Refrigeración con CO2 – ¿Cómo y por qué apostar por el CO2? Infografía

• Infografía
• Beneficios del CO2 como refrigerante
• Refrigeración con CO2 transcrítico
• Refrigeración con CO2 booster de dos etapas
• Refrigeración con CO2 en cascada

Infografía sobre refrigeración con CO2

Beneficios del CO2 como refrigerante

• Limpio: El CO2 es un refrigerante natural y limpio, respetuoso con el medio ambiente.
• Económico:  económico de producir,se convierte en una alternativa segura y barata para la refrigeración.
• Seguro: El CO2 no es corrosivo, ni inflamable ni tóxico.
• Eficiente: Altos coeficientes de transferencia de calor y alta conductividad térmica.
• Excelentes propiedades de refrigeración: Una alta capacidad de refrigeración volumétrica (6 veces mayor que R404A), lo que resulta en compresores, componentes y tuberías más pequeños. Unido al carácter constante de su temperatura de evaporación, hace posible su uso con una menor diferencia de temperatura en evaporadores e intercambiadores de calor. El resultado es un consumo energético muy inferior.
• Alta densidad de vapor:  Alta densidad de vapor (700% en comparación con R134A @ -10 °C) y alta entalpía de evaporación (125% de R134a @ -10 °C). El gradiente entre la velocidad del vapor y la fase líquida es menor en comparación con los HFC. Se necesita más energía térmica para evaporar CO2 líquido (desprendimiento líquido).
• Baja viscosidad en líneas de líquidos y gas, lo que permite el uso de tuberías más pequeñas, minimizando el coste del sistema.
• Alta eficiencia en cascada: funciona en sistemas en cascada que logran excelentes valores de eficiencia y rendimiento con sistemas de baja temperatura

El CO2 posee un factor de eficiencia de transferencia de calor muy elevado.

Sistemas de refrigeración con CO2

Se puede utilizar el gas CO2 como refrigerante en sus fases conocidas como subcrítica y transcrítica. Las instalaciones de refrigeración con CO2 requieren de un estudio y diseño elaborado para determinar qué sistema concreto se adapta mejor a las necesidades de cada caso. Tendrán que tenerse en cuenta, factores como la zona climática o la cantidad de elementos a refrigerar, entre otros.

Estos son algunos de los sistemas más comunes:

Refrigeración CO2 transcrítico de etapa simple

Proceso transcrítico de descarga de una sola etapa. Las aplicaciones transcríticas de CO2 de una etapa se usan en refrigeración, en temperaturas de evaporación media-alta, en sistemas de calefacción y bomba de calor o sistemas de recuperación de calor en los que el funcionamiento en el campo transcrítico aprovecha las altas temperaturas de descarga.

Cuando se aplica en su forma transcrítica, el CO2 aporta una gran diferencia respecto a otros refrigerantes, ya que no se condensa: el cambio de gas a líquido no sucede de la forma tradicional y por eso se producen presiones de descarga altas que requieren controles de regulación de presión especiales de aplicación y tuberías con presiones de diseño de 120 bar, muy habituales en otras técnicas.

En un sistema transcrítico la temperatura del CO2 a la salida del enfriador del gas está por encima de los 31°C, y la temperatura de evaporación es más baja.  

Sistemas booster con dos etapas de compresión

Combinando los ciclos subcrítico y transcrítico, se puede crear un sistema booster (con dos etapas de compresión) de CO2.

El sistema booster es una aplicación con dos etapas de descarga: donde la descarga de la primera etapa de baja temperatura, que consiste en uno o más compresores para el ciclo de CO2 subcrítico, está directamente conectada a la aspiración de la segunda etapa de compresión, formada por uno o más compresores para el ciclo de CO2 transcrítico.

Los sistemas booster pueden construirse de acuerdo a diferentes diagramas de diseño. El más común utilizado en refrigeración, contempla un recipiente de media presión en el que se recoge el fluido refrigerante después de haber experimentado una expansión inicial.

El refrigerante líquido utilizado se extrae de este receptor intermedio (bombeado o a través de fluidos secundarios) hacia los servicios de media temperatura de evaporación y luego para aplicaciones de baja temperatura de evaporación, después de haber experimentado una segunda expansión. Se emplean compresores de CO2 subcritico en la primera etapa (baja temperatura) y compresores de CO2 transcrítico en su segunda etapa (media temperatura). 

Sistemas de refrigeración con CO2 en cascada

Un sistema en cascada puede propiciar el uso de diferentes refrigerantes en dos circuitos de refrigeración separados en alta y baja temperatura de evaporación. Entre las aplicaciones más comunes, citamos la que consiste en un circuito de refrigeración de CO2 a baja temperatura, empleandocompresores para ciclo de CO2 subcrítico, combinado con un segundo circuito a alta temperatura que puede diseñarse utilizando diferentes refrigerantes como HFC y HFO, pero también hidrocarburos o amoníaco.

La etapa de alta temperatura recoge el calor de condensación de la primera etapa a través de un intercambiador intermedio, y de acuerdo con el diagrama de principio, también puede dar servicio, directa o indirectamente, a las aplicaciones de media temperatura.

Mejoras tecnológicas en CO2 para climas cálidos

Un sistema Booster, que además incluya compresor en paralelo aporta un gran ahorro cuando las temperaturas exteriores se encuentren a partir de los 34ºC. Este ahorro se debe a un menor trabajo de compresión realizado por los compresores de media temperatura, ya que el compresor paralelo aspira los gases provenientes del recipiente de líquido a una presión superior, y por consecuente, con menor relación de compresión.

Uno de los últimos avances en el sistema de refrigeración con CO2, es el uso de eyector. Este dispositivo funciona gracias al efecto Venturi, unido a una gran gestión electrónica del mismo. Se calcula que el porcentaje de ahorro en el trabajo de compresión está en torno a un 20%, este porcentaje aumenta cuanto mayor sea la temperatura exterior.

Instalando la combinación de eyector y compresor en paralelo, podemos reducir la potencia instalada en los compresores de alta temperatura, y se consigue eliminar la limitación que existía años atrás de la posibilidad de emplear instalaciones de CO2 para climas cálidos.