el dióxido de carbono en la refrigeración industrial

5/24/2018 El Di xido de Carbono en La Refrigeraci n Industrial

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La aplicacin de dixido de carbono (CO2) en sistemas de refrige-

racin no es nueva, ya que este fue propuesto como un refrige -rante por Alexander Twining (ref. [1]), quien lo mencion en supatente britnica en 1850. Thaddeus S.C. Lowe experiment conglobos militares con CO

2, dise una mquina de hielo en 1867 y

desarroll una mquina a bordo de un barco para el transportede carne congelada.

En la literatura puede verse que los sistemas de refrigeracin deCO

2 se desarrollaron entre 1920 1930 y durante los aos si-

guientes. Esta fue generalmente la opcin preferida en las indus-trias de transporte porque no es txico ni inamable, mientrasque el amoniaco (NH3 o R717) era ms comn en aplicacionesindustriales (ref. [2]). El CO

2desapareci del mercado, principal-

mente porque la nueva "maravilla de refrigerante" "Fren" habasalido al mercado y fue un gran xito comercial.

El Amoniaco ha seguido siendo el refrigerante dominante para lasaplicaciones de refrigeracin industrial a lo largo de los aos. Enla dcada de 1990 se ofreci un enfoque renovado de las ventajasde ulizar CO

2, debido a la ODP (potencial de agotamiento del

ozono) y GWP (potencial de calentamiento Global), que ha res-tringido el uso de CFC y de HFC, adems de las restricciones sobrela carga de amoniaco en sistemas de refrigeracin industrial.

El CO2pertenece a los refrigerantes llamados Naturales, junto

con, por ejemplo: el Amonaco, hidrocarburos como el propano,el butano y el agua. Todos estos refrigerantes enen sus respec-vas desventajas, el Amonaco es txico, los hidrocarburos son in-amables y el agua ene limitada las posibilidades de aplicacin.

El CO2diere de otros refrigerantes comunes en muchos aspec-

tos y ene algunas propiedades nicas. Desarrollos tcnicos des-

de 1920 han eliminado muchas de las barreras al uso del CO2,

pero los usuarios nales todava deben ser muy conscientes desus propiedades nicas y tomar las precauciones necesarias paraevitar problemas en sus sistemas de refrigeracin.

El grco en la gura 1 muestra la relacin presin/temperaturade CO

2, R134a y el amonaco (R717). Destacan las siguientes pro-

piedades del CO2en relacin con los otros refrigerantes:

- Mayor presin para una misma temperatura de saturacin.- Ms estrecho el campo de aplicacin respecto a las temperatu-

ras de operacin.- Triple punto a una presin mucho mayor.- Punto crco a muy baja temperatura.

Mientras que el punto triple y crco, normalmente no son im-

Dixido de Carbono (CO2)en Refrigeracin Industrial

Artculo realizado por Niels P. Vestergaard, R & D Manager, Danfoss Industrial Refrigerationy traducido por Claudio Henrquez C., RA Industrial Refrigeration Danfoss (Chile) Ltda. member of the Danfoss Group. [email protected] www.danfoss.com

portantes para los refrigerantes comunes, en el caso del CO2es

diferente. El punto triple es a una alta presin: 5.2 bar [75.1 psi],pero ms importante an, es superior a la presin atmosfricanormal. Esta circunstancia puede crear algunos problemas, si nose toman las precauciones adecuadas. Tambin ene un puntocrco a una baja temperatura, la cual es de: 31.1 C [88.0 F],que afecta enormemente a los requisitos de diseo.

En la Tabla 1 se comparan las diferentes propiedades entre el

CO2, el R134a y el R717 (NH

3).

Caracterscas del CO2

La gura 2 muestra el diagrama de fases presin-temperatura delCO

2puro. Las reas entre las curvas denen los lmites de tem-

peratura y presin a la que pueden exisr diferentes fases: vapor,lquido, slido y supercrco.

En esta curva los puntos indican que de acuerdo a una presin ytemperatura, existen dos fases en equilibrio, por ejemplo slido- vapor, lquido - vapor o lquido - slido. A presin atmosfricael CO

2puede estar en dos estados: slido y vapor, no teniendo la

capacidad para estar en estado lquido por debajo de los 78.4C. [109.1F], o sea pasa de un slido "hielo seco" directamente

a vapor a travs del proceso de sublimacin.

