El CO2 como gas refrigerante en los sistemas de refrigeración

• ¿Cómo funciona el sistema de enfriamiento con CO2?
• 8 Beneficios del gas CO2 como refrigerante
• ¿Qué sistemas de refrigeración existen con CO2?
• ¿Qué características tiene el CO2 como refrigerante?
• ¿Cuál es el futuro del CO2 como refrigerante?

Fuente de la imagen: ©Refrica.com

El dióxido de carbono (CO2), también conocido como R744, es un refrigerante natural que se origina por la combustión del carbón, combustibles fosiles o hidrocarburos, la fermentación de líquidos y la respiración de las personas y animales. Es un gas que se encuentra libre en la atmósfera y permite la modificación de su estado, es decir pasar a líquido o sólido, si se varian su presión y/o temperatura. Se puede utilizar el gas CO2 como refrigerante en instalaciones de frio comercial e industrial.

El dióxido de carbono de puede utilizar en los sistemas de climatización en sus fases conocidas como subcrítica y transcrítica:

• Aplicación subcrítica: son sistemas de refrigeración cuyo punto de trabajo se encuentra por debajo del punto crítico de este gas. Es decir, 31ºC/73bar para el R744 o CO2. En este caso el CO2 reacciona de forma similar a cualquier otro refrigerante, se evapora absorbiendo calor, se comprime como cualquier otro gas, y se condensa, esto es, pasa de un estado gaseoso a un estado líquido cuando pierde calor.

• Aplicación transcrítica: son sistemas de refrigeración cuyo punto de trabajo se encuentra por encima del punto crítico del refrigerante. El CO2 aporta una gran diferencia 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. Son necesarias tuberías con presiones de diseño de 120 barC, habituales en otras técnicas.

El fluido que ha sido comprimido y refrigerado recibe una reducción en presión y posteriormente es condensado en forma de liquido para poder alimentar el evaporador del equipo de climatización o refrigeración.

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1. Reciclaje de uno de los gases de mayor efecto invernadero

El CO2 es uno de los principales causantes de impacto para el medio ambiente al tratarse de un gas de efecto invernadero. Al utilizarlo para los sistemas refrigerantes es sometido a procesos de purificación, que logran alcanzar una pureza de hasta un 99.99%. Esto deriva en un impacto nulo (ODP=0) y su impacto sobre el efecto invernadero es el mínimo y es usado como referente para la comparción del del efecto invernadero (GWP=1). Utilizar CO2 como refrigerante es una de las mejores opciones ecologimanente hablando.

2. Se trata de un gas inactivo químicamente

El CO2 es un gas que no es ni inflamable ni toxico, ya que se trata de una sustancia pura. A su vez presenta una tasa muy buena de intercambio térmico de temperatura en evaporadores, condensadores y enfriadores de gas.

3- Menor coste

Se trata de uno de los gases más económicos del mercado en comparación con los demás gases refrigerantes. Al tener un menor coste y sumándole las grandes propiedades térmicas del mismo es un gas que se utiliza mucho industrialmente y que día a día está siendo mucho más implementando en los equipos de refrigeración.

4. Eficiencia

En sistemas de cascada de CO2-Amoniaco hay que usar un intercambiador de calor, con la consecuente pérdida de eficiencia a causa la necesidad de tener una diferencia de T entre fluidos. pero como ventaja tenemos que los compresores que utilizan CO2 alcanzan una mayor eficiencia y una transferencia de calor más óptima. La eficiencia total del sistema CO2-Amoniaco en sistema cascada no es inferior cuando se compara con un sistema tradicional de amoniaco, en temperaturas muy bajas de operación. Además es un gas con menores costes de mantenimiento.

5. Prohibición de otros gases

Desde 2022 la nueva normativa F-Gas de la Unión Europea también establecerá la prohibición de la práctica totalidad de los HFCs en equipos frigoríficos domesticos, comerciales y en instalaciones centralizadas de más de 40kW. Esto puede ser motivo para un gran uso del CO2, para grandes instalaciones.

