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DISENO DE SISTEMAS DE
CO2-CASCADA NH3
Por
Ole ChristensenM&M Refrigeration, Inc.
Traducido por Ricardo Mardones
CO2 NH3
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Diseño sistemas CO2/NH3- Cascada
• Antecedentes
• Ventajas Sistemas en Cascada CO2/NH3
– Costo Operativo
– Costo Inicial
– Carga de Refrigerante y posibles fugas – Servicio y Mantenimiento
• Diseño de Sistemas
– Aplicaciones – Presiones y temperaturas
– Compresores
– Intercambiador de calor de la cascada – Evaporadores y descongelación
– Tanques, tuberías y válvulas – Manejo aceite• Estudio, Ejemplo
– Almacenamiento de Refrigerados
– Aplicación IQF
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Instalaciones Industriales Amoníaco/CO2 Sistema Cascada
Vision General
• Situación de los refrigerantes
• Restricciones de carga de Amoniaco
• Daños provocados por el amoniaco
• Costo Energía
• Bajo Costo inicial
• Costo del refrigerante
• Baja temperatura a costos razonables
• Menor espacio requerido
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Instalaciones Industriales Amoníaco/CO2 Sistema Cascada
Concepto Básico
NH3 circuitoCO2 circuito
t -67F
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Instalaciones Industriales Amoníaco/CO2 Sistema Cascada
COSTO - OPERATIVO
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Instalaciones Industriales Amoníaco/CO2 Sistema Cascada
Ventajas – Costo Operativo
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Instalaciones Industriales Amoníaco/CO2 Sistema Cascada
Ventajas – Costo Inicial – Compresor de Baja pequeño
0.3
3.0
30
300
-67 -58 -49 -40 -31
Temperatura Evaporación ( o
F)
C a p a c i t y ( T R
)
CO 2
NH 3
Temperatura de Condensación 14°F
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Instalaciones Industriales Amoníaco/CO2 Sistema Cascada
Ventajas – Costo Inicial
• Bajos Costos – Compresor (lado baja temperatura)
– Tuberías de succión, descarga, válvulas, aislamiento.
– Tanques separadores de líquido (+ aislamiento)
– Refrigerante
• Altos Costos
– Intercambiador de Calor cascada CO2/NH3 en vez de Inter-
cooler – Tuberías de líquido, válvulas, aislamiento etc
– Diseño de alta presión de algunos componentes
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Instalaciones Industriales Amoníaco/CO2 Sistema Cascada
Ventajas – Carga de Refrigerante - Fugas
• Baja carga de refrigerante Amoníaco• Amoníaco confinado en la sala de maquinas
• CO2 no daña el producto
• CO2 no es toxico ni inflamable
• De todas Formas!! – Largo tiempo de exposición al CO2 esta limitado al 1% de
concentración.
– Corto tiempo de exposición al CO2 esta limitado a un 3% de
concentración.
– 10 –
20% de concentración de CO2 es dañino y puede causar dañofatal.
– Detectores de CO2 son requeridos
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Instalaciones Industriales Amoníaco/CO2 Sistema Cascada
Mantenimiento y Servicio
• No se requiere unidad de recuperación o de drenaje de agua.• No olor
• No es necesario purgas de Aceite en el lado de CO2
• Siempre presión de operación positiva
• De Todas Forma!!
– Cuidado con el entrampe de liquido. Si la temperatura de este sube en7°F la presión se incrementa sobrepasando los limites de presión dela tubería!
