Circuitos con CO2 como refrigerante Curso sep-13

CIRCUITOS DE CO2, indice ¿Por qué CO2 ahora ? Historia Ciclos de refrigeración con CO2 Transcríticos Subcríticos CO2 comparado con R717 & R134a Válvulas de Seguridad Aceite en sistemas de CO2 Presiones de diseño Componentes para CO2 Circuitos de C02 Sistemas en cascada Sistemas de expansión seca DX Sistemas de circulación con bomba

¿Por qué CO2 ahora ?, ventajas Sustancia natural , 0,04% de volumen en el aire Refrigerante clasificado como no tóxico, y no inflamable Concentración atmosférica en el aire aprox. 0,04% (volumen) Los CFCs estan prohibidos por el protocolo de Kioto por su alto ODP(ozone depletion potential) Los HFCs tinen un ODP cero pero un alto GWP ( global warming potential ) CO2 ( y NH3) no tienen problemas con ODP y GWP Tras una fuga no contamina el producto Algunos circutos en cascada mejor COP que NH3 solo El mismo compresor da 8 veces mas capacidad Diámetros de tuberías de aspiración menores Procesos de enfriamiento mas eficientes Bajo coste del refrigerante

Historia Existe una patente inglesa de 1850 para el uso de CO2 como refrigerante Se usa de forma importante entre 1920 y 1940 Desaparece su uso ante los CFCs En 1960 su uso era prácticamente nulo

Ciclos de refrigeración con CO2 Transcríticos Son aquellos que superan la presión del punto critico para realizar el circuito frigorifico. Se utilizan en sistemas de refrigeración en el automóvil y en bombas de calor. Subcríticos Son aquellos que no superan la presión correspondiente al punto critico (73,6 bar/31,1ºC ) para realizar el circuito frigorifico Se utilizan en las instalaciones de refrigeración comerciales e industriales

Circuito supercrítico Ej.26,5/90 bar 26,5 bar (-10 Deg.C)

Circuito subcrítico Ejemplo – 10/35 bar 35 bar (0 Deg.C) 10 bar (-40 Deg.C)

CO2 - Tabla.pdf

¿Por qué NO CO2 hasta ahora ?, inconvenientes Altas presiones de diseño 40/50 bar Presiones de diseño inferiores a las equivalentes a la temperatura ambiente. Requiere sistemas auxiliares para no subir la presión durante los períodos de parada (unidad condensadora adicional, cámara frigorífica). Interfiere en la respiración humana, requiere analizar su seguridad desde este punto, se requieren detectores de fugas. Punto triple (formación de sólidos) cerca de las presiones de evaporación y en una presión superior a la atmosférica. Muchas precauciones para evitar el atrapamiento de liquido.

Circuitos frigoríficos con CO2 Circuito en cascada con compresores de CO2. Circuito con CO2 como refrigerante secundario, sin compresores de CO2 donde el CO2 es un refrigerante secundario con cambio de estado Combinación de ambos

Circito CO2(R744)/NH3(R717) cascada

Circito CO2(R744)/NH3(R717) cascada

Circuito CO2(R744)/NH3(R717) ; CO2 refrigerante secundario

Circuito CO2(R744)/NH3(R717) ; CO2 refrigerante secundario

Cascada+Ref.secundario conbinados +35 Deg.C R717,R404, R134a, R507.. CO2 Sistema de circulación con bomba Expansión seca -12 Deg.C -7 Deg.C -7 Deg.C -20 Deg.C

Sistemas de desescarche Ventajas Inconvenientes Ducha de agua Bajo coste inversión Bajo coste explotac. PS evap. menor Control biológico del agua Diseño evap.no acum.hielo Glicol caliente -Requiere evap.doble circuit. - Glicoles muy baja temp. Eléctrico Alto coste explotac. Cambio de resistencias Gas caliente Valido en cong.placas PS evaporadores mayor Requiere comp. Alta pres.

Desescarche por gas caliente +35 Deg.C Desescarche por gas caliente R717 CO2 Intercambiador de calor -20 Deg.C -15 Deg.C CO2 compresor -40 Deg.C CO2-recipiente Compresor de CO2 para desescarche +10 Deg.C -40 Deg.C CO2-evaporador

Las tuberías en función del refrigerante

Los compresores en función del refrigerante

Los aceites y el CO2

Presiones de diseño en los circuitos de CO2 La presión de diseño depende de: Las presiones de funcionamiento de los sectores de alta y baja Si se requiere o no gas caliente Temperatura ambiente períodos de parada Margen de seguridad hasta la válvula de seguridad (+15%) Código de diseño Normativa vigente

Válvulas de seguridad Es importante conocer el funcionamiento de las válvulas de seguridad, sus presiones de apertura parcial, total y cierre Al evacuar a la atmosfera pasamos por la presión del punto triple, por tanto tendremos formación de sólidos ( fase solido-gas ), Es recomendable instalar las válvulas de seguridad sin tubería de salida y con poca perdida de carga en la entrada.

Válvula de seguridad , funcionamiento

Valvulas seguridad

El agua en los circuitos de CO2 CO2 + H2O → H2CO3 (acido carbónico, acido suave) El acido carbónico de nuevo con agua forma H2CO3 + H2O → HCO3(-) + H3O(+) (acido fuerte) Por tanto debemos tener precauciones para evitar la entrada de agua en los circuitos de CO2 Con concentraciones de agua muy altas en los sistemas de CO2, se puede formar CO2 gas hidratado sólido , CO2(H2O)8 , el cual con una apariencia similar a la del hielo es estable a mayores temperaturas. El hidrato de CO2 puede generar problemas en distintos lugares como p.e. en los filtros Los aceites POE con agua generan ácidos orgánicos, débil, + alcohol

¿Cómo entra el agua en el CO2? El agua del aire, no retirada del circuito es una causa fundamental. No es suficiente hacer vacio, barridos con Nitrógeno seco y vaciar varias veces son necesarios. Operaciones de mantenimiento, limpieza de filtros …, condensa agua en las paredes frías interiores y permanece al cerrar el circuito. La descomposición de aceites puede dejar agua en el circuito. La calidad del refrigerante a veces no es suficiente y hay un alto % de agua En la cargas de aceite

El agua en los circuitos de CO2

Solubilidad del agua en diferentes refrigerantes, fase gas

En sistemas de CO2 los filtros deshidratadores y los indicadores de humedad son de vital importancia Evaporador Condensador Filtro deshidratador Indicador de humedad

Materiales para CO2 El CO2 es compatible con cobre y acero, requiere especial precaución las presiones de diseño de los elementos. Existen en el mercado equipos, valvulas y automatismos para las presiones requeridas (25,40 y 50 bar) para los circuitos industriales subcríticos. Las juntas tóricas estandar CR se pueden utilizar en estos circuitos.

Efectos fisiológicos de los refrigerantes

Presiones, diseño mecánico y DEP

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