CO2 como refrigerante

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La desaparición de refrigerantes que dañan la capa de ozono hace más necesario el uso de sustancias nobles con el medioambiente; por ello, el CO2 resulta un excelente refrigerante natural que ofrece un alto rendimiento para los equipos de refrigeración.

Los refrigerantes naturales son sustancias que se presentan de manera natural en la biósfera, además, no dañan la capa de ozono y tienen un bajo o nulo potencial de calentamiento global.
Sinaí Romo.

Los refrigerantes naturales son sustancias que se presentan de manera natural en la biósfera, por lo que no dañan la capa de ozono y tienen un bajo o nulo potencial de calentamiento global; sin embargo, pueden afectar las condiciones ambientales locales (por ejemplo, hidrocarburos, que son combustibles).

Algunos refrigerantes naturales tienen efectos de seguridad específicos, como su inflamabilidad y toxicidad. En la mayoría de los casos, ambos son aspectos que pueden ser controlados satisfactoriamente al aplicar las medidas adecuadas de prevención, control y mantenimiento.

Algunos refrigerantes naturales son el aire, el agua, el dióxido de carbono, el nitrógeno, los hidrocarburos y el amoniaco.

Conforme al marco legal europeo, el uso de refrigerantes fluorados es cada vez más restrictivo. Dinamarca o Noruega, incluso, ya presentan impuestos que gravan el uso de hidrofluorocarbonos (HFC); también existe una limitación de carga de refrigerantes naturales para uso en equipos de refrigeración y aire acondicionado. Y en Alemania se apuesta por incentivar la eficiencia energética y el uso de refrigerantes naturales, mientras que en la Unión Europea se dirige hacia la reducción del uso de HFC con alto PCG y a minimizar el número de fugas de los sistemas de refrigeración.

El bióxido de carbono (CO2) se ha considerado como una buena alternativa para sustituir a los HFC porque no daña la capa de ozono. Es un fluido inodoro, incoloro y más pesado que el aire. Se ha utilizado como refrigerante desde hace más de un siglo. Su potencial de calentamiento Global (PCG) se encuentra en la unidad -de esta manera se ubica como la principal referencia para determinar el PCG de otros gases- y su valor de Potencial de Agotamiento de la Capa de Ozono (PAO) es de cero, lo cual favorece el aspecto ambiental. Aunque el CO2 es necesario para la vida en la Tierra, es también un gas de Efecto Invernadero (GEI) que puede modificar el medioambiente si su concentración en la atmósfera se incrementa considerablemente. Es clasificado por las normas de refrigeración como R-744 y bajo una clasificación de seguridad de tipo A1 (no inflamable y baja toxicidad)

Características:

  • Número de ASHRAE: R-744
  • PCG (100 años): 1
  • PAO: 0
  • Temperatura de ebullición (ºC): – 56.6
  • Temperatura crítica (ºC): 31.1
  • Presión crítica: 73.8

El hecho de ser más pesado que el aire puede resultar peligroso (especialmente en espacios reducidos), ya que al no ser autoalarmante (no tiene un aroma detectable) puede desplazar el oxígeno hasta límites nocivos para la salud. Dichas características llevan a la necesidad de tener una especial atención en la detección de fugas y la ventilación de emergencia. Posee baja compatibilidad química con los materiales comunes y una buena solubilidad con el lubricante polietilenglicol del alquileno (PGA); además, su costo es muy bajo y se encuentra disponible en cualquier cantidad en todo el mundo.

A0CG0003954Presión con relación a la temperatura para para el CO2 en comparación con otros refrigerantes

Refrigeración
Al utilizarse como refrigerante, el CO2 normalmente operará a una presión mayor que los HFC y otros refrigerantes. Si bien esto presenta algunos problemas de diseño, por lo general pueden ser superados en los sistemas diseñados específicamente para usar CO2, que se puede usar con lubricante PGA, con lubricantes polioléster (POE) o polivinil éter (PVE).

