El uso de refrigerantes naturales va en aumento, debido, en gran medida, a la disminución del uso de sustancias sintéticas y la escasez de nuevas alternativas. En el caso del CO2, sus beneficios se pueden potenciar con sistemas adiabáticos
Raúl Alanis / Fotografias e imágenes: cortesía de Güntner
El dióxido de carbono (CO2) ha estado presente en la refrigeración desde hace más de 100 años; sin embargo, a pesar de que es un fluido empleado en diversas aplicaciones, aún presenta retos importantes en términos de la viabilidad de su uso. Esto por los requerimientos de operación en fase transcrítica en instalaciones con temperatura ambiente por encima de los 25 °C, principalmente, lo cual origina una importante disminución de los niveles de eficiencia, en contraste con otros refrigerantes que operan por debajo de su punto crítico.
Los equipos de condensación o enfriamiento adiabático son una alternativa para aumentar la viabilidad del CO2 como refrigerante, pues permiten extender las áreas de aplicación con operación subcrítica, o bien, reducir el tiempo de operación transcrítica de los sistemas de refrigeración, con efectos positivos en el dimensionamiento y eficiencia energética.
Operación adiabática
El término adiabático proviene de los procesos termodinámicos en los que se obtiene un trabajo sin transferencia de calor. En el caso particular de los equipos adiabáticos, el concepto se refiere al proceso de transferencia de masa de agua en el aire. El aire seco tiene afinidad por el agua, de manera que, por efectos del diferencial de presiones de vapor, el aire genera una transferencia de masa y disminuye su temperatura, valiéndose de la energía contenida en el aire. Asumiendo que el agua y el aire tienen temperaturas iguales, no existiría transferencia de calor alguna, por lo que el proceso de humidificación del aire bajo estas condiciones es un proceso termodinámico adiabático.
En un condensador de este tipo, este principio realiza un preenfriamiento del aire en un punto inmediatamente anterior al intercambio de calor con el fluido de trabajo. Esto se logra empleando paneles hidrofílicos por los que el aire es forzado a pasar y, que a su vez, cuentan con un sistema de distribución de agua que produce la humidificación del aire durante este trayecto. Así, se realiza el proceso evaporativo adiabático y se logra el beneficio de disminución de la temperatura del aire de enfriamiento. De este modo, es posible acercarse a la temperatura de bulbo húmedo hasta en un 95 por ciento.
Uno de los objetivos de estos equipos es establecer un dimensionamiento óptimo de los sistemas a partir de la disponibilidad de aumentar la capacidad de disipación de calor, mediante el uso de agua para enfriamiento adiabático; y operar los sistemas de refrigeración bajo un esquema de uso eficiente de los recursos energéticos e hídricos.
Un condensador o enfriador adiabático permite seleccionar los sistemas de refrigeración basados en una temperatura ambiente inferior a la que tiene el bulbo seco de la zona de instalación. Es decir, permite eliminar los máximos de temperatura locales y diseñar sistemas de refrigeración sin depender totalmente de las condiciones de temperatura ambiente máxima del bulbo seco.
Asimismo, posee la capacidad de controlar la irrigación de agua y la velocidad angular de los ventiladores (flujo de aire), para establecer un balance psicrométrico con el aire disponible. Lo anterior con el objetivo de emplear únicamente el agua necesaria para el enfriamiento requerido y, en consecuencia, optimizar los aspectos de consumo de agua y energía.
En la Figura 1 se aprecia cómo los puntos máximos de temperatura ocurren en una pequeña proporción de tiempo del total del año. La línea roja es la temperatura de diseño con un equipo adiabático que, en esencia, permite disminuir los requerimientos de potencia y consumo de energía del sistema de refrigeración, basados en temperaturas extremas anuales. En otras palabras, en los puntos de temperatura superiores a la línea roja, el equipo operará en forma adiabática.
CO2 como refrigerante
Es uno de los fluidos con mayor antigüedad en esta industria. Sus primeros usos datan de 1867, época en la que los demás refrigerantes eran inflamables o tóxicos. Por ello, el dióxido de carbono se introdujo como una solución segura para diversas aplicaciones frigoríficas.
Durante las tres primeras décadas del siglo XX, el CO2 alcanzó su pico máximo en términos de uso para refrigeración en embarcaciones, principalmente. A finales de este periodo, los refrigerantes sintéticos lo remplazaron de forma progresiva dada su mayor eficiencia y menores presiones de trabajo. Para 1960, salió prácticamente del mercado de la refrigeración y permaneció así durante 30 años.
Después de que se diera a conocer el impacto ambiental ocasionado por algunos refrigerantes sintéticos, los naturales recobraron su protagonismo. Sin embargo, el dióxido de carbono aún enfrenta retos para ser considerado como una opción viable en diferentes aspectos, como eficiencia energética y seguridad de operación, debido a las altas presiones de trabajo, los costos superiores de instalación y el escaso conocimiento técnico.
