Aplicación del CO2 (R-744) como refrigerante en ciclos subcríticos y ciclos transcríticos.
por Ing. Ernesto Sanguinetti Remusgo*
Con los refrigerantes CloroFluoroCarbonados (CFC) retirados del mercado y luego con los refrigerantes HidroCloroFluoroCarbonados (HCFC) en pleno proceso de retiro del mercado, el problema del daño a la capa de ozono terrestre está encaminado hacia su solución. Ahora estamos frente a otro reto también medio ambiental: El “efecto invernadero”, que es un fenómeno producido por una serie de gases que se acumulan en la atmósfera, dentro de los cuales están los fluidos refrigerantes, y que causan que una parte de la radiación que emite la tierra hacia el exterior sea reflejada de nuevo hacia la superficie del planeta.
Este efecto está ocasionando un aumento de las temperaturas de la superficie terrestre, conocido como “calentamiento global”. Este aumento de las temperaturas está afectando a nuestro planeta, causando un cambio en el clima cuyos efectos más notorios son la desertización, el aumento de los fenómenos meteorológicos extremos y el aumento del nivel del mar.
Los fluidos refrigerantes utilizan los indicadores o coeficientes GWP (Global Warming Potential) o PCA (Potencial de Calentamiento Atmosférico), para saber cuán nocivo es el refrigerante y si contribuye mucho, poco o nada en el calentamiento global. El indicador se basa en la comparación con el CO2 que es el principal contribuyente a este fenómeno, al que se le otorga un GWP = PCA = 1.0. Este es un dato importante, ya que actualmente existen gases refrigerantes con GWP o PCA cerca a 2.000 (como el R-410A), es decir, 2.000 veces más perjudiciales para el calentamiento global que el CO2.
Según algunas fuentes de información confiables, si en el año 2004 los refrigerantes fluorados eran responsables del 1,3% del calentamiento global, para el año 2050 su responsabilidad podría ascender al 8%. Por ello, las regulaciones que se impongan al respecto sirven para frenar este aumento progresivo y acostumbrase a usar refrigerantes sostenibles ( GWP o PCA = 0 o muy pequeño), tanto como reemplazo de refrigerantes que tienen elevados GWP o PCA que están cargados en equipos con muchos o pocos años de funcionamiento, así como en la carga de equipos nuevos.
Como referencia mostramos la siguiente tabla donde aparecen los efectos de algunos refrigerantes que ya no se emplean, otros en vías de desaparición, refrigerantes vigentes y refrigerantes futuros, sobre la capa de ozono y sobre el calentamiento global:
Tabla 1.
Las regulaciones, como la Enmienda de Kigali en Ruanda, Africa (2016); que se refiere a la reducción en el consumo y producción de los refrigerantes HidroFluoroCarbonados (HFC) de elevados GWP; traen consigo un importante movimiento del mercado en busca de refrigerantes alternativos o sustitutos que mantengan el mercado competitivo y seguro, mientras que paralelamente existe preocupación por la eficiencia energética y la sostenibilidad.
La alternativa que está cobrando fuerza dentro de la actual y futura tendencia de los refrigerantes son los refrigerantes Naturales, que son fluidos biodegradables presentes en la naturaleza que no contribuyen o lo hacen en mínima escala al calentamiento global.
Figura 1.
Dentro de los refrigerantes naturales tenemos a los Hidrocarburos (Propano, Butano), al Amoníaco y paradójicamente, según lo explicado sobre el “calentamiento global” el que tiene mucho futuro en refrigeración comercial e industrial es el Dióxido De Carbono o CO2 o R-744, que no es un nuevo refrigerante porque se usó desde finales del siglo XIX hasta inicios del siglo XX, siendo desplazado por los refrigerantes CFC y HCFC, pero con los problemas medio ambientales que han creado éstos fluidos, luego la mejora en la tecnología de fabricación de compresores, válvulas, controladores, dispositivos de seguridad y procedimientos de instalación ha vuelto a cobrar actualidad y se está usando cada vez más.
Hasta ahora, en la “cadena de frío alimentario”, incluyendo los supermercados, los sistemas de mayor uso son los de expansión directa con refrigerantes R-404A y R-507 (debemos señalar que todavía existen sistemas con R-22) tanto para baja como media temperatura, con su respectivo condensador actuando como centrales independientes, cada una con su propio refrigerante, pudiendo tener cada central un solo compresor o dos o más en paralelo (racks).
Como mejora y que hasta ahora se usa mucho, aparecieron las centrales con varios compresores o “racks” de compresores en paralelo pero con un grupo de compresores destinados a baja temperatura y otro grupo destinado a media temperatura, teniendo un solo condensador remoto para todo el sistema de expansión directa.
En estos días nos estamos enfrentando al análisis de ver todas las posibilidades de sustituir éstos refrigerantes que tienen alto GWP o PCA por refrigerantes con nulo o bajo GWP y/o mezclas de gases, para alargar la vida útil de las instalaciones mientras les llega el tiempo de sustitución. La sustitución tiene un potencial económico muy elevado por la gran cantidad de instalaciones actuales con R-404A, R-507, R-22 ya que no se trata simplemente de cambiar de refrigerante y utilizar al CO2 u otro refrigerante natural de forma inmediata, sino que debe cambiarse todo el sistema.
