Refrigeración con CO2 transcrítico ¿Qué es y cómo funciona?

• ¿Qué es la refrigeración con CO2 transcrítico?
• ¿Cómo funciona un sistema booster compresor paralelo?
• ¿Cómo funciona un sistema Booster de CO2 con Eyector?
• Aplicaciones de la refrigeración con CO2 transcrítico
• Comparativa con otro tipo de sistemas de refrigeración
• Beneficios del CO2 como refrigerante    

¿Qué es un sistema de refrigeración con CO₂ transcrítico?

Se trata de un sistema de refrigeración que utiliza como refrigerante el CO2 trabajando por encima de la temperatura crítica (30,04 C).  Es una solución que viene a adaptarse a los países al sur de Europa con temperaturas de ambiente más elevadas.

En el sur de Europa las temperaturas de condensación de los equipos superan ampliamente la temperatura crítica del CO₂ que es 30,04  ⁰C.

Debido a estas temperaturas, estos equipos estaban limitados para funcionar en días calurosos en países como España e Italia, por lo que se investigó y comenzó a trabajar con sistemas en la zona transcrítica, es decir por encima de la temperatura critica del refrigerante.

Como consecuencia surgieron los sistemas Sistema Booster Compresor Paralelo y Booster de CO₂ con Eyector.  

¿Cómo funciona un Sistema Booster Compresor Paralelo?

Los datos de presiones y temperaturas son orientativas y pueden ser diferentes en función de las temperaturas de consigna, las temperaturas exteriores y la relación de caudales de aire y evaporadores y enfriadores de gas.

En el punto nº 1, el compresor LP aspira refrigerante en estado gaseoso procedente del LT_EV evaporador del equipo de baja temperatura, que se encuentraaproximadamentea 15 Bar de presión  y 10 ⁰C y lo comprime aumentando su presión hasta los 30 Bar con una temperatura de 78 ⁰C.

Posteriormente lo hacemos pasar por un Gas Cooler (Enfriador de gases) para bajar su temperatura en los compresores en paralelo, antes de entrar en la siguiente etapa de compresión y evitar así un calentamiento excesivo que perjudicará seriamente las propiedades lubricantes del aceite, con el peligro que ello supone para los compresores.

A continuación lo mezclamos (en el punto 3) con el gas refrigerante procedente del MT_EV evaporador (punto 15) del equipo de temperatura media y el gas refrigerante procedente de la parte alta del depósito de líquido, para ser comprimido en forma de gas por el compresor HP, este compresor esta en paralelo con el CP Compresor con una válvula intercalada entre las aspiraciones de los dos, para equilibrar el circuito.

Al salir en el punto 4 que es la descarga del compresor HP  nos  encontramos con una presion que, en funcion de la temperatura exterior, puede oscilar entre los 74 y 104 Bar, por lo que al estar en la zona critica del diagrama de Moliere, los gases en el intercambiador no se transforman en liquido.

Cuando salimos del Gas Cooler entramos en válvula BP (puntos 5 y 6) si nos fijamos en el Diagrama de Moliere, vemos que la perdida de presion nos genera un un cambio de estado a entalpia constante. En el punto 6 estamos a un 23% de liquido.

En el deposito de liquido tenemos una entrada (6) y tres salidas (7, 8 y 13), si nos fijamos en la 7 vemos que directamente vuelve al CP Compresor en estado gaseoso, para ser vuelto a comprimir y aumentar la presión. Por lo que la temperatura del refrigerante al bajar la presión a 40 Bar nos desciende a 10 ⁰C

Las salidas 8 y 13 directamente son salidas de líquido que alimentan a las dos válvulas de expansión. La primera salida (13) que nos encontramos es MT_EV va directa al MT_EV evaporador a una presión de 30 Bar y -5 ⁰C de temperatura de cambio de estado, ideal para una cámara positiva.

En la segunda salida (8) pasamos por un intercambiador de calor en forma líquida a 5 ^oC de temperatura, si nos fijamos en el punto 8 del diagrama de moliere,vemos que pasa desplazándose a la izquierda al punto 9, para hacerlo corta las líneas de temperatura, lo que nos indica que está perdiendo calor sensible, este calor no se destruye, simplemente pasa al refrigerante que pasa por el circuito que está en paralelo en el intercambiador, es decir le pasa al refrigerante que entra por el punto 11, al salir del intercambiador vamos a la válvula de expansión LT EV,  a su salida nos hace descender la presión y nos mantiene una presión y temperatura constantes; aproximadamente a 15 Bar con una temperatura de -30 ⁰C en casi todo el evaporador mientras se está realizando el cambio de estado.

Casi en la salida del evaporador cuando finaliza el cambio de estado, la temperatura aumenta, a este aumento de temperatura le llamamos temperatura de recalentamiento y la regula la válvula de expansión, pues esta es su función principal.

Después de salir del evaporador ya en forma de gas, el refrigerante pasa por el intercambiador (puntos 11 y 12) donde recibe el calor que pierde entre los puntos 8 y 9. Si nos fijamos bien esto hace que el trapecio resultante ensanche, por lo que el rendimiento del equipo mejora sensiblemente gracias a este intercambiador que nos aumenta la proporción de líquido en la entrada del evaporador.

¿Cómo funciona un sistema Booster de CO₂ con Eyector?