Características del CO2
Los tradicionales ciclos de refrigeración por compresión de vapor se valen de la condensación del fluido refrigerante para rechazar el calor extraído del espacio refrigerado. En su condición de cambio de fase, estos ciclos rechazan calor en forma latente a valores prácticamente constantes de presión y temperatura. En un diagrama presión-entalpía, este proceso termodinámico ocurre como un desplazamiento lineal desde la zona de gas sobrecalentado en la que la descarga del compresor entrega el fluido, hasta un nivel de entalpí a menor ubicado apenas fuera de la zona de líquido saturado, es decir, con un ligero subenfriamiento.
Todos los procesos termodinámicos de la refrigeración tradicional ocurren por debajo del punto crítico de los refrigerantes, exceptuando el CO2. Dicho esto, la operación transcrítica, aunada a las altas presiones de operación, es uno de los aspectos más importantes en la utilización de este refrigerante.
El punto crítico del CO2 ocurre a 31.1 °C, a una presión de 73.8 bar; en este punto, la densidad de las fases líquida y gaseosa adquieren valores iguales y no es posible diferenciar una de la otra. La relación presión-temperatura que existe durante condiciones de saturación se pierde en esta fase; en consecuencia, un mismo valor de presión da infinitas posibilidades de temperatura, lo que aumenta las variables a controlar.
El objetivo de un sistema de refrigeración es mover el calor de un espacio a refrigerar desde el evaporador hacia el ambiente circundante del condensador. En el caso de los sistemas de CO2, el enfriador de fluido transcrítico es el que rechaza el calor. Para un correcto dimensionamiento de los condensadores en términos de costo/desempeño, la condensación de los refrigerantes debe ocurrir a 5-10 °C por encima de la temperatura ambiente.
De acuerdo con lo anterior, es posible predecir que, en una buena parte de las regiones del mundo, y para condensadores/enfriadores con aire, la operación en fase transcrítica se vuelve una necesidad para el rechazo de calor en sistemas de refrigeración con CO2, más puntualmente en aquellas instalaciones que cuentan con temperatura ambiente máxima de bulbo seco superior a los 25-26 °C.
En la actualidad, el uso del dióxido de carbono predomina en sistemas enfriamiento de mediana y baja capacidad, como en supermercados, tiendas de conveniencia o centros de distribución, y en regiones climáticas donde es posible operar de forma subcrítica durante gran parte del tiempo. A su vez, el sistema de refrigeración con mayor auge en este sector es el booster de compresión. En instalaciones de mayor tamaño, su viabilidad radica en la operación en cascada de amoniaco-CO2, particularmente, puesto que cada uno opera en su condición más favorable, es decir, amoniaco en media temperatura y CO2 en baja temperatura.
Condensadores adiabáticos de CO2
Con un enfoque mayor en los sistemas de mediano tamaño con operación únicamente con dióxido de carbono, y sobre todo en aplicaciones de refrigeración comercial y semiindustrial, la tecnología recurrente en intercambiadores de rechazo de calor es la de tubos aletados y enfriados por aire.
El uso de condensadores o enfriadores evaporativos podría suponer una alternativa para operar CO2 en condición subcrítica; sin embargo, implica un incremento en costos de mantenimiento e inversiones iniciales más grandes, comparadas con las realizadas en instalaciones con refrigerantes sintéticos. Esto reduce la viabilidad de esta tecnología, sin tomar en cuenta el alto uso de agua que implica, lo cual disminuye la opción de emplear condensadores evaporativos para mantener los sistemas operando debajo del punto crítico.
La solución es el empleo de los condensadores/enfriadores adiabáticos, pues su versatilidad de operación, con sólo aire en los periodos de temperaturas bajas del año y modo húmedo en las horas más cálidas, los vuelve equipos adecuados para el dimensionamiento de un sistema de refrigeración esbelto. Sus bajos costos de mantenimiento y su lógica de control, que promueve un aprovechamiento óptimo de los recursos hídricos y energéticos, los convierten en una excelente alternativa para aumentar la viabilidad del uso de equipos con CO2. Uno de sus mayores beneficios es la posibilidad de alcanzar condiciones de operación subcríticas en lugares donde los gas coolers / condensadores enfriados sólo con aire no lo logran.
CO2 transcrítico
Los sistemas de refrigeración con dióxido de carbono se encuentran catalogados por zona geográfica, y en función del tipo de operación viable, en subcríticos o transcríticos.
