Sistemas de Refrigeración

con CO2 (R-744)

robertopeixoto@maua.br

UNEP Technical Options Committee Refrigeration, AC and Heat Pumps

(RTOC)

INSTITUTO MAUÁ DE TECNOLOGIA - IMT

Breve Histórico del refrigerante CO2 – R-744

• Patente británica de 1850.

• En Estados Unidos, experimentos militares en la década de 1860.

• El primer sistema de refrigeración por compresión de CO2 en Europa fue construido por C. Linde en 1881.

• 1890 en Inglaterra se empieza a construcción de máquinas de refrigeración de buques para el transporte de carne congelada.

• A partir de 1900,los sistemas de refrigeración de CO2 se utilizaron en los mercados de alimentos, cocinas, hospitales, hoteles, restaurantes, teatros, barcos de pasajeros, etc.

• Sistemas de refrigeración predominantemente indirectos

• Con el inicio de la década de 1930, el CO2 en las plantas de refrigeración industrial fue reemplazado cada vez más por el amoníaco.

• En aplicaciones de aire acondicionado, la sustitución de CO2 comenzó a mediados del siglo XX por CFC (CFC-12).

Breve Histórico del refrigerante CO2 – R-744

• La discusión sobre el CO2 como refrigerante fue revivida esencialmente por una patente del Profesor Gustav Lorentzen de 1990.

• Otros impulsos vinieron de los trabajos sobre CO2 como refrigerante para sistemas de aire acondicionado para automóviles en 1993/94.

Breve Histórico del refrigerante CO2 – R-744

Propiedades

• Tiene buena compatibilidad química con los materiales comunes y una buena solubilidad con diversos aceites lubricantes.

• Clasificado como refrigerante A. No inflamable, no tóxico en concentraciones moderadas, por encima del 5% en volumen en el aire.

• Es de bajo costo y disponible en cualquier cantidad en cualquier parte del mundo.

• Tiene propiedades termo físicas bien conocidas y documentadas.

Seguridad

• El CO2 es más pesado que el aire.

• Puede desplazar el oxígeno hasta limites nocivos para la salud.

• Necesidad de atención a la detección de fugas y la ventilación de emergencia.

• Las principales características que condicionara el diseño de una instalación de CO2 son las elevadas presiones a las que opera el circuito y particularmente su baja temperatura crítica de ~31 oC.

Presiones de trabajo y Temperatura

Ciclos Transcrítico y Subcrítico

• Las instalaciones de refrigeración con CO2 se pueden ser clasificadas en 2 tipos:

• Transcriticas: la temperatura en el lado de alta presión del ciclo se sitúa por encima de la temperatura crítica.

• Subcriticas: la temperatura de condensación del ciclo se sitúa por debajo de la temperatura crítica.

Alternativas

a los

Refrigerante

s HCFCs

Santiago,

marzo 2014

Roberto

Peixoto

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Refrigeración Comercial

Sistemas de cascada R-744 han tomado una posición significativa en los sistemas centralizados (SC) de Europa.

La opción preferida es el HFC-134a con R-744. HFC de bajo GWP se puede utilizar como sustitución de HFC-134a.

Hay instalaciones con HC y amoníaco (R-717) como refrigerante del circuito de alta presión.

Aplicaciones

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Refrigeración Comercial

Para climas fríos, R-744 se utiliza en sistemas transcríticos y cascada en ambos niveles de temperatura.

R-744 se utiliza en las máquinas de auto servicio (vending machines) y enfriadores de botellas.

Aplicaciones

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• Bombas de calor para calentamiento de agua. • Aire acondicionado de vehículos.

• Refrigeración industrial.

Aplicaciones

Configuraciones Ciclo Transcrítico

• El CO2 transcrítico en los sistemas centralizados ya es una tecnología estándar en muchas partes de Europa.

• Cerca de 9000 tiendas de CO2 transcríticas operan en toda la UE.

• Los recientes desarrollos para mejorar la eficiencia de esta tecnología (compresión paralela, subenfriador mecánico, eyector y enfriamiento de enfriador de gas adiabático) hacen esta tecnología una opción en climas más calientes también.

Sistemas Transcríticos en el mundo

w w w .shecco.com 3

CO2 TC STORES GROWING GLOBALLY (FEB 2017)

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Reliability was not raised in the survey by stakeholders as being an issue and none of the

respondents hinted at reliability problems associated with any of the three alternative system types.

