20 diciembre 2011

El CO2 en aplicaciones de refrigeración (1ª PARTE)



En este nuevo artículo sobre refrigeración vamos a describir las posibilidades del CO2 como refrigerante. El dióxido de carbono no es un nuevo refrigerante. Alexander Twining propuso usar CO2 como refrigerante en una patente otorgada en 1850.  Thaddeus S.C. es quizás más conocido por su experimentación con balones militares de CO2, diseñando una máquina de hielo usando CO2 en 1867. Lowe también desarrolló una máquina para transporte marítimo de carne helada.
El uso de CO2 llegó a ser más y más prevalente, alcanzando el pico en el periodo entre 1920 y 1940, aunque se debilitó después debido a problemas técnicos con la alta presión y las pérdidas. Posteriormente Dupont comercializó con éxito los refrigerantes de CFC.  Las preocupaciones con la disminución del ozono y el calentamiento global propiciaron restricciones en el uso de CFCs y HFCs y por las restricciones de carga para grandes sistemas de amoniaco.

Ilustración 2. Propiedades de CO2 comparadas con otros refrigerantes comunes


CO2 como refrigerante
CO2 es uno de los llamados refrigerantes naturales, un grupo que incluye amoniaco, hidrocarburos tales como propano y butano, y agua. Cada una tiene sus desventajas respectivas limitando sus posibilidades de aplicación. En comparación, CO2 no es tóxico ni inflamable, pero tiene un papel ambiental dual. Aunque CO2 es necesario para la vida en la tierra, también es un gas de efecto invernadero.
Las propiedades termodinámicas del CO2 son similares a las de otros refrigerantes comunes, pero hay algunas diferencias comunes. El punto triple del CO2 es mucho más alto que en otros refrigerantes comunes.
La presión crítica del CO2 es 1,067 psia, y la temperatura crítica es de 88 ºC. Por encima del punto crítico, en la fase supercrítica, CO2 tiene propiedades que son casi similares a los de vapor de alta densidad.
La presión saturada a temperatura ambiente es a menudo la primera barrera a considerar cuando se propone CO2 como refrigerante. A 68 grados, la presión saturada es 829,6 psia. CO2 puede ser usada en varias configuraciones, dependiendo de los requerimientos de la aplicación. La configuración es muy dependiente de la aplicación.
Un sistema de CO2 puede diseñarse en diferentes configuraciones, expansión directa (DX), circulación de bomba, salmuera secundaria, y una combinación de estas. La descripción de algunos de estos sistemas comunes son los siguientes.
CO2 en sistemas industriales
Los sistemas industriales muestran configuraciones que pueden ser más efectivas en aplicaciones más selectivas. Por ejemplo, puede usarse un sistema de refrigeración de baja temperatura ( - 40 ºC) que usa CO2 como un refrigerante de cambio de fase en un sistema en cascada con amoniaco en el lado de alta presión.
El sistema de CO2 es un sistema de circulación de la bomba donde el CO2 líquido es bombeado desde el receptor al evaporador, donde en parte es evaporado antes de volver al receptor. El CO2 evaporado es comprimido en un compresor de CO2, y el condensado en un intercambiador de calor CO2-NH3. El intercambiador de calor actúa como un evaporador en el sistema NH3.
El mismo sistema puede incluir un sistema de desescarche de gas caliente CO2. Otro ejemplo puede ser un sistema de refrigeración de baja temperatura ( - 40 ºC) usando CO2 como un sistema de salmuera con amoniaco en el lado de alta presión.
Presión de diseño
Hay dos factores importantes a tener en consideración cuando determinemos la presión de diseño de un sistema de CO2: presión alta fuera de ciclo y presión de desescarche cuando se usa desescarche con gas caliente.
La presión fuera de ciclo puede ser muy alta. El desafío puede conseguirse de varias formas:
Un sistema de refrigeración separado, pequeño, puede usarse para mantener la temperatura del líquido a niveles donde la presión es menor que la presión de diseño. Esta es la solución más común para las aplicaciones de refrigeración industrial.
El recipiente de expansión del sistema puede ser un volumen que previene la presión que excede la presión de diseño.
El sistema puede diseñarse para resistir la presión saturada a la temperatura de diseño (aproximadamente 1.160 psig).
La presión de desescarche durante el desescarche debe ser tomada también en consideración.
No predomina ningún método de desescarche. Se usa desescarche natural, agua, eléctrico y desescarche de gas caliente, dependiendo del sistema y la disponibilidad de compresores convenientes y otros componentes.
De las diversas estrategias de desescarche, el gas caliente CO2 es el más eficiente, especialmente a bajas temperaturas, pero también tiene la demanda de presión más alta. Con una presión de diseño de Psat = 725 bar, es posible alcanzar una temperatura de desescarche de 48 grados a 50 grados. La presión saturada a 48 grados es 636,7 psig.  Añadiendo un 10 % para las válvulas de seguridad y aproximadamente un 5 % para los picos de presión, el requerimiento es para Psat de presión de aproximadamente 725 psig.
Eficiencia
Los sistemas en cascada CO2/NH3 requieren un intercambiador de calor. Introduciendo los intercambiadores se crea una pérdida en la eficiencia del sistema debido a la necesidad de tener un diferencial de temperatura entre los fluidos. Pero los compresores funcionando con CO2 tienen mayor eficiencia y la transferencia de calor es mayor. La eficiencia total, por lo tanto, de un sistema en cascada CO2/NH3 no es más baja cuando se compara a la de un sistema NH3 tradicional.
Aceite en sistemas de CO2
Ya sea miscible o inmiscible, los aceites pueden usarse en los sistemas de CO2 con compresores de refrigeración tradicionales. En los sistemas de CO2 con aceite inmiscible tal como PAO (polialfaolefinas), el sistema de gestión del aceite es bastante complicado. Los requerimientos de filtración del aceite son altos, y la separación del aceite desde CO2 es complicado por el hecho de que el aceite es menos denso que el CO2.
En sistemas de CO2 con aceite POE (poliolester), los requerimientos del sistema de gestión del aceite son simples en comparación. El desafío en los sistemas POE es la estabilidad del aceite POE.
En los sistemas de salmuera de CO2, y en sistemas de circulación de bombas con compresores libres de aceite, no hay aceite presente en el CO2 circulado. Desde el punto de vista de la eficiencia, ésta es una solución óptima debido a unos buenos coeficientes de transferencia de calor en los evaporadores. Sin embargo, requiere que todas las válvulas, controles, y otros componentes sean capaces de operar en seco.
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