La instalación de sistemas transcríticos cada vez es más frecuente en zonas donde se recomienda su uso en operación subcrítica, debido al desarrollo de tecnologías que aumentan su eficiencia y contrarrestan la competencia de las instalaciones que operan con sustancias sintéticas. El aumento de la eficiencia radica en reducir la temperatura de salida del enfriador de CO2, que también se puede interpretar como aumentar la proporción de líquido posterior al proceso de expansión, en la mezcla gas-líquido del refrigerante. Lo anterior se debe a que, para el caso de los sistemas de CO2 que operan en forma transcrítica, los requerimientos de presión varían para obtener una mayor eficiencia, es decir, es necesario contemplar la operación con presión flotante. En la medida que la temperatura ambiente aumenta, también lo debe hacer la presión de descarga del compresor, en cierta proporción para la obtención del mayor diferencial de entalpías posible en el proceso de evaporación. De este modo, es posible lograr un aprovechamiento eficiente del efecto frigorífico.
Las Figuras 2 y 3 expresan el efecto en el diferencial de entalpías (efecto frigorífico) de dos diferentes niveles de presión para una misma temperatura de salida de CO2 del intercambiador de rechazo de calor.
Por otro lado, si la presión es demasiado alta, el proceso de compresión se vuelve menos eficiente y aumenta la demanda de potencia con respecto al beneficio frigorífico obtenido. En consecuencia, el control de presión debe ligarse a la temperatura de salida del CO2 del gas cooler y converger en el punto más eficiente posible a las condiciones ambientales disponibles.
Como se ha mencionado, la temperatura de salida del enfriador de dióxido de carbono tiene alto impacto en la mejora de la eficiencia de los sistemas frigoríficos en operación transcrítica. Además, permite operar en presiones más bajas que demandan menor esfuerzo en el compresor, lo que aumenta la cantidad de potencia frigorífica por unidad de potencia de entrada al sistema (COP). Para esto, existen alternativas como el uso de tecnologías externas al ciclo de refrigeración; por ejemplo, pequeños sistemas frigoríficos de compresión con refrigerantes alternativos para incrementar el enfriamiento de líquido en esta etapa, sin embargo, el uso de estos sistemas implica un costo energético adicional.
Nuevamente, el uso de enfriadores de CO2 adiabáticos aumenta la eficiencia en condiciones que permiten reducir el uso de las tecnologías antes mencionadas, o bien, combinarse con éstas para lograr valores aún mayores de eficiencia. Pese a lo anterior, el mejor de los casos siempre será la operación subcrítica, como es posible apreciar en la Figura 4.
Perfiles de carga y climático
Los perfiles de carga tienen un papel importante para el dimensionamiento de los sistemas de refrigeración. Dependiendo del tipo de aplicación, la carga frigorífica requerida puede variar significativamente a lo largo de los horarios de operación.
El perfil de carga puede ser difícil de estimar durante la etapa temprana de diseño de un sistema frigorífico, por lo que considerar el ciento por ciento de carga se vuelve una práctica común en la selección de equipo de refrigeración. Ahora bien, el impacto que esto genera en el compresor (el principal elemento consumidor de energía) es un sobredimensionamiento de la capacidad y la potencia total instalada. Esto genera un desperdicio energético en buena parte del año, ya que la condición de temperatura máxima y el ciento por ciento de carga demandada difícilmente convergen en el mismo evento.
La variación de velocidad en los ventiladores del enfriador adiabático reduce el consumo de energía en condiciones de baja demanda de carga, por lo que el sistema podrá operar con cargas parciales cuando sea requerido y optimizará la eficiencia del sistema para promover el ahorro de energía.
Si bien el perfil de carga puede ser muy variable, las condiciones climáticas críticas ya se encuentran registradas históricamente o muy aproximadas para cada lugar de instalación. Actualmente, la viabilidad de los sistemas de CO2 y la operación adiabática dependen de los parámetros y condiciones climáticas de la zona de instalación. Con el uso de equipos adiabáticos, la operación con temperaturas cercanas al bulbo húmedo permite vencer la limitante de la temperatura de bulbo seco como temperatura disponible para enfriamiento o condensación del dióxido de carbono. Aunado a esto, la condición más cálida del año junto con la más húmeda es mutuamente excluyente en casi cualquier lugar, es decir, cuando se registra la mayor temperatura ambiente; el efecto inmediato es la disminución de la temperatura de bulbo húmedo permitiendo operar en valores muy por debajo del bulbo seco, que incluso son similares a la condición de temperatura promedio anual. Gracias a este efecto, el uso de condensadores adiabáticos permite diseñar un sistema de refrigeración esbelto y compacto más adecuado para la aplicación en condiciones climáticas desfavorables, en las que el uso de agua optimiza el ahorro energético y el dimensionamiento correcto del sistema en términos de la potencia total instalada.
