México

Dióxido de carbono (CO₂)

Propiedades generales

Por sus propiedades termodinámicas puras, el CO₂ no resulta muy adecuado como refrigerante. Sin embargo, el CO₂ posee varias propiedades termofísicas únicas:

  • Muy buen coeficiente de transferencia de calor
  • Relativa insensibilidad a las pérdidas de presión
  • Viscosidad muy baja

En aplicaciones prácticas, los sistemas con CO₂ ofrecen un rendimiento muy elevado. Esto se debe, principalmente, a un mejor intercambio de calor, una potencia de bombeo muy baja cuando el CO₂ se utiliza como fluido secundario y, en climas fríos, la posibilidad de funcionar con una presión de condensación muy baja en invierno.

La eficiencia de los sistemas de CO₂ es más dependiente de la aplicación y del clima que en el caso de otros refrigerantes. Para todos los refrigerantes, existe una disminución en la eficiencia del sistema con el aumento de las temperaturas de condensación, y el CO₂ está entre los refrigerantes con la caída más pronunciada. Las buenas propiedades termofísicas del CO₂ pueden compensar hasta cierto punto, pero hay un límite.

El CO₂ posee un alto contenido de energía a temperaturas más altas y, cuando este calor puede recuperarse para calentar agua sanitaria o aplicaciones similares, la eficiencia del sistema total se vuelve muy alta.

Desde una perspectiva medioambiental, el CO₂ es un refrigerante muy atractivo, con un índice cero de ODP y un GWP de 1. Además, es una sustancia natural y abundante en la atmósfera.

El CO₂ es un refrigerante de alta presión que requiere presiones de funcionamiento altas para resultar eficiente. En condiciones de parada, la temperatura ambiente puede alcanzar y superar la temperatura crítica y la presión también puede superar la presión crítica. Por lo tanto, los sistemas se suelen diseñan de forma que soporten presiones de hasta 90 bar. En ocasiones, incluso incorporan una pequeña unidad condensadora para mantener un valor de presión bajo en condiciones de parada.

Al mismo tiempo, el CO₂ presenta una baja relación de presión de compresión (entre un 20 y un 50 % inferior a la de los HFC y el amoníaco), lo que mejora la eficiencia volumétrica. Con temperaturas de evaporación situadas en el rango de –55 °C a 0 °C, el rendimiento volumétrico del CO₂ es, por ejemplo, de cuatro a doce veces mejor que el del amoníaco, lo que permite utilizar compresores con volúmenes de barrido más pequeños.

El punto triple y el punto crítico del CO₂ están muy próximos a su rango de trabajo. Esto hace que, durante el funcionamiento normal del sistema, pueda alcanzarse el punto crítico. Asimismo, a la hora de realizar el mantenimiento del sistema, puede alcanzarse el punto triple, tal como demuestra la formación de hielo seco al exponer a la presión atmosférica aquellas partes de los sistemas que contienen líquido. Por lo tanto, será necesario disponer de procedimientos especiales para evitar la formación de hielo seco durante las purgas de mantenimiento.

El CO₂ no reacciona con los metales comunes ni con componentes de Teflon®, PEEK o neopreno. Sin embargo, puede difundirse en los elastómeros y puede provocar que el caucho de butilo (IIR), el caucho de nitrilo-butadieno (NBR) y los materiales de etileno y propileno (EPDM) se inflen.

La densidad del CO₂ líquido es, aproximadamente, 1,5 veces mayor que la del amoníaco, lo que da lugar a una mayor carga másica en los evaporadores, como los grandes chillers de placas en los grandes sistemas industriales. Asimismo, una mayor densidad equivale también a una mayor circulación de aceite, lo que a su vez exige disponer de separadores de aceite eficaces en los sistemas industriales.

El CO₂ es un subproducto de una serie de industrias, por lo que su precio es bajo. Sin embargo, los sistemas con CO₂ tienden a ser más caros que los sistemas tradicionales debido a las mayores presiones (en los sistemas transcríticos) o a la mayor complejidad (tanto en los sistemas transcríticos como en los subcríticos). La complejidad de los sistemas parece estar disminuyendo con la introducción de los sistemas Booster y, a medida que aumenta el número de instalaciones de CO₂, la evolución demuestra que el coste se aproxima al coste de los sistemas de referencia que utilizan HFC.

Los grandes sistemas secundarios con CO₂, especialmente en refrigeración industrial, pueden resultar menos costosos de construir que los sistemas equivalentes de glicol y, por lo tanto, ofrecen unos costes iniciales y de ciclo de vida más bajos.

A diferencia de la mayoría de los otros refrigerantes, el CO₂ se utiliza en la práctica en tres ciclos de refrigeración diferentes:

  • Subcrítico (sistemas en cascada) 
  • Transcrítico (sistemas que solo utilizan CO₂)
  • Líquido secundario (el CO₂ se utiliza como salmuera volátil) 

La tecnología empleada depende de la aplicación y de la ubicación en la que se pretenda instalar el sistema. Existen varias aplicaciones en las que el CO₂ resulta atractivo y ya se utiliza ampliamente en la actualidad: 

  • Refrigeración industrial: el CO₂ se suele utilizar combinado con amoníaco, bien en sistemas en cascada o bien como salmuera volátil. 
  • Refrigeración para la industria de distribución alimentaria
  • Bombas de calor
  • Refrigeración para transporte

Danfoss cree que el CO₂ será el principal refrigerante en los sistemas de refrigeración comercial multipack, ya que el nuevo reglamento sobre gases fluorados supone un claro impulso en esta dirección. 

Los sistemas con CO₂ también pueden ampliarse para asumir la recuperación de calor. En muchos casos, la inversión adicional para obtener el calor residual es insignificante, algo que ya se ha demostrado en varias ocasiones.

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Aplicaciones con CO₂ en la industria de distribución alimentaria

Aplicaciones con CO₂ en  refrigeración industrial

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