niebla artificial y apariencia de agua hirviendo, en efectos especiales en el cine, televisión y espectáculos. También en refrigeración se utiliza como “hielo seco” para conservación de algunos productos congelados y como fluido refrigerante en máquinas frigoríficas por compresión de vapor.
Utilización en refrigeración
El daño a la Capa de Ozono y el Calentamiento Global han llevado a que el mundo de los refrigerantes usados en los equipos de refrigeración y de acondicionamiento de aire tome un nuevo rumbo a través de los llamados “refrigerantes ecológicos”. Dentro de ellos está el CO2 que se presenta como una novedad y por ello muchas personas creen que se trata de un nuevo refrigerante pero no es así.
Hacia el año 1,750 el CO2 es identificado como una sustancia distinta del aire porque el escocés Joseph Black observó que el carbonato de calcio presente en la piedra caliza, al calentarse, producía un gas que llamó "aire fijo". Ese “aire fijo” ó anhídrido carbónico era más denso que el aire y que no servía para lograr ni mantener el fuego. Posteriormente se encontró que el anhídrido carbónico, ahora dióxido de carbono se produce durante la respiración animal y en la fermentación.
Hacia el año 1,772, el químico inglés Joseph Priestley publicó un documento en el que describe un proceso de goteo de ácido sulfúrico sobre la tiza para producir dióxido de carbono, ese gas lo hizo pasar por agua contenida en un recipiente y agitando el recipiente para que exista más contacto entre agua y gas, obtuvo agua con minúsculas partículas de gas distribuidas en su seno. Sin darse cuenta había inventado el agua carbonatada.
La aplicación del bióxido de carbono en sistemas de refrigeración data desde hace muchos años:
- El CO2 fué licuado (a presiones elevadas) en 1823 por Humphry Davy y Michael Faraday.
- En 1,834 Charles Thilorier describe lo que es de dióxido de carbono sólido luego de destapar un recipiente a presión que contenía CO2 líquido.
- En 1,850, Alexander Twining fue la primera persona que propone al CO2 como refrigerante y lo menciona en una patente británica de ese año.
- En 1,867, Thaddeus S. C. Lowe experimentó con el CO2 en globos con uso militar, también diseñó una máquina de hielo usando CO2 y hacia 1,878 construyó una máquina para transportar carne congelada en barcos.
- Pasó el tiempo y los sistemas de refrigeración con CO2 tuvieron cierto arraigo entre los años 1,925 y 1,933 porque era la opción preferida para el uso en los barcos en lugar del NH3 o amoniaco.
- Entre 1,929 y 1,935 aparecen los refrigerantes CloroFluoroCarbonados (CFC) y la aplicación del CO2 como refrigerante disminuyó bruscamente, porque esos nuevos fluidos refrigerantes tenían buena capacidad de refrigeración, no eran tóxicos ni inflamables y principalmente tenían muy bajas presiones de trabajo para cualquier rango de temperatura.
Diagrama de fases
Es importante conocer el comportamiento del CO2 y por ello resulta interesante compararlo con un fluido con el cuál estamos muy familiarizados: el agua.
Imagen 1
Condiciones del Punto Triple del agua:
PRESIÓN = 611.73 Pa = 0.00611 bar = 0.089 psia
TEMPERATURA = 273.16 °K = 0.0098°C ( se considera 0.01°C)
Condiciones del Punto Crítico del agua:
PRESIÓN = 22.1 MPa = 221 bar = 3,205.3 psia
TEMPERATURA = 674.4°K = 374.2°C
Se observa que a presión atmosférica podemos pasar de sólido a líquido y luego a vapor conforme aumenta la temperatura, porque su Punto Triple está por debajo.
Se observa también que su Punto Crítico está a muy alta presión y temperatura, siendo difíciles de alcanzar a condiciones normales de uso.
El gráfico también muestra que la curva de saturación que separa las fases Sólido-Líquido tiene ligera pendiente hacia la izquierda. Es comportamiento exclusivo del agua porque cualquier otra sustancia que exista en la naturaleza tendrá pendiente hacia la derecha como veremos para el CO2. Gracias a esa propiedad es que solo se puede “patinar” sobre el hielo hídrico.
Imagen 2
Condiciones del Punto Triple del CO2:
PRESIÓN = 518 KPa = 5.18 bar = 75.13 psia
TEMPERATURA = 216.55 °K = - 56.56°C ( se considera -56.6°C)
Condiciones del Punto Crítico del CO2:
PRESIÓN = 7.382 MPa = 73.82 bar = 1,070 psia
TEMPERATURA = 304.1°K = 31°C
Se observa que a presión atmosférica podemos pasar directamente de sólido a vapor ( proceso de Sublimación ) conforme aumenta la temperatura, porque su Punto Triple está por encima. Nos indica también que debe tenerse cuidado al manipularlo en los equipos porque fácilmente pasa de líquido a sólido (Hielo seco) en aplicaciones de baja temperatura.
Su Punto Crítico está a alta presión, pero su temperatura está muy cercana a la temperatura ambiente, siendo fácil de alcanzar a condiciones normales de uso. Debido a esa propiedad es que se puede trabajar en los equipos frigoríficos cumpliendo un ciclo termodinámico con el proceso de condensación debajo del Punto Crítico ( condición Subcrítica) así como con el proceso de condensación sobre el Punto Crítico ( condición Supercrítica o Transcrítica) que como explicación gráfica se puede mostrar así:
Imagen 3. Figura que muestra los Ciclos Termodinamicos Subcrítico y Transcrítico para el CO2
Para países con temperaturas ambientales altas y relativamente altas , que aproximadamente están comprendidos entre los paralelos 40° latitud Norte y 35° latitud Sur conviene trabajar con ciclos Subcríticos para no sobrepasar los 31°C de temperatura de condensación del CO2 o refrigerante R-744 según nomenclatura de la ASHRAE.
Nótese que el condensador en un ciclo transcrítico realmente es un enfriador de refrigerante y que la condensación propiamente dicha se realiza en el dispositivo de expansión.
Como referencia mostramos esquemáticamente el uso del CO2 o R-744 como refrigerante secundario “enfriado” por otro refrigerante para poder ser bombeado como líquido es una aplicación donde el evaporador se convierte en un enfriador. Ello solo se usa en aplicaciones de media/alta temperatura.
Imagen 4
También, como referencia mostramos esquemáticamente el uso del CO2 o R-744 como refrigerante secundario “en cascada” con otro refrigerante para cumplir un ciclo termodinámico subcrítico. En este caso el evaporador de R-744 se usa para aplicaciones de media/baja temperatura.
Imagen 5
Cuando se usan compresores en paralelo o “racks” de compresores que permiten variar la capacidad del sistema o uno de los compresores es “Inverter” ó “Digital” es mejor utilizar válvulas de expansión electrónicas en lugar de válvulas de expansión termostáticas porque modulan el flujo de refrigerante y se acomodan a las variaciones de carga térmica lográndose gran ahorro de energía en su conjunto.
Los supermercados están aprovechando muy bién éstos sistemas de refrigeración , pudiendo combinar ambos sistemas explicados.
* Ing. Ernesto Sanguinetti R. es el Gerente de la División de Ingeniería en Cold Import S.A en Lima, Perú. Puede ser contactado a través del correo electrónico [email protected]
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