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.
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| 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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