– Se debe ser cuidadoso con la combinación de CO2 liquido/gas. Si latemperatura del cuarto es de 68°F (por ejemplo) la presión del CO2
es de 812 Psi
– Hacer adecuado vacío para remover la humedad después de haberhecho servicio a un componente en el lado de CO2
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Instalaciones Industriales Amoníaco/CO2 Sistema Cascada
Diseño de Sistemas – Aplicación – Congelación
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Instalaciones Industriales Amoníaco/CO2 Sistema CascadaDiseño de Sistema – Aplicación – Almacén Congelados
AmoniacoSurge Drum
NH3 CompresorTornillo
Evap. Condenser
CP-Receiver(Economizer)
NH3/CO2 Cascade
Heat Exchangers
CO2
VPR-55°F
CO2VPR-30°F
Blast Freezer Freezer
NH3 Screw11 / 95°F
CO2 HPR20°FCO2 Recip
-55/ 20°F
CO2 Recip-55/ 20°F
CO2 Recip-30/ 20°F
CO2 Recip-30/ 20°F
D r i e r
CoolerDock
O i l R e c t i f i e r
O i l R e c t i f i e r
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Instalaciones Industriales Amoníaco/CO2 Sistema Cascada
Diseño de Sistemas – Temperatura - Presión
• Temperatura de succión determinada por diseño – CO2 triple punto (mínimo teórico) = - 70°F
– Temperatura practica menor de evaporación= - 65°F
• Temperatura de condensación del lado deamoniaco determinada por la localización delProyecto.
• Cual es la temperatura intermedia y la diferenciaentre la condensación del CO2 y la temperaturade evaporación del amoniaco?
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Instalaciones Industriales Amoníaco/CO2 Sistema CascadaDiseño de Sistemas – Temperatura - Presión
0
50000
100000
150000
200000
250000
300000
350000
0 5 10 15 20
U S D
DT [°F]
Diferencia de Temperatura optima Sistema de Cascada-
Condensador - Costo Inicial
Cascade cooler
Compressor
SUM
Minimum
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Instalaciones Industriales Amoníaco/CO2 Sistema Cascada
Diseño de Sistema – Temperatura - Presión
0
50000
100000
150000
200000
250000
300000
0 5 10 15 20
U S D
DT [°F]
Optima diferencia de temperatura en condensador CascadaCosto Operativo
Capital cost
Electrical cost
SUM
Costo Energía = 0.05 USD/kWh; Tiempo de depreciación= 5 años; Operación 7000 horas/año; Tasa Interés= 5%
Minimo
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Instalaciones Industriales Amoníaco/CO2 Sistema Cascada
Diseño de Sistemas – Temperaturas y Presiones
0
1
2
3
4
5
6
7
-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35
C O P
Alta Etapa Temperatura Evaporacion[°F]
COP Para compresor de alta y baja
COP-LT-NH3 COP-HT COP-LT-CO2
BT Temp. Evaporación. = -40°
F; BT-NH3 Temp. Condensación. = AT Temp.Evaporación BT-CO2 Temp. Condensación = AT Temp. Evaporación + 9°F
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Instalaciones Industriales Amoníaco/CO2 Sistema Cascada
Diseño de Sistemas Temperaturas - Presiones
Temperatura intermedia optima para sistemas de dos etapas de NH3 Pi = ( Pe x Pc )½
1.620
1.640
1.660
1.680
1.700
1.720
1.740
1.760
1.780
1.800
-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35
C O P
TEMPERATURA EVAPORACION ALTA[°F]
SISTEMA TOTAL COP
COP-Casc COP-TwoSt
BT Temp. Evaporación. = -40°F; BT-NH3 Temp. Condensación. = AT Temp.Evaporación. BT-CO2 Temp. Condensación. = AT Temp. Evaporación. + 9°F
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Instalaciones Industriales Amoníaco/CO2 Sistema Cascada
Diseño de Sistemas - Compresores
• Características del circuito de CO2: – Alta Presión de Succión
– Baja razón de compresión
– Alto diferencial de presión
• Condición optima para operación de reciprocante• Rendimiento de reciprocante es un 10 a 15% mejor
que el tornillo a estas condiciones.
• Reciprocante disponibles para CO2 hasta 170 TR a -
40°F con 580 Psi como presión de diseño.• Capacidad para tornillos pequeños de CO2 es ~ 200
TR a -40°F para una presión de diseño de 450 Psi
• Rendimiento de reciprocante a cargas parciales mejor
que los tornillos.