A los 5.2 bar [75.1 F] y 56.6 C [69.9 F] el CO2alcanza un es-

tado nico denominado punto triple. En este punto existen 3fases: slido, lquido y vapor, simultneamente en equilibrio.


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El punto crco del CO2es a los 31.1C [88.0F]. A esta temperatu-

ra, la densidad del lquido y vapor son iguales. (Figura 3) En con -secuencia de esto, desaparece la disncin entre las dos fases,formndose una nueva llamada supercrca.

Los diagramas de presin-entalpa comnmente se ulizan parapropsitos de refrigeracin, en el caso del CO

2el esquema se am-

pla para mostrar las fases slidas y supercrcas (Figura 4). Cadafase es marcada con un color disnto.

CO2como refrigerante

El CO2puede emplearse como refrigerante en diferentes pos de

sistemas, incluyendo el subcrco y supercrco.

El ciclo de refrigeracin clsico y que todos conocemos es el sub-crco, es decir, toda la gama de temperaturas y presiones detrabajo son por debajo del punto crco y por encima del puntotriple. Para sistemas con CO

2de una sola etapa subcrca es sim-

ple, pero tambin ene inconvenientes debido a su rango limita-do de temperaturas y alta presin (Figura 5).El CO

2es comnmente aplicado en los diseos de sistema de cas-

cada o hbrido en refrigeracin industrial, ya que la presin puede

ser limitada en la medida que se pueden ulizar componentescomercialmente disponibles como compresores, vlvulas y con-troles.

Los sistemas de cascada de CO2pueden disearse de diferentes

maneras, por ejemplo, sistemas de expansin directa, sistemassobrealimentados por bombas, CO

2en sistemas secundarios "sal-

muera o Glicol" o combinaciones de stos.

CO2como refrigerante en sistemas industriales:

En los sistemas recirculados o sobrealimentados con CO2, se

bombea el uido en estado lquido desde el estanque de bombeoal evaporador, donde parcialmente se evapora (esto depende dela tasa que se considere), regresando al estanque el cual realizala funcin de separacin entre el vapor y el lquido. El CO

2evapo-

rado luego es comprimido en un compresor para CO2y enviado a

un intercambiador de calor de CO2-R717 para su condensacin. El

intercambiador de calor, cumple la funcin de evaporador en el


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sistema de R717, el cual sera la etapa de alta si lo relacionamoscon un sistema booster.

En este po de sistema CO2-R717, en comparacin a un sistema

tradicional industrial con solo NH3, la carga de este lmo en elsistema en cascada con CO

2, puede reducirse aproximadamente

1/10.

La Figura 8 muestra el mismo sistema de la gura 9, pero incluyeun compresor para realizar la alimentacin de gas caliente de CO

2

y as realizar la funcin de descongelamiento de los evaporado-res.La gura 9 muestra un sistema de refrigeracin de 40 C [ 40 F] ulizando CO

2como un refrigerante secundario en reemplazo

de "salmuera o Glicol" y R717 en el lado de alta presin. El CO2

lquido se bombea desde el estanque al evaporador por lo queparte de ste se evapora antes de retornar al mismo recipiente.

La Figura 10 muestra un sistema mixto con evaporadores inunda-dos y otro por sistema de expansin directa DX, un ejemplo deesta aplicacin podra ser un sistema de refrigeracin industrial,donde se requieren 2 niveles de temperaturas.

Presin de diseo

Para determinar la presin de diseo en sistemas de CO2, los dos

factores ms importantes a considerar son:

- Presin que se puede alcanzar durante las detenciones del sis-tema.

- Presin necesaria durante el proceso de descongelacin.

Cuando el sistema de refrigeracin con CO2 est detenido au-

mentar la presin debido a la ganancia de calor desde el aireambiente. Si la temperatura fuera a llegar a 0C [32F] la presinsera de 34,9bar [505 psi] y si llegara a 20C la presin sera de57,2 bar [830 psi], lo que es mucho mayor a la presin de equili-

brio de un sistema con R717, ya que a 20C alcanza una presinde 8,6 bar [125 psi].

