Por otra parte, los refrigerantes HFC (Hidro Fluoro Carbonados) con alto Potencial de Calentamiento Global o Potencial de Calentamiento Atmosférico (PCA) o “Global Warming Potential”(GWP), que contribuyen grandemente al calentamiento global tienen un programa de eliminación gradual diferenciado entre los países desarrollados para los cuales será más rápido y para los países en vías de desarrollo que será más lento. Por ejemplo en Europa se viene cumpliendo el Reglamento o Norma F-Gas (UE-517/2014) desde el 2015, mediante un cronograma y pautas para usar refrigerantes con un menor impacto en el calentamiento global.   

De acuerdo con el Protocolo de Kioto y la enmienda de Kigali los países del grupo A5, eliminarán gradualmente a partir del 2029 los refrigerantes HFC con alto Potencial de Calentamiento Global y mientras tanto se irán acomodando a los fluidos conocidos y a los que aparezcan, buscando siempre aquellos que no dañen o dañen muy poco a la atmósfera de nuestro planeta.

Los refrigerantes sustitutos con bajo Potencial de Calentamiento Atmosférico, en la mayoría de las aplicaciones, pertenecen a uno de estos grupos:                   

• Refrigerantes NATURALES; que pueden ser Orgánicos como el Propano y otros Hidrocarburos (HC) o Inorgánicos como el amoníaco NH3 y el Dióxido de Carbono CO2.                                                                                                                    
• Refrigerantes SINTETICOS; que pueden ser HFC logrados a partir de hidrocarburos saturados como por ejemplo el R-32 o HFO (Hidro Fluoro Olefinas) logrados a partir de hidrocarburos no saturadoscomo por ejemplo el R-1234yf.  
• Hay un tercer grupo como consecuencia de los dos anteriores al usarse MEZCLAS de ellos, con algunos buenos resultados. Gráficamente mostramos esos 3 grupos:     

En éste artículo solo hablaremos del Dióxido de Carbono o CO2.

Aspectos negativos de utilizar CO2  

El dióxido de carbono se considera un gas de efecto invernadero, que absorbe y emite radiación infrarroja. La radiación solar en frecuencias de la luz visible pasa en su mayor parte a través de la atmósfera para calentar la superficie de nuestro planeta, parte de esa energía es absorbida por la superficie y parte es emitida en frecuencias menores de radiación térmica infrarroja hacia fuera del planeta. Por miles de años ese equilibrio se mantuvo por lo que la temperatura promedio de la atmósfera se mantuvo inalterable y como sabemos con estaciones muy definidas a lo largo de cada año de acuerdo a la ubicación geográfica. La radiación solar entrante en la atmósfera debe estar compensada por la radiación saliente, pues si la radiación entrante es mayor que la radiación saliente se produce un calentamiento global y si sucede lo contrario se produce un enfriamiento global.

Sin embargo, las actividades que han llevado al desarrollo y progreso humano desde la Revolución Industrial, como la quema de combustibles fósiles, deforestación y quema de bosques, están desequilibrando el intercambio de calor causando el denominado “efecto invernadero” y por ende el “calentamiento global”. El “efecto invernadero” es un proceso mediante el cuál la radiación térmica emitida por la superficie de la tierra es absorbida por los gases de efecto invernadero atmosféricos (ubicados a la altura de las nubes) y es re-irradiada en todas las direcciones. Parte de esta radiación es devuelta hacia la superficie y la atmósfera inferior, dando como resultado un incremento de la temperatura superficial media respecto a lo que habría en ausencia de dichos gases.

La mayoría de especialistas indican que el aumento en la concentración atmosférica de CO2 y el efecto invernadero inducido por el CO2, es la principal razón del aumento de la temperatura media global desde mediados del siglo pasado. El principal gas de efecto invernadero responsable del calentamiento es el CO2 pero también contribuyen el metano, el óxido nitroso y otros gases entre ellos los refrigerantes HFC que usamos en equipos de refrigeración y de aire acondicionado. El CO2 es el más preocupante porque tiene una larga vida; se estima que el 50% la masa de CO2 emitida a la atmósfera tardará 30 años en desaparecer, un 30 % permanecerá cien años y el 20 % restante durará mucho más.

Por ello se están tomando las medidas correctivas ya comentadas.

Aspectos positivos de utilizar CO2 en la industria

El CO2 es tan habitual y frecuente en nuestra vida que muchas de las cosas que consumimos y hacemos en nuestro día a día, no sabemos o no nos damos cuenta que funcionan o están hechas con este compuesto:

Se utiliza como agente extintor del fuego porque dificulta el contacto de las llamas con el oxígeno del aire.

En la industria alimentaria, se utiliza en bebidas carbonatadas: gaseosa, cerveza, champagne. También para conservar vegetales en atmósferas controladas y como hielo carbónico o “hielo seco” para conservar helados.

