Los sistemas de refrigeración con CO₂ transcrítico

Sistema de refrigeración transcrítico de CO₂

Sistema transcrítico: el CO₂ funciona de manera diferente a los refrigerantes halogenados. Mientras que en el sistema halogenado se produce la condensación del fluido, en el sistema de CO₂ transcrítico este debe enfriarse en el enfriador de gas, ya que las temperaturas exceden la temperatura crítica del CO₂.

En estos sistemas hay altas presiones de trabajo que pueden alcanzar los 90 bar o 1305 PSIG. A continuación, el fluido refrigerante se almacena en el tanque del líquido, para luego distribuirse al sistema de temperatura baja y media. La extracción siempre se realiza en la parte inferior del tanque, para enviar únicamente líquido al sistema.

A temperatura media el fluido sale del tanque, pasa por la válvula de expansión y por el evaporador y después es aspirado por compresores de media temperatura. En el sistema de baja temperatura, primero el refrigerante es aspirado por el compresor de baja temperatura, pasando a través de la válvula de expansión y el evaporador. Estos compresores reducen la presión a una condición de congelación, tras lo cual el fluido es aspirado por los compresores de temperatura media y así se cierra el circuito.

Sistemas de refrigeración de CO₂: características de diseño

A la hora de diseñar un tipo de sistema de CO₂, se deben seguir unas consideraciones particulares, que son muy diferentes a las utilizadas en sistemas con refrigerantes convencionales, tanto para aquellos dispositivos que funcionan en régimen subcrítico como para los que lo hagan en régimen supercrítico. A modo de ejemplo, vamos a citar los siguientes aspectos, que son tan solo una parte de todas las situaciones en las que un sistema con CO₂ se diferencia de un sistema convencional con refrigerantes sintéticos.

1. Temperatura final de compresión: los compresores de tipo semi hermético requieren un control muy preciso de la temperatura de succión. Incluso con sistemas frigoríficos que tienen temperaturas de evaporación del orden de -10 °C, resulta fácil alcanzar temperaturas de final de compresión cercanas a los 200 °C, excesivas para el compresor. En consecuencia, es necesario verificar tanto la idoneidad como la utilidad real de los eventuales intercambiadores regenerativos, así como el control del sobrecalentamiento efectivamente logrado por los dispositivos de expansión utilizados.
2. Sistemas de baja temperatura: se recomienda utilizar compresores de dos etapas para temperaturas de evaporación inferiores a -25 °C. La solución más práctica es utilizar compresores compound internos de dos etapas, que permiten dividir la caída de presión en dos partes manteniendo un solo cuerpo compresor. Por lo general, entre la primera y la segunda etapa de compresión se coloca un intercambiador de calor que opera una inter refrigeración intermedia; esta solución tiene la capacidad de garantizar a la vez una disminución sustancial de la temperatura de final de compresión de la segunda etapa y una disminución significativa del trabajo de compresión global y, por tanto, de la potencia absorbida.
3. Operación en condiciones subcríticas: un sistema diseñado para operación transcrítica tiene el beneficio de poder trabajar de manera muy eficiente incluso en condiciones subcríticas, siempre que la lógica de conmutación y el intercambiador de alta presión estén diseñados para ambas condiciones de operación. Esta posibilidad nos permite obtener valores elevados de COP (Coefficient Of Performance o coeficiente de rendimiento), calculados anualmente.
4. Subenfriamiento: las características termofísicas del dióxido de carbono recomiendan diseñar el sistema de evacuación de calor de manera que se obtenga un subenfriamiento del condensado en operación subcrítica; y en régimen transcrítico, cuando sea posible, utilizar también enfriamiento evaporativo (nebulizando el agua) al final del proceso del intercambiador. Con el mismo subenfriamiento, el aumento de eficiencia del que se beneficia el sistema es significativamente mayor con el uso del dióxido de carbono (CO₂), por sus propiedades termodinámicas, respecto al que se obtiene con otros refrigerantes sintéticos.