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Instalaciones Industriales Amoníaco/CO2 Sistema Cascada
Diseño de Sistemas – Cascada Intercambiador de Calor
• Intercambiador de Calor en Cascada sirve de: – Evaporador para el lado de NH3. – Condensador para el lado de CO2.
• Tipo de Intercambiadores disponibles: – Placas
• Alta Eficiencia; Baja Carga de NH3; Bajo riesgo de mescla; Poco espacio
• Alto Precio
– Casco y Tubo• Bajo costo (pequeñas capacidades); bajo riesgo mescla
• Espacio requerido; Alta carga de NH3. – Tubo y Placa
• Alta Eficiencia; Valor razonable; Baja carga NH3; Poco espacio
• Alto riesgo de mezcla
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Instalaciones Industriales Amoníaco/CO2 Sistema Cascada
Diseño Sistemas – Evaporadores y Descongelación
• Evaporadores CO2: – Enfriadores de Aire
– Congeladores de Placa
– Enfriadores de Liquido
• La mayor eficiencia posible si el diseño es optimizado para CO2
• En general los mismos principios de descongelación que para NH3• Descongelación con gas caliente de CO2 requiere 700 psig !
• Los mas comunes métodos de descongelación para evaporadoresusando CO2 son:
– Eléctrico
– Agua – Aire
– Glicol Caliente
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Instalaciones Industriales Amoníaco/CO2 Sistema Cascada
Diseño de Sistemas – Tanques y Tuberías
• Tanques de CO2 en general son dimensionados como los de NH3 excepto por la
presión de diseño• Tanques deCO2 para la separación de liquido/gas podrían ser menores en
dimensión.
– Wmax CO2 = 0.45 x Wmax NH3
– VCO2 = 0.1 x VNH3
– ACO2 / ANH3 = 0.22
– DCO2 / DNH3 = 0.47
• Revisar si es necesario acumular refrigerante líquido
• Tubería de CO2:
– Menor diámetro en tuberías de succión húmedas y secas.
– Mayor diámetro en tuberías de liquido
– Diámetros menores en tuberías de descarga.
Instalaciones Industriales Amoniaco/CO2 Sistema Cascada
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Instalaciones Industriales Amoniaco/CO2 Sistema Cascada
Diseño de Sistemas – Ejemplo Tubería – 300 TR a-
40 F
Succión Húmeda, 300ft tubería, dos 90
codos, una
válvula
Ø TuberíaReducción
TemperaturaCaída
Presión Velocidad
Pulgadas F PSI ft / sec
NH3 12" 1.01 0.31 54
CO2 6" 0.96 2.85 23
Succión Seca, 100ft tubería, dos 90
codos, una válvula
Ø TuberíaReducción
TemperaturaCaída
Presión Velocidad
Pulgadas F PSI ft / sec
NH3 12" 0.29 0.089 68
CO2 6" 0.33 1 39
Liquido, 300f
Tubería
Ø TuberíaReducción
Temperatura
Caída
Presión VelocidadPulgadas F PSI ft / sec
NH3 2½" 1.4 1.4 3.6
CO2 4" 0.3 1.05 3.5
Descarga , 100ft Tubería
Ø TuberíaReducción
temperaturaCaída
Presión
Velocidad
Pulgadas F PSI ft / secNH3 6" 0.21 0.2 79
CO2 4" 0.14 0.9 29
• En general mismo tipo de material y espesor de paredes como en NH3•Se puede usar tuberias de cobre
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Instalaciones Industriales Amoníaco/CO2 Sistema Cascada
Diseño Sistemas – Válvulas
• Válvulas de servicio CO2, válvulas solenoides, válvulas de retención,
reguladores de presión y filtros básicamente son los mismos que seusan con NH3
• Revisar presiones de diseño y máxima y mínima presiones deapertura
• Válvulas de Seguridad dimensionadas desde C = f x D x L para otrosrefrigerantes ( f = 1.0 for CO2 ).
• Se recomienda usar válvulas de seguridad de calidad que permitaque esta se reasenten rápidamente.
• Válvulas de alivio instaladas en líneas de liquido deben evacuarhacia líneas de succión.