En la medicina: agente de insuflación en cirugías laparoscópicas, agente de contraste en radiología de vasos sanguíneos, en láser de CO2, tratamiento de heridas craneales y úlceras, tratamientos estéticos, tratamiento de problemas circulatorios. Como “hielo seco” se utiliza para el transporte a larga distancia de especímenes biológicos, para la crio-preservación, para el almacenaje de plaquetas de sangre sin necesitar el uso de congeladores electromecánicos.

En agricultura, se puede utilizar como abono: las plantas no pueden absorberlo por las raíces pero se puede añadir para bajar el pH, evitar los depósitos de cal y hacer más disponibles los nutrientes del suelo.
Como agente de insensibilidad de cerdos o gallinas, los que antes de ser sacrificados son expuestos al CO2. No queda ningún tipo de residuo en la carne.
Se usa para crear niebla artificial y apariencia de agua hirviendo, en efectos especiales en el cine, televisión y espectáculos.

En refrigeración ha vuelto a considerarse como fluido refrigerante en las máquinas frigoríficas por compresión de vapor por lo siguiente: A pesar de sus altas presiones tiene muy buenas propiedades termodinámicas, no es inflamable ni corrosivo ni tóxico, tiene baja viscosidad y alta densidad logrando con ello compresores menos voluminosos y que las tuberías tengan menor diámetro; y además es barato. Para la aplicación del CO2 en refrigeración la ASHRAE le dio la nomenclatura de refrigerante R-744.

Esta es la paradoja de Dióxido de Carbono: “contribuye al calentamiento global si se lanza o se escapa hacia la atmósfera, pero mientras está confinado dentro de un recipiente o dentro del circuito de un equipo de refrigeración no produce efectos directos en el calentamiento global”.

Utilización del CO2 como refrigerante  

El daño a la Capa de Ozono y el  Calentamiento Global han llevado a que el mundo de los refrigerantes usados en los equipos de refrigeración y de acondicionamiento de aire tome un nuevo rumbo a través de los llamados “refrigerantes ecológicos”. Dentro de ellos está el CO2 que se presenta como una novedad y por ello muchas personas creen que se trata de un nuevo refrigerante pero no es así.

La aplicación del dióxido de carbono en sistemas de refrigeración data desde hace muchos años: En 1850 el norteamericano, Alexander Catlin Twining fue la primera persona que propone al CO2 como refrigerante y lo menciona en una patente británica de ese año. 

En 1876 el alemán Carl Paul Gottfried Linde (Carl von Linde), empresario, ingeniero e inventor, profesor en la Escuela Técnica de Munich instaló un laboratorio para pruebas y ensayos de equipos frigoríficos, llegando en 1881 a construir la primera máquina de refrigeración por compresión de vapor que usaba dióxido de carbono (CO2) como refrigerante. Se le considera uno de los grandes precursores de la “Industria del Frío” al utilizar máquinas de compresión de vapor empleando como refrigerantes amoníaco y dióxido de carbono para fabricar hielo.                                                                     

Lentamente aumentó el uso los sistemas de refrigeración con CO2 alcanzando su mejor época entre los años 1925 y 1933 porque era la opción preferida para el uso en los barcos en lugar del amoniaco. Pero en 1930 aparece el primer refrigerante sintético, el R-12 y en 1935 el R-22. Al empezar a usarse éstos refrigerantes Cloro Fluoro Carbonados (CFC) la aplicación del CO2 como refrigerante disminuyó bruscamente hasta desaparecer, porque esos nuevos fluidos tenían buena capacidad de refrigeración, no eran tóxicos ni inflamables y principalmente tenían muy bajas presiones de trabajo para cualquier rango de temperatura.

Ahora volvió a tener importancia el CO2 porque sus fugas como refrigerante no dañan a la capa de ozono ni producen significativo calentamiento global (tiene Potencial de Depleción del Ozono igual a cero, ODP = 0 y Potencial de Calentamiento Global igual a 1, GWP = 1). El amoníaco tiene ODP = 0, GWP = 0.

Diagrama de fases 

Es importante conocer el comportamiento del CO2 y por ello resulta interesante comparar los diagramas termodinámicos Presión-Temperatura del agua con el del CO2.

 

Condiciones del Punto Triple del agua:

• PRESIÓN = 611.73 Pa = 0.00611 bar = 0.089 psia
• TEMPERATURA = 273.16 °K = 0.0098°C (se considera 0.01°C)

Condiciones del Punto Crítico del agua:

• PRESIÓN = 22.1 MPa = 221 bar = 3,205.3 psia
• TEMPERATURA = 674.4°K = 374.2°C

Se observa que a presión atmosférica podemos pasar de sólido a líquido y luego a vapor conforme aumenta la temperatura, porque su Punto Triple está por debajo de esa presión.