Un factor fundamental es considerar el perfil climático de la zona de instalación para el uso de CO2 como refrigerante, así como para determinar la factibilidad del uso de condensadores / enfriadores adiabáticos, ya que las condiciones de bulbo húmedo o humedad relativa podrán aumentar o disminuir la viabilidad de la operación del sistema. El reto en sistemas transcríticos es volverlos eficientes en las zonas cercanas al ecuador, donde los climas pueden ser extremadamente cálidos. Si bien las temperaturas mundiales para latitudes cercanas al ecuador –México, Colombia, Costa Rica, Ecuador, entre otros– son consideradas para operación de sistemas transcríticos de CO2, también es posible emplear el modo subcrítico. Por esto, se recomienda hacer una evaluación microclimática para garantizar su viabilidad mediante el empleo de equipos adiabáticos de rechazo de calor en lugares en los que la temperatura ambiente alcanza entre 30 y 34 °C. A pesar de ser sitios con altos índices de humedad, durante esos puntos máximos de temperatura, la condición de bulbo húmedo desciende naturalmente hasta puntos en los que sigue habiendo un gran beneficio en pro del uso de CO2 mediante el empleo de enfriadores / condensadores adiabáticos.
Ejemplo práctico
En la selección de un equipo de rechazo de calor, el valor estándar mínimo es 5 °C de diferencia entre la temperatura ambiente y la de condensación o enfriamiento del fluido refrigerante. Valores menores aumentarán el tamaño de los intercambiadores; sin embargo, sigue siendo una mejor alternativa que emplear valores mayores en términos de eficiencia energética. Para equipos de rechazo de calor enfriados únicamente por aire, debe calcularse el ciento por ciento de carga frigorífica a la condición de temperatura más alta.
El presente ejercicio supone el dimensionamiento de un sistema de refrigeración de CO2 para una capacidad de 150 kW con instalación en las coordenadas geográficas 20.67°N/103.69°W, correspondientes a Guadalajara, Jalisco (México), donde operará bajo las siguientes condiciones:
- Temperatura máxima de bulbo seco: 35 °C
- Temperatura de bulbo húmedo de diseño: 20 °C
Conforme a estos datos, se realiza una comparativa (Figura 5 y 6) de dos alternativas para:
Caso a Sistema frigorífico con enfriamiento de CO2 con equipo enfriado por aire
Caso b Sistema frigorífico con condensación de CO2 en sistema subcrítico con equipo adiabático
El Caso A expresa claramente la razón por la cual el CO2 en operación transcrítica tiende a ser descartado como opción viable.
Para el Caso B vs. Caso A se tiene:
- Menor carga de rechazo de calor con operación subcrítica, lo que implica una disminución importante del tamaño del enfriador / condensador de CO2
- Disminución de hasta el 50 por ciento de potencia requerida en los compresores
- Reducción del flujo másico de refrigerante con impacto positivo en términos de carga de refrigerante y del dimensionamiento de las líneas de tubería
- Aumento en un cien por ciento de la eficiencia COP del sistema. Por cada kW eléctrico el Caso B produce 2.2 kW frigoríficos contra sólo 1.1 kW del Caso A
- Menores presiones de operación
Conclusión
En las regiones cálidas del mundo, el CO2 ha sido considerado como un refrigerante poco viable energéticamente hablando, por las implicaciones de su operación transcrítica, principalmente en sistemas de pequeño y mediano tamaño, que operan con tecnología de rechazo de calor con enfriamiento sólo por aire. Con el uso de enfriadores y condensadores adiabáticos y la operación subcrítica es posible llegar a lugares que antes eran inviables. Lo anterior dependerá del perfil climático de la región, pero definitivamente el uso de esta tecnología amplía las zonas en donde el CO2 puede operar de forma eficiente y ser empleado como una solución alternativa a los refrigerantes con alto impacto ambiental.
En la actualidad, existen tecnologías destinadas al aumento de la eficiencia de equipos de refrigeración con CO2 transcrítico, como los sistemas booster con compresión en paralelo y los eyectores. La combinación de éstos permite la operación de los sistemas de enfriamiento de forma más viable y eficiente; sin embargo, uno de los puntos más relevantes es la temperatura de salida del enfriador. Por lo tanto, el uso de enfriadores y condensadores adiabáticos permite optimizar el dimensionamiento del sistema de refrigeración y sus componentes tecnológicos, volviéndolo más eficiente, atractivo y competitivo contra otras alternativas convencionales.
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Raúl Alanis
Ingeniero mecánico egresado de la Universidad Autónoma Metropolitana, Unidad Azcapotzalco. Trabajó como apoyo docente para el Departamento de Energía de esta institución durante sus últimos años de estudio. Actualmente, se desempeña como ingeniero de soporte técnico de ventas y aplicaciones en Güntner de México, además colabora en actividades de desarrollo y normalización en materia de ahorro energético a nivel nacional.