6. Cero efectos secundarios a largo plazo

Una de las principales ventajas del CO2 como gas refrigerante es, que no tiene ningún impacto ni deriva efectos secundarios a largo plazo por su baja toxicidad a diferencia de otros gases refrigerantes. El CO2 no presenta ningún riesgo ni para el medio ambiente ni para los usuarios de dichos equipos que funcionan con este gas y que tienen instalaciones en sus edificaciones.

7. Inodoro

Es un gas que no tiene ni olor ni color.

8. Funcionamiento de los equipos

Los equipos de refrigeración que utilizan CO2 como gas refrigerante suelen funcionar de una forma más productiva ya que el gas sirve a la vez de aislante entre los componentes del equipo. Esto hace que los equipos suelan tener a la vez un ciclo de vida más largo que otros equipos de refrigeración que utilizan otros gases refrigerantes.

Como hemos comentado antes, el CO2 se puede utilizar como gas refrigerante en sus fases conocidas como subcrítica y transcrítica. Debemos mencionar que las instalaciones de refrigeración con CO2 requieren de un estudio anterior con detenimiento , para evaluar cual de los dos sistemas se adapta mejor a las necesidades de cada proyecto. Entre los mismos, se debe tener en cuenta la zona climática o la cantidad de elementos que se tienen previsto refrigerar.

1. Refrigeración CO2 transcrítico de etapa simple

Las aplicaciones transcritas de CO2 de una sola etapa tienen muchos usos. Entre ellos, se usa en refrigeración, sistemas de calefacción, bombas de calor, en sistemas de temperaturas de evaporación media-alta, o sistemas de recuperación. Cuando el CO2 es utilizado en forma transcrítica, el gas CO2 presenta una gran diferencia en relación a otros gases refrigerantes ya que no condensa.

En estos sistemas 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. 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.

2. Sistemas booster con dos etapas de compresión

Como su nombre indica, se trata de un sistema que consta de dos etapas de compresión del CO2 al combinar los dos ciclos (el subcrítico y transcrito). En estos sistemas se utilizan dos refrigerantes, al igual que los sistemas de absorción. Uno de los refrigerantes es el CO2, y el otro puede ser Amoniaco, algún hidrocarburo, HFC o HFO. 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.

Fuente de la imagen: ©Beijer Ref

El refrigerante líquido utilizado se extrae de este receptor intermedio. Es bombeado hacia los equipos de media temperatura de evaporación y posteriormente para las aplicaciones de baja temperatura de evaporación, después de haber experimentado una segunda expansión. Se emplean compresores de CO2 subcritico en la primera etapa, de baja temperatura, y compresores de CO2 transcrítico en su segunda etapa, o de media temperatura.

Con este sistema de cascada se utiliza el gas refrigerante en dos circuitos de refrigeración. Que se ven determinados o separados por temperaturas altas y temperaturas bajas de evaporación. En los de temperaturas bajas se utiliza el CO2 en su estado subcrítico posteriormente combinado con un segundo circuito de altas temperaturas. En la etapa de las altas temperaturas el calor del proceso de condensación es recogido a través de un intercambiado intermedio, y posteriormente utilizado en las aplicaciones de media temperatura.

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El uso de los gases ecológicos y en este caso el del CO2 en los equipos de refrigeración seguirá creciendo en los próximos años. Ya que se ha convertido en una solución real para reducir el impacto que tienen los sistemas de refrigeración en el calentamiento global. Además. actualmente, existen leyes y se están elaborando nuevas en las que muchos equipos de refrigeración deberas funcionar solamente con gases refrigerantes de bajo impacto. El CO2 gracias a sus prestaciones y el poder de ser reciclado es uno de ellos. De esta forma, se tiene previsto, que en un futuro muy cercano, la mayoría de los sistemas de refrigeración funcionen con CO2, ya que aparte del bajo impacto contaminante que presenta, los costes son mucho menores para los usuarios finales.