Refrigeración con CO2 transcrítico

Refrigeración con CO2 transcrítico

Refrigeración con CO2 transcrítico

Conocido comúnmente como R-744 al ser usado como refrigerante, el dióxido de carbono (CO2) se ha convertido en uno de los refrigerantes naturales más populares en los últimos tiempos.

Se trata de un refrigerante clasificado según el Reglamento de Seguridad para Instalaciones Frigoríficas como “Clase de Seguridad = A1”, es decir, “no inflamable” y “baja toxicidad”.

Presenta unas propiedades termo-físicas excelentes, aunque plantea dificultades debido a su bajo valor de temperatura crítica (30,978 °C) y sus altas presiones. Tiene una capacidad volumétrica muy superior a la de refrigerantes convencionales.

Este gas posee una alta conductividad térmica y alta densidad en fase gaseosa, lo que  supone una buena transferencia de calor en los evaporadores, condensadores y enfriadores de gas; así, estas características permiten una selección de equipos más pequeños en comparación con los que utilizan CFC, HCFC y HFC. Asimismo, debido a que tiene una baja caída de presión, permite reducir el diámetro de las tuberías.

 

Diagrama de fases del CO2

Puntos principales dentro del diagrama de fases:

  • Punto crítico: 30,98 °C y 73,77 bar 🡪 cambio de fase sin condensación
  • Punto triple: -56,56 °C y 5,187 bar 🡪 la expansión de líquido produce hielo seco (sólido)

El CO2 tiene como particularidad la baja temperatura de saturación en el punto crítico (30.98 °C), con una alta presión en este punto (73.77 bar).

¿Qué ocurre en la región crítica?

Al acercarnos al punto crítico, las densidades del líquido y del vapor tienden a un mismo valor, desapareciendo la diferencia entre líquido y vapor al llegar al punto crítico. Aparece una región con elevada densidad.

En la refrigeración con CO2, el punto crítico define el tipo de equipo y modo de operación. Con temperaturas ambiente por debajo de los 25 °C aprox. trabaja en ciclo subcrítico, mientras que con temperaturas superiores trabaja en ciclo transcrítico.

 

Ciclo Transcrítico, ¿qué es?

Llamamos ciclos transcríticos a aquellos en los que la presión de descarga del compresor es superior a la presión crítica y por tanto el refrigerante no es condensable. Consiste en utilizar sólo CO2 en el equipo y enfriarlo por encima del punto crítico, sin cambio de fase durante ese proceso de enfriamiento. Es habitual que estos sistemas trabajen con altas temperaturas de descarga del compresor, debido a la necesidad de alcanzar altas presiones (del orden de 95 bar) en el “gas cooler” para poder así intercambiar calor con el ambiente.

En este tipo de ciclos, la presión del Gas Cooler tiene un valor óptimo que el control debe intentar alcanzar, para evitar consumos energéticos elevados.

La expansión desde la presión de Gas-Cooler, genera vapor que no tiene efecto frigorífico útil. Este vapor hay que volverlo a comprimir hasta la presión del Gas-Cooler. En el montaje más simple, este vapor se comprime con el compresor principal.


Este mismo sistema, se puede aplicar para tener frío positivo y negativo, con un montaje tipo booster. El vapor generado en la válvula de regulación de presión se comprime con los compresores de MT.

 

Ciclo de CO2 transcrítico: Mejoras de rendimiento

Un sistema transcrítico tiene como contrapartida la eficiencia, al tener que comprimir el vapor generado a la salida del Gas-Cooler, además de la gran relación de compresión a vencer. Esto se agrava con una alta temperatura exterior, al generar más vapor. 

Para aumentar la eficiencia, se plantean las siguientes mejoras al ciclo frigorífico:

  • Compresor paralelo
  • Subenfriador
  • Eyector
  • Gas-Cooler adiabático
  • Recuperación de calor

 

Compresor paralelo

El objetivo es evitar expandir el vapor a la salida del depósito para después volverlo a comprimir. Se comprime directamente y reducimos la relación de compresión (menor consumo eléctrico + compresor más pequeño). El envelope del compresor debe estar preparado.

Subenfriador mecánico

El objetivo es disminuir la temperatura de salida de Gas-Cooler, por debajo de la temperatura ambiente, generando así menor cantidad de vapor en la expansión y con ello se reduce el trabajo del compresor paralelo.

Eyector

 ¿Qué es un eyector?

Un eyector es un dispositivo conocido desde la antigüedad, utilizado típicamente en instalaciones de vapor como bomba de vacío. 

En instalaciones de CO2, se utiliza aprovechando la expansión a la salida del Gas-Cooler, subiendo la presión de otra línea de refrigerante de forma gratuita.

Eyector de vapor

Mueve el gas de la aspiración de MT a la aspiración del compresor paralelo, reduciendo la relación de compresión y con ello el consumo energético.

Eyector: Eyector de líquido

Los evaporadores trabajan sin recalentamiento (inundado). El eyector actúa como una bomba de recirculación de líquido. Al no tener recalentamiento, los compresores aspiran a una presión mayor, disminuyendo el consumo energético.

Gas-Cooler adiabático

Al igual que en un condensador, permite reducir la Tª de entrada con alta Tª exterior y humedad relativamente baja.

Recuperación de calor

La alta Tª de descarga del CO2 permite un mayor aprovechamiento, al mismo tiempo que trabajar en la región transcrítica se puede obtener una alta Tª de producción de ACS. Al no existir cambio de fase, se puede alcanzar una mayor temperatura que utilizando otros refrigerantes.

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