Refrigeración con CO2 transcrítico
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.
Se trata de un refrigerante clasificado según el Reglamento de Seguridad para Instalaciones Frigoríficas como “Clase de Seguridad = A1”, es decir, “no inflamable” y “baja toxicidad”.
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 supone 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.
¿Qué es un ciclo transcrítico?
Llamamos ciclos transcríticos a aquellos en los que la presión de descarga del compresor es superior a la presión crítica y por tanto el refrigerante no es condensable, es decir, la presión de descarga del compresor es superior a la presión crítica. Consiste en utilizar sólo CO2 en el equipo y enfriarlo por encima del punto crítico, sin cambio de fase durante ese proceso de enfriamiento. Es habitual que estos sistemas trabajen con altas temperaturas de descarga del compresor, debido a la necesidad de alcanzar altas presiones (del orden de 95 bar) en el “gas cooler” para poder así intercambiar calor con el ambiente.
Consiste en utilizar sólo CO2 en el equipo y enfriarlo por encima del punto crítico, sin cambio de fase durante ese proceso de enfriamiento. Es habitual que estos sistemas trabajen con altas temperaturas de descarga del compresor, debido a la necesidad de alcanzar altas presiones (del orden de 95 bar) en el “gas cooler” para poder así intercambiar calor con el ambiente.
En este tipo de ciclos, la presión del Gas Cooler tiene un valor óptimo que el control debe intentar alcanzar, para evitar consumos energéticos elevados.
La expansión desde la presión de Gas-Cooler, genera vapor que no tiene efecto frigorífico útil. Este vapor hay que volverlo a comprimir hasta la presión del Gas-Cooler. En el montaje más simple, este vapor se comprime con el compresor principal.
Este mismo sistema, se puede aplicar para tener frío positivo y negativo, con un montaje tipo booster. El vapor generado en la válvula de regulación de presión se comprime con los compresores de MT.
Ciclo de CO2 transcrítico: Mejoras de rendimiento
Un sistema transcrítico tiene como contrapartida la eficiencia, al tener que comprimir el vapor generado a la salida del Gas-Cooler, además de la gran relación de compresión a vencer. Esto se agrava con una alta temperatura exterior, al generar más vapor.
Es muy habitual que en sistemas transcríticos, para poder obtener eficiencias de trabajo similares a las de fluidos convencionales, se empleen ciclos más complejos que suponen una mejora de la eficiencia, tales como:
- Compresor paralelo
- Subenfriador
- Eyector
- Gas-Cooler adiabático
- Recuperación de calor
Compresor paralelo
El objetivo es evitar expandir el vapor a la salida del depósito para después volverlo a comprimir. Se comprime directamente y reducimos la relación de compresión (menor consumo eléctrico + compresor más pequeño). El envelope del compresor debe estar preparado.
Subenfriador mecánico
El objetivo es disminuir la temperatura de salida de Gas-Cooler, por debajo de la temperatura ambiente, generando así menor cantidad de vapor en la expansión y reduciendo con ello el trabajo del compresor paralelo.
Eyector
¿Qué es un eyector?
Un eyector es un dispositivo conocido desde la antigüedad, utilizado típicamente en instalaciones de vapor como bomba de vacío.
En instalaciones de CO2, se utiliza aprovechando la expansión a la salida del Gas-Cooler, subiendo la presión de otra línea de refrigerante de forma gratuita.
Eyector de vapor
Mueve el gas de la línea de aspiración de MT a la línea de aspiración del compresor paralelo, reduciendo la relación de compresión y con ello el consumo energético.
Eyector: Eyector de líquido
En este diseño los evaporadores trabajan sin recalentamiento (inundados). El eyector actuará como una bomba de recirculación de líquido. Al no tener recalentamiento, los compresores aspiran a una presión mayor, disminuyendo el consumo energético.
Gas-Cooler adiabático
Al igual que en un condensador, permite reducir la Tª de entrada con alta Tª exterior y humedad relativamente baja.
Recuperación de calor en el ciclo transcrítico
En ciclos transcríticos, la alta Tª de descarga del CO2 permite un mayor aprovechamiento de la energía, y puesto que trabajamos en la región supercrítica, podemos obtener una alta Tª de producción de ACS. Al no existir cambio de fase, se puede alcanzar mayor temperatura que utilizando otros refrigerantes.
