Debido al creciente temor sobre los efectos perjudiciales que los refrigerantes fluorados pueden ejercer sobre el entorno, los refrigerantes naturales han experimentado un nuevo renacimiento, especialmente la refrigeración CO2 y NH3 utilizadas con propósitos industriales a bajas temperaturas.
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, aunque cabe destacar que su tecnología no es nada novedosa pues su uso ya era habitual hace más de un siglo.
Esta popularidad que ha alcanzado últimamente como refrigerante es debida a su muy bajo impacto sobre el medio ambiente en comparación con los HFC (hidrofluorocarbonos), estos últimos muy amenazados por la normativa vigente (F-Gas).
El CO2 no daña la capa de ozono (Potencial de Agotamiento del Ozono PAO = 0) y tiene un efecto bajo sobre el calentamiento atmosférico (Potencial de Calentamiento Atmosférico PCA = 1), tomándose este último valor como referencia para determinar el PCA de otros gases. Además, la alta eficiencia de este gas también permite que tenga una contribución indirecta más baja al calentamiento global del planeta.
El CO2 es un fluido inodoro, incoloro y más pesado que el aire. Aunque es necesario para la vida en la tierra, es también un Gas de Efecto Invernadero (GEI) que puede modificar el medio ambiente si su concentración en la atmósfera se incrementa considerablemente. Se trata de un refrigerante de “alta seguridad” (grupo L1 según RSIF), es decir, “no inflamable” y de “baja toxicidad”.
El CO2 se usó como refrigerante primitivo antes de la aparición de los freones, pero cayó en desuso rápidamente debido a su mayor complejidad tecnológica. 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 provoca 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.
El CO2 es una buena alternativa para la refrigeración tanto comercial como industrial, pero es necesario considerar ciertas medidas de seguridad. Hay que tener presente que el CO2 no se puede percibir a través del olfato, por lo que, al ser más denso que el aire, puede desplazar el oxígeno hasta límites nocivos para la salud. Al no desprender ningún tipo de aroma puede ocasionar que al haber alguna fuga, el técnico no sea capaz de detectarla. Tales características nos obligan a prestar especial atención en la detección de fugas, a tener un sistema de alarma que pueda detectar y avisar a tiempo que se tiene la presencia de CO2 y a contar con un sistema de ventilación de emergencia.
Por otro lado, la elevada presión del gas cuando éste se escape provocará un estallido con salpicaduras de refrigerante con residuos en estado sólido a muy baja temperatura a la velocidad del sonido. Es importante conocer que nunca se debe cargar el CO2 en estado líquido cuando el sistema esté a una presión inferior a la del punto triple (5,2 bar), ya que si lo hiciéramos, el líquido que entrara al sistema cambiaría súbitamente de estado transformándose en hielo seco y permaneciendo en dicho estado en el interior del sistema.
A diferencia de otros refrigerantes naturales, el CO2 no puede adaptarse a algún equipo, ni antiguo, ni actual. Los equipos deben estar diseñados para las características de este gas y para las altas presiones que debe soportar. Por último, en relación con los hidrocarburos, el CO2 posee la ventaja de poder utilizarse en instalaciones sin limitación alguna de carga.
El CO2 se conoce desde los principios de la humanidad, existiendo en la atmósfera en una concentración del 0,04% en volumen.
Como refrigerante, se empezó a utilizar en el siglo XIX con la refrigeración mecánica. En 1881 Carl Linde construyó la primera máquina utilizando CO2. Posteriormente se desarrollaron compresores para trabajar con CO2, y sistemas con doble etapa. Cada vez fue más extenso su uso.
Tras la primera guerra mundial, se desarrollaron gases sintéticos, que permitían emplear elementos menos robustos y con mayor eficiencia. Es aquí donde comenzó el declive del CO2 como refrigerante, ganando la batalla los gases CFC. Durante 50 años los refrigerantes CFC dominaron el mercado mundial, hasta que en 1974 se descubre que el uso de estas sustancias estaba produciendo un agujero en la capa de ozono. Nacen aquí los refrigerantes HFC que hasta hoy en día se han utilizado, pero que perjudican al calentamiento atmosférico y por ello se limita su uso.
A raíz del Protocolo de Kioto, acordado como lucha contra el cambio climático por parte de la Convención Marco de las Naciones Unidas, se marca como objetivo reducir las emisiones de seis gases de efecto invernadero (CO2 , CH4, N2O, HFC, PFC y SF6).
Entre las medidas tomadas, así como normativas creadas para conseguir estos objetivos, se implanta la normativa F-Gas en 2006, con sucesivas actualizaciones más estrictas. Su objetivo es reducir las emisiones de gases HFC a 1/3 en 2030.
Para conseguir estos objetivos, se marcan limitaciones de uso y prohibiciones a nivel europeo. Al mismo tiempo, a nivel estatal, se establecen impuestos al uso de refrigerantes, para motivar la utilización de otros refrigerantes con menor impacto ambiental.
Si nos centramos en los refrigerantes con niveles de PCA < 150, la mayoría son inflamables (HFO), tóxicos (NH3) o trabajan a altas presiones (CO2).
La principal diferencia del CO2 con respecto al resto de refrigerantes es la presión de operación a la que trabaja. Sin embargo, esto lo convierte en un gas de alta densidad, consiguiendo mayor efecto refrigerante con poca masa en circulación.
La entalpía de evaporación por metro cúbico desplazado (kJ/m3), es mucho mayor que en el resto de gases. Esto implica menores cilindradas de compresores y diámetros más pequeños en tuberías.
Cuando trabajamos con CO2 para refrigeración, debemos usar un diagrama P-h ampliado, es decir, además de las habituales zonas de vapor, líquido-vapor y líquido que se pueden ver en el diagrama de Mollier de cualquier refrigerante convencional; debemos representar también la zona que queda por encima del punto crítico (fase supercrítica) así como las zonas que quedan por debajo del punto triple.
En la gráfica siguiente podemos ver cuál es el estado físico del CO2 en función de la presión (P) y la entalpía (h). Modificando estas dos variables, podemos obtener cuatro fases claramente diferenciadas: sólido, líquido, vapor y fluido supercrítico; además de otras 3 zonas intermedias de mezcla bifásica: sólido-líquido, sólido-vapor y líquido-vapor.
Con respecto a otros refrigerantes, llama la atención que incluso con temperaturas muy bajas obtenemos presiones de saturación elevadas (p.ej. 0 °C ⟹ 35 bar). Debemos destacar los siguientes puntos del diagrama de fases:
Es habitual que para representar los ciclos de máquinas frigoríficas, se use un Diagrama de Mollier simplificado, donde no se representa la zona que contiene sólido o sólido-líquido (parte izquierda) ni la zona que queda por debajo del punto triple (< 5,2 bar). Por tanto, el diagrama para uso habitual en refrigeración quedaría representado únicamente por las zonas que contienen líquido y vapor (o líquido-vapor), muy similar al diagrama de cualquier otro refrigerante de uso cotidiano pero con presiones mucho más elevadas:
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.
El hecho de que podamos o no trabajar por debajo del punto crítico, definirá el tipo de equipo y modo de operación, obteniendo sistemas totalmente distintos. En equipos de refrigeración condensados por aire, con temperaturas ambiente por debajo de los 25 °C aprox. podremos trabajar en ciclo subcrítico, mientras que con temperaturas superiores tendremos que trabajar en ciclo transcrítico.
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