Se observa también que su Punto Crítico está a muy alta presión y temperatura, siendo difíciles de alcanzar a condiciones normales de uso en condensadores de equipos frigoríficos.

El gráfico también muestra que la curva de saturación que separa las fases Sólido-Líquido tiene ligera pendiente hacia la izquierda. Es comportamiento exclusivo del agua porque cualquier otra sustancia que exista en la naturaleza tendrá pendiente hacia la derecha como veremos para el CO2. Gracias a esa propiedad es que solo se puede “patinar” sobre el hielo hídrico.

Condiciones del Punto Triple del CO2:

• PRESIÓN = 518 KPa = 5.18 bar = 75.13 psia
• TEMPERATURA = 216.55 °K = - 56.56°C (se considera -56.6°C)

Condiciones del Punto Crítico del CO2:

• PRESIÓN = 7.382 MPa = 73.82 bar = 1,070 psia
• TEMPERATURA = 304.1°K = 30.9°C (se considera 31°C)

Se observa que a presión atmosférica podemos pasar directamente de sólido a vapor (proceso de Sublimación) conforme aumenta la temperatura, porque su Punto Triple está por encima de esa presión. Nos indica también que debe tenerse cuidado al manipularlo en los equipos porque fácilmente pasa de líquido a sólido (Hielo seco) en aplicaciones de baja temperatura.

Su Punto Crítico está a muy alta presión pero su temperatura está muy cercana a la temperatura ambiente, siendo fácil de alcanzar a condiciones normales de uso en condensadores de equipos frigoríficos. Debido a esa propiedad es que se puede trabajar en los equipos frigoríficos cumpliendo un ciclo termodinámico con el proceso de condensación debajo del Punto Crítico (condición Subcrítica) así como con el proceso de “enfriamiento” porque no hay condensación sobre el Punto Crítico (condición Supercrítica o Transcrítica).

Como explicación simplemente gráfica se pueden mostrar los ciclos termodinámicos de los sistemas de compresión de vapor en el diagrama Presión-Entalpía del CO2, así:

Figura que muestra los ciclos termodinamicos teoricos subcritico y transcritico para el co2

Inicialmente se decía que para países con temperaturas ambientales altas  y relativamente altas, que aproximadamente están comprendidos entre los paralelos 40° latitud Norte y 35° latitud Sur se tenía que usar sistemas de refrigeración con ciclos SUBCRITICOS, ayudados por otro refrigerante que trabaje “en cascada“ para condensar el CO2 o  R-744 por debajo de los 31°C.

Como referencia mostramos un sistema que se utiliza mucho en Sudamérica, en los sistemas de frío alimentario de Supermercados, para que el CO2 trabaje en un ciclo SUBCRITICO condensando a -5°C y evaporando a -30°C.

Hay variantes en las que se hacen derivaciones para tener evaporadores que evaporen a temperaturas de -15°C y luego del evaporador se coloca válvula reductora de presión para ingresar al compresor. Específicamente en el Perú ya hemos instalado 20 sistemas de éste tipo. Como refrigerante HFC se usa el R-134a.

La implementación de nuevas y diversas tecnologías han permitido el uso de sistemas frigoríficos con ciclos TRANSCRITICOS usando solo refrigerante R-744 o CO2, tanto en climas fríos como en climas cálidos.

Se ha llegado a igualar y hasta mejorar las eficiencias de sistemas que actualmente usan refrigerantes HFC para operar hasta en lugares que tienen 45°C ambiente.  

En Sudamérica ya hemos hecho uso de esas tecnologías  y específicamente en Perú ya hemos instalado tres sistemas de frio alimentario TRANSCRITICOS en Supermercados.

Haremos solo una breve descripción de variantes de sistemas TRANSCRITICOS, porque en detalle y además mostrando los ciclos termodinámicos en diagramas Presión-Entalpía han sido muy bien explicados en anterior número de ésta revista (Ver publicación del 20 de Abril del 2020 por el Sr. Pablo Espiñeira). En cada lugar hay que hacer un análisis de que tipo de sistema conviene usar, pero como guía podemos sugerir:

• Para lugares con climas cuya temperatura ambiente llega hasta 26°C puede usarse un sistema “booster”.
• Para lugares con climas hasta 38°C un sistema “booster” con compresor en paralelo puede operar mejor.
• Para lugares con climas climas hasta de 45°C un sistema “booster” con compresor en paralelo y eyectores de gas puede operar bien. Si se combinan eyectores de gas con eyectores de líquido se consigue mayor eficiencia.   

Como referencia mostramos uno de ellos:
 

Nótese que lo que debería ser un condensador, en un ciclo TRANSCRITICO se convierte en un enfriador de refrigerante y que la condensación propiamente dicha se realiza en el dispositivo de expansión.