El CO2 en aplicaciones de refrigeración (2ª PARTE)

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Tamaño de componente, carga de refrigerante

Debido a las propiedades termodinámicas del CO2, en particular el nivel de presión relativamente alto, la capacidad del compresor es significativamente más alta para el CO2 que para NH3. Las dimensiones para las líneas de vapor son más pequeñas, pero son más grandes para las líneas de líquido.

La norma europea EN 378 clasifica al CO2 como un refrigerante no tóxico L1, mientras que el amoniaco se clasifica como un refrigerante tóxico L2. Incluso aunque NH3 se ha usado durante muchos años, los requerimientos han sido cada vez más restrictivos en los últimos años, particularmente en Europa. Hay, por lo tanto, un gran interés en minimizar la carga de NH3.

El sistema en cascada CO2-NH3 se considera una solución perfecta, con el NH3 usado limitado a una pequeña carga que tiene que estar  contenida en una habitación de maquinaria especial que cumple los requerimientos de seguridad necesarios.  El CO2 es luego distribuido a todos los enfriadores.

Compatibilidad de materiales

Al contrario que el NH3, el CO2 es compatible con casi todos los materiales metálicos comunes. Cuando se usa cobre o latón, no hay restricciones desde el punto de vista de la compatibilidad. La compatibilidad del CO2 con polímeros es mucho más compleja.

Debido a que el CO2 es una sustancia inerte y estable, las reacciones químicas con polímeros no son una preocupación. Los principales problemas proceden de problemas fisicoquímicos tales como penetración, hinchazón, y la generación de cavidades y fracturas internas son los asuntos principales. Estos efectos están relacionados con la solubilidad y difusividad del CO2 en el material actual.

La solubilidad del CO2 en algunos polímeros también debe tomarse en consideración. Algunos polímeros comúnmente usados no son compatibles con CO2; otros (tales como los materiales de sellado) requieren diferentes métodos de fijación.

Cuando la presión está próxima a la presión crítica y la temperatura es alta, el impacto del CO2 en los polímeros es mucho más pronunciado. Aquellas condiciones, sin embargo, no son importantes en refrigeración industrial, donde las presiones temperaturas son más bajas.

El agua en los sistemas NH3, es bien conocido que hay problemas de reacción con aceite, oxígeno, agua y contaminantes sólidos. Estos problemas se manejan por cambios de aceite frecuentes y purgas de aire. Estos problemas se manejan por cambios de aceite frecuentes y purgas de aire. Comparado con NH3, CO2 es menos sensible, pero pueden ocurrir problemas si el agua está presente.

La presión del sistema de CO2 siempre es mayor que la presión atmosférica; por lo tanto no hay los mismos riesgos de penetración de aire y agua en grietas que hay, por ejemplo, en los sistemas NH3. Sin embargo la permeabilidad del agua en el sistema aún es posible.

El agua puede también entrar en los sistemas de CO2 que se encuentran a alta presión. Veamos por qué:

• El agua puede entrar durante la carga debido a que hay diferentes grados de CO2, algunos de los cuales permiten un contenido de agua relativamente alto.
• Debido a que CO2 se considera como un refrigerante muy seguro, a veces se maneja sin seguir precauciones de seguridad normales. Si el sistema se abre, el aire puede penetrar en él, y la humedad puede condensarse en el interior de los tubos. Asimismo, algo de agua puede retenerse si el sistema no se evacua apropiadamente.
• El agua puede entrar cuando cargamos el lubricante (aceite) al compresor.

La cantidad de agua que puede tolerarse es mucho más baja para los sistemas de CO2 que para los sistemas con refrigerantes más comunes. Si el contenido del agua excede el punto de rocío (según la curva de un refrigerante dado), y la temperatura es inferior a 0 ºC, el agua se congelará, creando un riesgo de bloqueo de las válvulas de control y otros problemas. El agua puede eliminarse fácilmente montando un secador en el sistema. Los secadores son muy eficientes en los sistemas de CO2, y normalmente se montan la línea de líquido para evitar la creación de cualquier caída de presión innecesaria.

Válvulas de seguridad y pérdidas

La localización de pérdidas más crítica en los sistemas en cascada de CO2-NH3 es un intercambiador de calor entre CO2 y NH3. La presión del CO2 será más alta que la del NH3, así que ocurrirán pérdidas en el sistema NH3, que pueden llegar a contaminarse.

El carbonato amónico, una sustancia sólida, se forma inmediatamente cuando CO2 entra en contacto con NH3. El carbonato amónico es corrosivo.

Debido a que el punto triple del CO2 se produce a  una presión mucho más alta que en ningún otro refrigerante común. Si se monta una válvula de seguridad en un sistema de CO2 a (por ejemplo) 50 bares, la presión en la línea aguas abajo (salida) desde la válvula de seguridad pasará el punto triple a 5,2 bares. Por debajo del punto triple, CO2 cambiará de una mezcla de líquido y vapor en una mezcla de sólido y vapor.

La formación de CO2 sólido en la línea aguas abajo puede, en el peor de los casos, bloquear la línea. La solución más eficiente a este problema es montar una válvula de seguridad sin una línea de salida, fluyendo así directamente a la atmósfera. El cambio de fase del CO2 no tiene lugar directamente en la válvula, sino justo después de la válvula, y en este caso en la atmósfera.

Bilbiografía:

•  CO2 en refrigeration applications. October 2003. The News Air conditioning, heating, refrigeration.
•  CO2 In Industrial Refrigeration. October 2003. The News Air conditioning, heating, refrigeration.