Las instalaciones nuevas que optan por los refrigerantes naturales y por el CO2 en particular no tendrán ese problema, ya están diseñados y dotados con componentes para ellos.
Subcrítico y Transcrítico
El CO2, se puede usar de dos maneras: Sistema con ciclo sub-crítico y sistema con ciclo transcrítico:
A.-Cuando se condensa debajo del punto crítico se denomina Sistema con ciclo subcrítico.
Para condensar al CO2 debajo de su punto crítico (PRESION = 7.382 MPa = 73.82 bar = 1,070 psia, TEMPERATURA = 304.1°K = 31°C) se debe utilizar otro sistema o circuito frigorífico con otro refrigerante (R-134a,R-290, R-1270, R-717) para que el evaporador de este sistema enfríe al condensador del sistema o circuito de CO2 y lo condense “en cascada”.
En el esquema se muestra un sistema sub-crítico de CO2 para aplicación de baja temperatura “en cascada” con otro sistema que utiliza refrigerante HFC (puede ser R-134a).
Desde el 2,015 en el Perú hemos instalado y tenemos funcionando hasta el momento sistemas de este tipo en doce supermercados para obtener tanto medias como bajas temperaturas en los exhibidores de alimentos y cámaras frigoríficas.
Figura 2.
B.-Si el proceso previo a la condensación se realiza en un “enfriador” ( ya no se denomina condensador) que está a una presión y temperaturas superiores a la crítica se denomina: sistema con ciclo transcrítico.
El CO2 tiene una temperatura crítica mayor que las temperaturas ambientes normales. En este caso transcrítico, a diferencia de los circuitos comunes que tienen temperatura constante en los condensadores, presentan una temperatura variable según se intercambia calor para enfriar el CO2. A ese intercambiador de calor que puede ser enfriado por aire ambiente o por agua lo denominamos “enfriador” y las presiones de trabajo son muy altas (entre 90 y 100 bar o entre 1160 y 1450 psia).
Hay que tomar muy en cuenta la temperatura del gas CO2 a la salida del “enfriador” porque por ejemplo con una temperatura de salida de 35°C y estando en el rango de presiones que señalamos se alcanza un mejor Coeficiente de Funcionamiento o de Perfomance (COP) del sistema. Si se trabaja con presiones superiores o inferiores a ese rango disminuirá el COP con la correspondiente pérdida de eficiencia energética. También hay que señalar que si la temperatura de salida cambia a 40°C, la presión correspondiente deberá ser superior y si es de 30°C la presión será menor.
Cuando se mejoró la construcción de compresores herméticos y semiherméticos, y además, se encontraron aceites que presentan buenas propiedades de lubricación en los sistemas con CO2 tanto en bajas como en altas temperaturas, soportando a la vez las bajas y las altísimas presiones, la posibilidad de hacer un sistema de compresión en dos etapas del CO2 o como en inglés le llaman usar “booster”, en lugar de trabajar “en cascada” con dos refrigerantes se volvió atractiva porque se utilizaría un solo refrigerante natural en todo el circuito frigorífico.
Hay muchas variantes de este sistema: compresión en dos etapas con o sin compresor “paralelo”, con válvula “By-pass”, uso de intercambiadores para mejorar sub- enfriamientos y otras. Una variante muy importante fué la incorporación de eyectores que reducen el número de compresores o su tamaño porque se utiliza la propiedad que tienen para comprimir gases refrigerantes y así reducir las necesidades energéticas en la central de compresores de alta temperatura, mejorando la eficiencia energética de todo el sistema. Ver esquema que muestra lo que ocurre en un eyector:
Figura 3.
Con el sistema transcrítico se superan las limitaciones de los refrigerantes actuales que dañan el medio ambiente a la vez se mejoran las eficiencias en las instalaciones frigoríficas, pero como en toda inversión, deben analizarse tanto el costo de adquisición como el de la instalación del sistema, para saber la tasa de retorno con el ahorro de energía.
En el esquema que sigue mostramos un sistema con ciclo transcrítico simple para aplicaciones en media y baja temperatura en el sistema de frío alimentario de un supermercado, con su diagrama Presión vs. Entalpía. Este sistema se recomienda para zonas con climas fríos.
Figura 4.
Figura 5.
En el esquema que sigue se muestra un sistema con ciclo transcrítico de CO2 mejorado con eyectores y compresor paralelo, en un sistema frigorífico para obtener tanto medias como bajas temperaturas. Este sistema se puede aplicar en zonas con climas fríos y con climas semitropicales.
En el Perú, a fines del 2018 instalamos y tenemos funcionando el primer sistema transcrítico de éste tipo aplicado en el sistema de frío alimentario de un supermercado para obtener medias y bajas temperaturas en los diversos exhibidores de alimentos y cámaras frigoríficas. A lo largo de éste año esperamos instalar otros sistemas similares.
Figura 6.
* Ing. Ernesto Sanguinetti Remusgo- Gerente de la División de Ingeniería de COLD IMPORT S.A. – Lima - PERU.
Excelente información,Gracias por compartir, Saludos desde Cali,Colombia.