• Se recomienda el uso de válvulas de seguridad de la línea de gassaturado.
• Las válvula de seguridad en la línea de descarga pueden descargaren el manifol instalado para este propósito
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Instalaciones Industriales Amoníaco/CO2 Sistema Cascada
Diseño de Sistemas – Manejo Aceite
• Con el uso de aceite soluble POE un rectificador de aceitedebe ser usado
• Qoil rectifier = Qplant x Oil carry over (ppm) / Oil concentration (%)
I t l i I d t i l A í /CO2 Si t C d
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Instalaciones Industriales Amoníaco/CO2 Sistema Cascada
Caso estudio No 1 – Aplicación Centro de Distribución
Información general – Fase 1 de 4:• 16,258 m2 ( 17,031 m3)• Cuatro Cuartos de Congelados(-20°F)• Dos congeladores (Ambi-Valente)(-20°F /+40°F)
• Dos Áreas de despacho (+40°
F)
¿Porque CO2?• Bajo costo inicial en la instalación del Sistema.• Baja Carga de NH
3
2500 lbs fase 1. 8000lbs total 1-4• No NH3 en cuarto de congelados ni área de despacho• Reducción de los costos operativos.
I t l i I d t i l A í /CO2 Si t C d
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Instalaciones Industriales Amoníaco/CO2 Sistema Cascada
Caso studio No 1 – Centro de Distribución
Componentes Principales – Lado CO2:• Dos(2) Compresores de CO2 309TR a -30/20°F• Una(1) Unidad de Recirculación Vertical de 60”Ø con dos (2) bombas de10 H350 psig DWP• Una(1) Unidad de recirculación horizontal 54”Ø para alta temperatura. • Ocho(8) Evaporadores tipo pent-house, 290TR at -30/-20°F
• Once(11) evaporadores, 165TR a +20/+35°
F,•Dos(2) Condensadores de CO2 casco y placa, 595TR a 20°F• Tubería en Techo, dimensionada para todas las fases• Válvulas, reguladores etc. para 600 psig• Actual Carga de CO2 = 25000 lbs
Componentes –
lado NH3:• Dos(2) NH3 compresores 529TR a11/95°F• Un(1) Condensador Evaporativo• Un(1) recibidor presión controlada a 55°F• Actual carga de NH3 = 2500 lbs
I t l i I d t i l A í /CO2 Si t C d
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Instalaciones Industriales Amoníaco/CO2 Sistema Cascada
Caso Estudio No 2 – Congelación Camarón
Información Principal:• 2200 lbs de camarón por hora• Un(1) Congelador continuo, -52F temp. aire• Un(1) endurecedor, -52F temp. aire• 82 TR a -63°F temperatura evaporación
• Unidad paquete CO2 / NH3 en cascada.
Porque CO2?•Bajo costo inicial de instalación• Bajo costo operativo
I t l i I d t i l A í /CO2 Si t C d
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Instalaciones Industriales Amoníaco/CO2 Sistema Cascada
Caso Estudio No 2 – Congelador de Camarón
82TR @ -63/20F
200HP VFD
113TR @ 13/95F
200HP VFD
1TR R134a
36” HPR with
2 x 5 HP pumps
70 TR belt freezer
10 TR after freezer
-63F evap / -52F air
Water defrost
115TR @ 13/20F
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Instalaciones Industriales Amoníaco/CO2 Sistema Cascada
Sistemas en Cascada- Conclusiones
• Sistemas de Amoniaco/CO2 serán losmas usados en Refrigeración Industrialdebido a: – Bajos Costos operativos en baja
temperatura – Bajo Costo inicial (costo-beneficio)
– Amoniaco confinado a salas de maquina
– Solo CO2 en almacenes de congelado
– Sistema seguro y confiable
– Fácil servicio y mantenimiento.
I t l i I d t i l A i /CO2 Si t C d
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Instalaciones Industriales Amoniaco/CO2 Sistema Cascada
Sistema en Cascada
MUCHAS GRACIAS!
PREGUNTAS???