Millions of stand-alone units with natural refrigerants are in use around the World and at least

hundreds of thousands in European supermarkets.xii Likewise, indirect centralised systems have

proven reliable in a multitude of industrial and some commercial applications for many decades.

Transcritical CO2 technology in centralised systems is now already more than a decade old and has

performed without any recorded reliability issues for as long, especially in Germany, Norway,

Denmark and the UK. More than 8,700 transcritical CO2 stores operate across the EU as of 2016.xiii

Cost effectiveness today and tomorrow

A third of the respondents highlighted transcritical CO2 centralised systems and HFC-free stand-alone

systems as cost-competitive solutions in medium to large supermarkets (< 100 kW), while more than

half thought that transcritical CO2 centralised systems are already cost-competitive in hypermarkets

(> 100 kW). Expert interviews and additional input suggested similarly that transcritical CO2xiv and

stand-alone systems (including semi plug-ins) are generally already cost-competitive in the EU.xv This

is also the case for larger stores since large CO2 compressors with high pressure rating became

available after 2010.xvi Indirect centralised systems can also be cost-competitive solutions, especially

in warmer climates. This holds true in particular for large stores and hypermarkets where CO2

cascades with NH3, propylene, propane or HFOs and pumped CO2 systems can generally be cost-

competitive solutions.xvii Multiple small propane chillers have also been installed in smaller

supermarkets, for example in Germany, the UK and Belgium.xviii In addition, a quarter of respondents

expected that transcritical CO2 technology will become increasingly cost-competitive until 2022. A

significant downward trend in terms of the cost of CO2 technology over the past decade and a half –

while achieving significant energy efficiency gains at the same time support this hypothesis (see

Figure 3).

Figure 3 Price and efficiency development of refrigeration systems per meter of cabinets installed in Switzerland (Source: Frigo-Consulting AG).

Fuente: Briefing Paper. Availability of alternatives to HFCs in commercial refrigeration in the EU.

w w w .shecco.com 12

KEY TREND: CO2 RACK SYSTEM

10+ suppliers providing CO2 solutions - highly competitive market

CO2 como fluido secundario:

En este tipo de diseño el CO2 se utiliza como si fuera

un refrigerante secundario, ya que es bombeado y no

comprimido.

Una máquina frigorífica (R-404A, R-717,...) es la

encarga de recondensar el CO2 que se evapora

parcialmente en los evaporadores y una vez

condensado se almacena en un depósito de CO2.

El sistema consta de los siguientes elementos

principales:

- Estación de bombeo de CO2.

- Sistema de Enfriamiento/condensación de CO2.

- Depósito de acumulación de CO2.

- Evaporadores de CO2.

Instalaciones tipo cascada:

En las instalaciones tipo cascada

existe un circuito frigorífico primario (R-

404A, R-717,...), el evaporador del cual

es a su vez el condensador del circuito

frigorífico secundario que funciona con

CO2.

Instalaciones SUBCRÍTICAS

Dos tipos de sistema en Alta Temperatura: EXPANSIÓN DIRECTA (el refrigerante entra en contacto directo con el medio a enfriar): a través de 134-A, 404, 507. EXPANSIÓN INDIRECTA: a través de un fluido primario (amoniaco, 134-A, 404, 507) o a través de un fluido secundario como el glicol. En cualquiera de los dos tipos: Condensación en cascada de la central de negativa con la positiva.

• En Baja temperatura, generalmente expansión directa en CO2.

CO2 como fluido secundario

• En este tipo de diseno el CO2 se utiliza como un refrigerante secundario.

• Un sistema de refrigeración (con HFC-134a, R-717,...) es utilizado para recondensar el CO2 que se evapora parcialmente en los evaporadores.

• y una vez condensado se almacena en un tanque de CO2.

Ciclo de Cascada

• En las instalaciones tipo cascada existe un circuito de refrigeración primario (R-134a, R-717,...), el evaporador del cual es a su vez el condensador del circuito frigorifico secundario que funciona con CO2.

2.1.2.2. Instalaciones tipo cascada. En las instalaciones tipo cascada existe un circuito frigorífico primario (R-404A, R-717,...) el evaporador del cual es a su vez el condensador del circuito frigorífico secundario que funciona con CO2 .