Para un sistema de refrigeracin industrial, es bastante costosodisear todo el equipamiento, poder soportar la presin de com-pensacin o equilibrio (es decir, presin de saturacin correspon-diente a la temperatura ambiente). Por lo tanto la instalacin deuna pequea unidad condensadora auxiliar, es una forma comnpara limitar la mxima presin durante las detenciones del siste-ma a un valor razonable, como por ejemplo 30 bar.

Para los sistemas con CO2, se pueden aplicar diferentes pos de

descongelacin (por ejemplo: natural, agua, electricidad, gas aalta presin y temperatura). La descongelacin por gas calientees la ms eciente, especialmente a bajas temperaturas de eva-poracin, pero tambin exige la mxima presin. Si se considerauna presin de diseo de bar 52bar-g [754 psig], es posible llegara una temperatura de descongelacin de aprox. 10C [50F].

La presin de saturacin a 10C [50F] es de 45 bar [652 psi], me-diante la adicin del 10% para las vlvulas de seguridad y aproxi-madamente el 5% para los aumentos de presin, llegaramos auna presin de trabajo admisible mxima de 52 bar-g [~ 754 psig](Figura 11).

Seguridad

La densidad relava del CO2es 1,529 (aire = 1 a 0C [32F]). Es una

sustancia inodora, incolora clasicada como un refrigerante noinamable y no txico, pero a pesar de todas estas propiedadesmuy posivas, tambin ene algunas desventajas.


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Debido a que es inodoro, no es self-alarming (auto alarmante)no siendo percepble en caso de producirse fugas. (ref. [6]). Esms pesado que el aire, concentrndose a nivel de suelo. Estopuede crear situaciones peligrosas, especialmente en pozos o es-pacios connados, desplazando al oxgeno a un punto fatal. Estascaracterscas le coneren un riesgo que requiere una atencinespecial durante el diseo y operacin, para la deteccin de fugasy / o venlacin para posibles emergencias.

En comparacin con el NH3, el CO2es un refrigerante seguro. ElTLV (threshold limit value) es la mxima concentracin de un va-por en el aire, que puede tolerarse durante un turno de 8 horasdiarias y 40 horas a la semana. El lmite de seguridad establecidopor TLV, para el NH

3es una concentracin de 25 [ppm] y para el

CO2 es 5000 [ppm] (0,5%).

Es importante saber que en el aire hay un 0,04% CO2. Al aumentar

su concentracin se deben considerar las siguientes reaccionesadversas:

- Un aumento al 2%, 3% y 5% produce un incremento en la fre-cuencia respiratoria del 50%, 100% y 300% respecvamente.

- A una concentracin del 8-10% se interrumpe la respiracinnatural del cuerpo y se hace casi imposible respirar. Se produ-ce dolor de cabeza, mareos, sudoracin y desorientacin.

- Con una concentracin mayor al 10% se puede provocar pr-dida de conciencia y muerte. sta lma se puede producirrpidamente con concentraciones mayores al 30%.

Eciencia

En los sistemas cascada CO2- NH

3, como se mencion anterior-

mente, se debe incorporar un intercambiador de calor, lo quegenera una menor eciencia en el sistema por la necesidad detener una diferencia de temperatura entre los uidos. Sin em-bargo, los compresores para CO

2enen una mayor eciencia y

transferencia de calor.

La eciencia global de un sistema de cascada de CO2 - NH

3 no

es reducida en comparacin con un sistema tradicional deNH

3(Figura 13).

Aceite en los sistemas de CO

2

En los sistemas de CO2con compresores tradicionales de refrigera-

cin, se ulizan los pos de aceite miscible e inmiscible (Tabla 2).

Para los lubricantes no miscibles, como la polialfaolena (PAO)su manejo es relavamente complicado, ya que la densidad delPAO es menor que la del CO

2 en estado lquido, por lo que el

lubricante ota en la parte superior, lo que hace ms dicil sueliminacin en comparacin a los sistemas de NH

3. Para evitar

su acumulacin en los evaporadores, es importante realizar unaeciente separacin del aceite con el CO

2en el compresor para

que el sistema quede prccamente libre de aceite.

