CO2 en aplicaciones industriales

Obtener las mejores propiedades termodinámicas para favorecer los procesos de enfriamiento industrial es una necesidad de primer orden para diferentes sectores que basan su eficiencia en la refrigeración. Conseguirla es posible con la ayuda del CO² y su buena aplicación

Redacción, con información de Danfoss México

El CO₂ (dióxido de carbono) está clasificado como un refrigerante natural que ofrece un excelente rendimiento para los sistemas de refrigeración. Pero, ¿por qué se considera una buena opción? ¿Qué lo hace diferente respecto a otros refrigerantes?

La historia documenta que, aun cuando el CO₂ es conocido desde el primer siglo de la humanidad, su uso como refrigerante comenzó hasta el siglo XVIII, cuando dio inicio la refrigeración mecánica. Todo comenzó en 1744, cuando el inglés Joseph Priestley disolvió por primera vez esta sustancia en agua. El resultado de este experimento fue una disminución de la temperatura del líquido, por lo que infirió que el fluido poseía propiedades termodinámicas convenientes para ser utilizado en la refrigeración.

Más tarde, en los albores del siglo XIX, Oliver Evans diseñó el primer sistema de refrigeración mediante compresión mecánica, pero no fue sino hasta 1856, que el estadounidense Alexander C. Twining construyó el primer refrigerador. Para ponerlo en marcha, propuso emplear CO₂ como refrigerante en una patente documentada en 1850. Después de varias pruebas, tanto en Europa como en América, en 1897 la compañía Sabroe construyó el primer compresor de CO₂, lo que desembocó en el desarrollo de la refrigeración doméstica.

Su uso fue extendiéndose y abriéndose paso en vitrinas frigoríficas, mercados para la conservación de alimentos, barcos pesqueros y de pasajeros, e incluso en trenes, teatros y hospitales. Durante todo el siglo XIX y hasta mediados de la década de los 30 del siglo XX dominó el mercado de la refrigeración y climatización de toda Europa y gran parte de América. Pero, ¿qué pasó entonces? ¿Por qué dejo de utilizarse?

Tras finalizar la Primera Guerra Mundial, la industria desarrolló refrigerantes sintéticos que brindaban “grandes beneficios” y ofrecían una mayor eficiencia energética que el CO₂. La extraordinaria difusión de estos nuevos compuestos, entre los que se encontraban los clorofluorocarbonos (CFCs), aunada a la incapacidad de desarrollar tecnologías que hicieran más competitivo al CO₂, explican su declive como refrigerante a partir de la década de los 50.

Arribo y caída de los CFCs
Los CFCs son compuestos químicos creados por el hombre que contienen cloro o bromo. Su estabilidad permite que se dispersen de forma gradual en la estratosfera, donde comienzan a desfragmentarse por efecto de la radiación solar. Dicho proceso libera los radicales de cloro y bromo, lo que causa la destrucción en cadena de cientos de miles de moléculas de ozono. Esto debilita considerablemente la capa formada por este elemento tan  importante para la vida del planeta.

Hacia 1974 científicos como Mario Molina y Sherwood Rowland demostraron contundentemente el impacto de los CFCs en la destrucción del ozono atmosférico. Fue así como se comenzó a reconsiderar el uso de sustancias naturales que antaño fueron utilizadas como refrigerantes. Luego, en 1980, Gustav Lorentzen reinventó la tecnología de enfriamiento a base de CO₂, dando lugar  al ciclo transcrítico de la refrigeración.

Cabe recordar que, en 1987, México firmó y ratificó el Acuerdo de Montreal, en un claro respaldo hacia la desaparición de refrigerantes que dañan la capa de ozono. El objetivo de este acuerdo internacional consiste en regular y eliminar el consumo de Sustancias Agotadoras de la Capa de Ozono (SAO) en el mundo y, desde ese entonces a la fecha, el país ha desarrollado más de 100 proyectos en los sectores de refrigeración industrial y doméstica, con el fin de reducir el uso de estas sustancias.

Así, la problemática del calentamiento global ha devenido en la búsqueda de nuevas alternativas naturales en el campo de la refrigeración y climatización, y el CO₂, como un fluido frigorígeno, ha sido retomado por la comunidad científica como una opción adecuada. Una de las características que presenta este elemento sobre otros refrigerantes es la presión de operación, la cual es superior a todos los refrigerantes convencionales y de nueva generación. Esta cualidad obliga a utilizar, en la mayoría de los casos, equipo especial para su manejo, pero al mismo tiempo ofrece ventajas que ningún otro producto artificial tiene. Por ejemplo, al ser un gas de alta densidad posee un efecto refrigerante mucho  mayor con poco volumen circulando en el sistema de comprensión de vapor.

Otros factores que influyen en su adopción se relacionan con su eficiencia termodinámica. También porque es considerado una excelente alternativa por las presiones positivas en bajas temperaturas, el uso de tuberías y equipo de menor tamaño, la restricción en el empleo de ciertos refrigerantes y, en definitiva, porque se trata de una sustancia natural que se encuentra en la atmósfera, químicamente inactiva, no tóxica ni inflamable. También permite la eliminación del amoníaco en almacenes de producto, y áreas donde opera personal.

Asimismo, existe un respaldo de más de 500 instalaciones en Europa (Holanda, Francia y España, principalmente). Se estima que entre el 10 y 15 por ciento de las instalaciones nuevas en dicho continente utilizan CO₂ como refrigerante. En el caso de México, existen varias plantas operando a partir de esta sustancia, la primera de ellas lleva 10 años funcionando.

Todos estos atributos hacen del CO₂ una alternativa viable para la refrigeración industrial y comercial. Las aplicaciones más frecuentes son las de tipo subcrítico en bajas temperaturas; en cambio, en su versión transcrítica (funcionan en condiciones por arriba del punto crítico), están presentes en la climatización de automóviles y pequeñas bombas de calor. Finalmente, las instalaciones que combinan ambas modalidades, tanto subcrítica como transcrítica, están dirigidas a la industria del food retail o de venta de comida en supermercados, por ejemplo, para vegetales o productos que necesitan conservarse a cierta temperatura.

Los tipos de sistemas de refrigeración subcríticos a base de CO₂ comprenden el de cascada, de bombeado (sistema brine) o combinado. Cada uno de ellos ofrece variables competitivas de acuerdo con la arquitectura de cada sistema. Dentro de las consideraciones de diseño más importantes destacan la presión de los componentes y la humedad del sistema (vacío y filtros deshidratadores), el deshielo de evaporadores y válvulas de seguridad, el entrampe de líquido y el retorno de aceite, así como aspectos de seguridad durante el paro del sistema.

Otro de los grandes beneficios del CO₂ es que ofrece la inexistencia de presiones de vacío y mayor seguridad al no circular en la planta fluidos peligrosos que pongan en riesgo la salud de los operadores y productos. Además, se distingue por la cero contribución negativa hacia el medioambiente, equipo y tubería de menor tamaño y, sobre todo, por mejoras en la eficiencia termodinámica con un consumo energético de 4.1 (15-20 por ciento), en comparación con los sistemas tradicionales de amoniaco en una o dos etapas de compresión, así como de 4.2 (20-25 por ciento), en contraste con sistemas tradicionales de glicol.