El CO2 se utiliza principalmente en:

  • Refrigeración industrial y comercial: sistemas en cascada NH3 / CO2
  • Sistemas compactos
  • Bombas de calor (calentamiento de agua)
  • Refrigeración comercial: supermercados y sistemas directos, cascada e indirectos

A0CG0001675La alta presión de saturación a la temperatura ambiente es la primera barrera cuando se propone al CO2 como refrigerante

Aspectos termodinámicos
La gran diferencia entre el CO2 y otros refrigerantes comunes es su relación presión / temperatura y, particularmente, su alta presión a temperaturas normales así como su baja temperatura crítica de aproximadamente 31 ºC.

Asimismo, esta diferencia se hace notable debido al valor del punto triple de CO2, el cual es superior respecto de otros refrigerantes.

La alta presión de saturación a la temperatura ambiente es, a menudo, la primera barrera cuando se propone al CO2 como refrigerante. A los 20 ºC la presión saturada equivale a 830.93 psia (56.54 atm). El CO2 se puede emplear en diferentes configuraciones, dependiendo de los requerimientos de aplicación.

La configuración es muy dependiente de la aplicación. Fundamentalmente, los sistemas de refrigeración con CO2 se dividen en dos categorías: transcríticos y subcríticos.

A0CG0003953Temperatura de hasta 100 ºC en la salida del compresor

Sistema transcrítico
En este tipo el fluido no se condensa, ya que en la fase de alta presión se supera el punto crítico y el proceso se convierte en un enfriamiento sensible del gas. La presión de alta debe estar regulada mecánicamente, por ejemplo, entre 1305 psig o 1450 psig; y el enfriamiento debe terminar en la temperatura diseñada (condicionada por la temperatura del aire o del agua que refrigera). El sistema ofrece rendimientos bastante bajos, además de funcionar con presiones muy altas, por ello, su uso todavía se encuentra en desarrollo. No obstante, podemos encontrar algunas aplicaciones con sistemas de CO2 transcríticos en el aire acondicionado de los automóviles, en pequeños refrigeradores y en sistemas para supermercados. Otra condición para el uso de refrigeradores transcríticos es el aprovechamiento del calor que se produce, que puede alcanzar temperaturas de hasta 100 ºC en la salida del compresor.

Los sistemas transcríticos son más aceptados en regiones donde la temperatura ambiente se encuentra por debajo de los 31 ºC. Igualmente, resultan muy eficientes en determinadas condiciones de operación (como producción de agua caliente o refrigeración a baja temperatura ambiente) y son seguros en tanto podamos limitar las tuberías de alta presión a áreas cerradas, asiladas o fáciles de controlar.

A0CG0003952El CO2 es competitivo y benigno ambientalmente en refrigeración industrial y comercial

Sistema subcrítico
Un sistema simple subcrítico con CO2 presenta demasiadas limitaciones en cuanto a las temperaturas de condensación y a las altas presiones con las que se trabaja.

Los sistemas subcríticos que se utilizan con CO2 son sistemas cascada, es decir, sistemas que condensan a temperaturas por debajo de 0 ºC, por lo tanto, necesitan otro equipo frigorífico para conseguirlo. De este modo, podemos trabajar con presiones más bajas.

Las instalaciones que funcionan con un ciclo subcrítico se destinan a la refrigeración a baja temperatura (-25 a -45 ºC) comercial o industrial. Al contrario de los refrigerantes sintéticos (CFC, HCFC, HFC, etcétera), el CO2 funciona con presiones de servicio muy elevadas, particularmente a baja temperatura.

El CO2 es diferente respecto de otros refrigerantes en cuanto a que es competitivo y benigno en lo que se refiere al aspecto ambiental en la refrigeración industrial y comercial.

Asimismo, se le ha considerado por su capacidad para limpiar y remover el material adherido a los equipos, contenedores, las paredes, plantas, etcétera, sin dañar la superficie donde el material está siendo retirado.

Simultáneamente, su empleo ha desencadenado innovación en diversos sistemas de refrigeración y en diversos usos a nivel mundial, lo que ofrece una gran oportunidad para su exploración y explotación en un futuro.
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Con información de Semarnat, a través del Manual de Buenas Prácticas sobre el uso de sustancias alternativas a los Hidrofluorocarbonos.
El manual es una herramienta básica para la capacitación de técnicos en refrigeración.