Fig. 2.5. Ciclo subcrítico de CO2. Fig. 2.6. Esquema instalación subcrítica de CO2.

Alternativas a los Refrigerantes HCFCs

Santiago, marzo 2014 Roberto Peixoto

Funte: http://www.unet.edu.ve/~fenomeno/F_DE_T-152.htm

http://www.youtube.com/watch?v=7227IMDs_jQ

Ciclo de Cascada

Alternativas a los Refrigerantes HCFCs

Santiago, marzo 2014 Roberto

Peixoto

Fonte: http://www.unet.edu.ve/~fenomeno/F_DE_T-152.htm

Ciclo de Cascada

CO2 en América del sur •Brasil: •> de 40 supermercados. •6 centros de distribución de alimentos. •01 planta de carne. •3 Centros Tecnológicos y de Instrucción. •Colombia. • 3 supermercados. •Venezuela. • 1 supermercado. •Argentina. •1 supermercado.

Todas las instalaciones utilizan la configuración en cascada (con aplicación de CO2 subcrítico y, en la mayoría de las plantas, R134a en la etapa de alta).

Características operacionales

• A causa de la mayor densidad del CO2, el volumen desplazado para obtener la misma potencia de refrigeracion es mucho mas pequeno.

– Compresores de menor tamano.

– Menor cantidad de refrigerante en la instalacion.

– Menor tamano de recipiente y lineas.

• Temperatura de descarga.

• La compresion de cualquier gas, conlleva un aumento de la temperatura de este por encima de la de saturacion a la presion final.

• La compresion de CO2 en un ciclo en cascada [-50/-5oC], puede llevarlo a temperaturas de descarga cercanas a los 80 oC.

Características operacionales

Presiones de trabajo

• Un ciclo de refrigeración con refrigerante CO2 opera con altas presiones (5 a 10 veces mayor que los sistemas con HFC-134a)

• El riesgo de accidentes es bajo debido al bajo volumen y la baja carga de refrigerante en el sistema.

• Presiones típicas: • Instalación transcritico

– alta presión: (115 bar) – baja presión: (50 bar)

• Instalación subcritico – alta presión: 40 bar (50 bar) – baja presión: 25 bar (50 bar)

• El ciclo transcrítico básico es potencialmente menos eficiente que un ciclo de compresión convencional en función de las grandes pérdidas termodinámicas.

• Los esfuerzos significativos de investigación y desarrollo están en curso para aumentar la eficiencia del ciclo mediante el desarrollo de expansores (a diferencia de las válvulas de expansión) para recuperar las pérdidas.

Desarrollo Tecnológico

Sistema Booster de CO2 con Eyector

• La última innovación en estos sistemas, ha sido desarrollar un eyector.

• Capacidad de compresión de gases.

• Reducción de las necesidades de compresión en las central de compresores de alta temperatura.

• Mejoran de la eficiencia energética.

Ciclo con Eyector - CO2

6th IIR

Gustav

Lorentzen

Natural

Working

Fluids

Conference

http://www.cibsejournal.com/cpd/modules/2012-12/

Observaciones finales

• Hoy en día, las aplicaciones más comunes del CO2 se encuentran en el almacenamiento frío, sistemas de refrigeración de supermercados y bombas de calor industriales, comerciales y domésticas.

• Sistemas de cascada R-744 han tomado una posición significativa en los sistemas centralizados (SC) de Europa.

• Sistemas de cascada R-744 están siendo implantados en los países en desarrollo (A5).

• El uso de HFO-1234yf versus R-744 en aire acondicionado vehicular se determinará por consideraciones de seguridad, costos, aprobación regulatoria, confiabilidad del sistema, capacidad de bomba de calor (especialmente para vehículos eléctricos) y mantenimiento.

Observaciones finales

• Los nuevos desarrollos en tecnología de compresores y eyectores pueden permitir el uso de sistemas transcritos de CO2 para supermercados en altas temperaturas ambientales.

• Introducción y actualización de las normas de seguridad de los refrigerantes.

• Proyectos de demostración e incentivos financieros.

• Entrenamiento técnico es esencial para el manejo adecuado de los refrigerantes.

Observaciones finales

Fuentes de Información

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Draft Report available: http://ozone.unep.org/new_site/en/assessment_panels_bodies.php?committee_id=6

Overview of Alternatives and Climate Impact Scenarios Report of Decision XXV-5