El compresor inicia su compresión en el punto 1 aspirando refrigerante en forma de gas proveniente de Recipiente separador de líquido - gas (RSL entre puntos 1 y 5)  y lo envía al punto 2, en un principio el caudal del compresor es superior al caudal que permite el Eyector (entre puntos 3 y 4) por lo que la diferencia de presión entre el punto 1 y 2 aumenta hasta que los caudales se igualen.

Desde el punto 2 circula por la tubería de descarga hasta llegar al enfriador de gas (en ingles Gas Cooler GC, entre puntos 2 y 3) donde el refrigerante es enfriado y pierde calor sensible por lo que desciende su temperatura.

Mientras la temperatura en el Gas Cooler no descienda de la temperatura critica, no se producirá cambio de estado (esto ocurrirá en verano), cuando esto ocurra empezara a producirse un estado similar al líquido.

Desde la salida del Gas Cooler el refrigerante circulara hacia el Eyector donde se producirá un dardo de fluido (Liquido-Gas) que por efecto Venturi producirá una depresión.

Debido a esta depresión se generara circulación de líquido a través de la válvula de expansión (ExV  entre los puntos 5 y 6) donde se creara una pérdida de carga por la que al bajar la presión de refrigerante lo dejara en disposición de adsorber calor, circulando hasta el evaporador (Ev entre los puntos 6 y 7) donde se evaporara.

El gas recién evaporado se mezclara en el Eyector con el procedente del (Gas Cooler GC, entre puntos 2 y 3) y en el interior del Eyector una parte se transformara en líquido, el cual al llegar al Recipiente Separador de Líquido - gas (RSL entre puntos 1 y 5), precipitara para alimentar a la válvula de expansión. Mientras que el gas volverá al compresor para se comprimido. 

¿Qué aplicaciones tiene la refrigeración con CO2 transcrítico?

Debido a las altas temperaturas alcanzadas en la descarga cuando el funcionamiento del  equipo es transcrítico, nos es posible utilizar el calor residual de la descarga del compresor HP para la producción de ACS con lo que nos es posible pasar el calor extraído del interior de las cámaras frigoríficas al agua que necesitemos calentar. Este calor se puede emplear por ejemplo en Hoteles, Restaurantes, Peluquerías, Gimnasios, Colegios, piscinas y cualquier otro tipo de local que requiera de ACS, es más debido a las temperaturas de suministro del Agua Fría de Consumo Humano (AFCH) nos puede permitir que la mayoría del tiempo el equipo trabaje como subcrítico, funcionamiento en el que tiene mayor rendimiento

Este tipo de máquinas térmicas inversas, se pueden aplicar en equipos de refrigeración comercial y cámaras frigoríficas, hoy en día, en un rango de potencias de entre 20 kW y 250kW.  

Comparativa con otro tipo de sistemas de refrigeración

Los sistemas transcriticos tienen un ahorro de energía del 30 % sobre una unidad estándar de R404A y un 10 % sobre una unidad inverter del mismo refrigerante.

Además, a causa de la complejidad de dichas instalaciones, es recomendable tener en cuenta la capacitación del personal a cargo y los costes derivados de dicha complejidad para su instalación y mantenimiento.

Utilizando como refrigerante para el ciclo de subenfriamiento como el R290 con sistemas en cascada se observan posibles incrementos de potencia frigorífica de hasta un 28 % y de COP de hasta un 20 %.

Para grandes potencias, los refrigerantes que se han impuesto de forma tradicional son: el R717 (amoniaco) o sistemas en cascada con intercambio por glicol con dos refrigerantes R717 y como subcritico R744 o en cascada directa con los refrigerantes R290 y R744.

Si bien, los últimos desarrollos que han tenido lugar en centrales que únicamente utilizan CO2 como refrigerante, han hecho posible que las instalaciones que funcionan en régimen transcrítico alcancen niveles de eficiencia energética similares (y en algunos casos incluso superiores) a los sistemas tradicionales de R717. Esto sólo es posible utilizando sistemas de CO2 transcrítico con ejectores asistidos por bomba de líquido, permitiendo el funcionamiento en “modo ejector” a lo largo de todo el año, independientemente de la temperatura exterior.

Los sistemas con CO2 transcríticos en la actualidad resultan especialmente interesantes para aplicaciones de supermercados (desde pequeñas instalaciones hasta grandes hipermercados), aplicaciones de aire acondicionado móviles, bombas de calor pequeñas, etc.; pero ahora también son viables para el sector industrial tras al gran esfuerzo de invocación tecnológica que han tenido estas aplicaciones para sectores de gran potencia frigorífica necesaria.
 

De lo anteriormente dicho concluimos que debemos hacer un estudio de la eficiencia de los equipos que vamos a instalar, valorando su eficiencia en las condiciones que corresponden a la zona climática que nos encontremos y qué condiciones de refrigeración necesitamos que refrigeren haciendo un balance de coste de la instalación, del mantenimiento y de la energía que se prevé que consumirán.

Recuerden que eficiencia energética es sinónimo de ahorro en los costes y mayor competitividad, además de mejorar las condiciones climáticas del planeta que dejaremos a nuestros descendientes. 

Algunos beneficios del CO2 como refrigerante

Limpio: El CO2 es un refrigerante natural y limpio, respetuoso con el medio ambiente.

Económico:  económico de producirse 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.