Para proteger la capa de ozono se firmó en 1987 el Protocolo de Montreal. Entre las sustancias que se acordaron eliminar, se encuentran los HFC (hidrofluorocarburos), los cuales forman parte de los refrigerantes tradicionales. Por tanto, fue necesario buscar una alternativa, entre la que se encuentra el CO2 o dióxido de carbono.
Cada vez más, el CO2 está adquiriendo importancia como refrigerante natural a nivel internacional. Se origina a través de la combustión del carbón, los hidrocarburos o combustibles fósiles, la fermentación de líquidos y la respiración tanto de personas como de animales. Es un gas que se encuentra libre en la atmósfera y que permite modificar su estado al variar su presión y/o su temperatura. Al contrario que los refrigerantes HFC, el CO2 no daña la capa de ozono (ODP = 0) y su impacto en el calentamiento global es mínimo (GWP = 1).
Usos del CO2 como refrigerante
El uso del CO2 como refrigerante tiene diversas aplicaciones, entre las que se encuentran:
- Industria: Se suele utilizar como fluido refrigerante para aplicaciones a baja temperatura y como fluido refrigerante secundario para aplicaciones a media temperatura.
- Bombas de calor: Se utiliza en aplicaciones donde se necesita tanto calefacción como refrigeración.
- Transporte: Su uso en este sector está orientado a reducir la huella de carbono.
- Distribución alimentaria: El CO2 cumple con las medidas medioambientales impuestas a este sector.
Ventajas del CO2 como refrigerante
COMPORTAMIENTO MEDIOAMBIENTAL
Como se acaba de mencionar, los indicadores medioambientales del CO2 son mucho más favorables que los de los HFC. Al utilizar el dióxido de carbono como refrigerante, lo que se está haciendo es reciclar uno de los gases de efectos invernaderos. Para ello, lo que se hace es purificarlo, haciendo que alcance unos niveles de pureza de hasta el 99,99%.
GAS INACTIVO
El CO2 es un gas que se encuentra inactivo químicamente. Esto quiere decir que no es ni inflamable ni tóxico. También es inoloro, por lo que si se diese una fuga no pasaría nada. Además, el CO2 presenta una buena tasa de intercambio térmico de temperatura en evaporadores, condensadores y enfriadores de gas.
BAJO COSTE
Se trata de un gas con un coste más bajo que la mayoría de los refrigerantes ya que es económico de producir. Esto, sumado a sus propiedades termodinámicas, es uno de los motivos por lo que su uso es cada vez mayor.
EFICIENCIA ENERGÉTICA
Los sistemas en cascada con CO2 alcanzan unos altos niveles de eficiencia y de rendimiento en sistemas de bajas temperaturas. Además, al contar con una elevada capacidad de refrigeración volumétrica, permite el uso de tuberías, componentes y compresores de menor tamaño. Esto, unido a la elevada eficiencia de la transferencia de calor se traduce en un consumo energético inferior. Es decir, se alcanza un mayor ahorro energético que con otros refrigerantes.
EFECTOS SECUNDARIOS
Al contrario que otros gases refrigerantes, el CO2 no presenta efectos secundarios a largo plazo. Gracias a sus bajos niveles de toxicidad, el CO2 no supone un riesgo ni para los usuarios ni para el medio ambiente.
Funcionamiento del CO2 como refrigerante
El CO2 se puede utilizar como refrigerante en sus fases conocidas como subcrítica y transcrítica.
- Aplicación subcrítica: Son sistemas de refrigeración en los que el punto de trabajo se encuentra por debajo del punto crítico del gas refrigerante. En el caso del CO2, éste funciona como cualquier otro refrigerante, se evapora absorbiendo el calor, se comprime y se condensa. Pasa de estado gaseoso a líquido al perder calor.
- Aplicación transcrítica: Son sistemas de refrigeración en los que el punto de trabajo se encuentra por encima del punto crítico del gas refrigerante. En este caso, el CO2 no se condensa y por tanto el cambio de gas a líquido no se hace de manera tradicional. Se producen presiones de descarga altas, las cuales necesitan controles de regulación de presión especiales y tuberías con presiones de diseño de 120 barC.
Sistemas de refrigeración
Los sistemas de refrigeración con CO2 dependerán de diversos factores como la zona climática o la cantidad de elementos que se tienen que refrigerar. Entre estos sistemas se encuentran:
REFRIGERACIÓN CO2 TRANSCRÍTICO DE ETAPA SIMPLE
Es un proceso transcrítico de refrigeración en una sola etapa. Esta aplicación tiene diversos usos como pueden ser, además de refrigeración, sistemas de calefacción, temperaturas de evaporación media-alta, bombas de calor o sistemas de recuperación de calor.
Como ya se ha mencionado, el CO2 usado de forma transcrítica no funciona igual que otros gases ya que no se condensa. Se necesitan controles de regulación de presiones especiales ya que se producen presiones de descarga altas. En estos sistemas, la temperatura del CO2 a la salida del enfriador de gas es de 31°C y la temperatura de evaporación se encuentra por debajo.
SISTEMAS BOOSTER CON DOS ETAPAS DE COMPRESIÓN
Es un sistema con dos etapas de comprensión donde se combinan los ciclos subcríticos y transcríticos. En estos sistemas se utilizan dos refrigeradores.
En la primera etapa de baja temperatura se emplean uno o varios compresores de CO2 subcrítico y en la segunda etapa de media temperatura se emplean uno o varios compresores de CO2 transcrítico.
El refrigerante líquido que se utiliza se extrae de un receptor intermedio. El refrigerante es bombeado hacia los equipos de media temperatura de evaporación y posteriormente a las aplicaciones de baja temperatura de evaporación, después de haber pasado una segunda expansión.
SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN CON CO2 EN CASCADA
En los sistemas de cascadas, el gas refrigerante se utiliza en dos circuitos de refrigeración separados en altas y bajas temperaturas de evaporación. En los circuitos de baja temperatura el CO2 se utiliza en estado subcrítico que posteriormente se combina con un segundo circuito de altas temperaturas. En los circuitos de alta temperatura, el calor de la condensación se recoge a través de un intercambiador intermedio y posteriormente se utiliza en aplicaciones de media temperatura.
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