Con lubricantes miscibles, como el poliolster (POE), el manejodel lubricante en el sistema puede ser mucho ms simple. Losaceites POE enen alta anidad con el agua, por lo que es impor-tante asegurar la estabilidad de este.

En los sistemas con refrigerantes secundarios ulizando CO2 y

en sistemas de recirculacin con compresores libres de aceite,no hay presencia de este en el CO

2que circula. Desde el punto

de vista de eciencia, esto es pmo porque da lugar a buenoscoecientes de transferencia de calor en los evaporadores. Sinembargo, requiere que todas las vlvulas, controles y otros com-ponentes deban funcionar en seco.

Comparacin de dimetros de piping para disntos refrigeran-

tes en una misma condicin:

Para realizar una comparacin entre el R134a, Amoniaco o R717y CO

2, se deben mantener constantes las condiciones de evapo-

racin, condensacin y carga frigorca. Ver tabla 3.


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Lneas de succin hmeda en sistemas de recirculacin:

Al realizar la comparacin en un sistema de recirculacin porbomba en la lnea de succin hmeda, el CO

2requiere dimetros

de piping mucho ms pequeos que el R717 o el R134a (tabla 3).Pero para el CO

2, la cada de presin permisible es aproximada-

mente 10 veces mayor que en el caso del R717 o para el R134a.Este fenmeno es el resultado de la alta densidad de los vaporesde CO

2.

La comparacin anterior se basa en una tasa de circulacin de 3 yel resultado sera diferente si la tasa de circulacin fuera opmi-zada para cada refrigerante.

Lneas de Succin en sistemas de expansin seca:

Al comparar las lneas de succin seca se obenen resultados si-milares al caso anterior, en cuanto a diferencias de tamao delpiping y la cada de presin. (tabla 4).

Las lneas de lquido:

Para sistemas de expansin seca y sobrealimentado, se obeneque las lneas de lquido para el CO

2son mucho ms grandes que

para el R717 y ligeramente menor al obtenido para el R134a (ta-bla 3 y 4). Esto puede explicarse por el alto valor para el calorlatente que se obene desde el R717.

Al ver el grco correspondiente a la Tabla 5, se puede apreciarque las reas transversales relavas para el lquido y vapor paralos tres refrigerantes (tabla 5). En el caso del CO

2el rea es aproxi-

madamente 2,5 veces menor al rea ulizada en un sistema de

R717 y aproximadamente siete veces menor al de R134a. Esteresultado ene implicaciones interesantes para los costos de ins-talacin relava en los tres refrigerantes.

Debido al bajo volumen especco del vapor del CO2y su capaci-

dad de refrigeracin con desplazamientos volumtricos grandes,el sistema de CO

2es relavamente sensible a las uctuaciones de

capacidad. Por lo tanto, es importante para el diseo del separa-dor de lquido o estanque de bombeo que considere un volumensuciente para compensar el pequeo volumen de vapor que cir-cula por las tuberas.

En la tabla 6 se esma la capacidad de compresin necesaria paralos tres refrigerantes (R134a, R717 y CO2) para una misma car-ga trmica en iguales condiciones de funcionamiento. Como sepuede observar, el sistema de CO

2requiere un compresor mucho

ms pequeo que el R717 y el R134a. Si comparamos compre-sores de desplazamientos volumtricos idncos, en las condi-ciones anteriormente mencionadas, al ulizar CO

2el equipo es

8.8 veces superior que al ulizar R717 y 13 veces mayor que alulizar R134a.

En el caso de los estanques de bombeo o recirculadores, al de-terminar la altura "H" que se calcula para los tres refrigerantes

en la tabla 7, el subenfriamiento logrado en la columna de aspira-

cin de la bomba es bastante menor en el CO2. Esta caractersca

debe tenerse en cuenta al disear un sistema y evitar la cavita -cin, junto con otros problemas con las bombas.


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y vapor del CO2en funcin de la temperatura. La solubilidad en la

fase lquida es mucho mayor que en la fase de vapor, en esta l-ma, la fase de vapor es tambin conocida como el punto de roco.El diagrama en la gura 15, muestra que la solubilidad del aguapara el CO

2 es mucho menor que para el R134a o el R717. A

20 C [ 4 F] la solubilidad en agua en fase lquida para el CO2,

R134a y R717 es:

- CO2, 20,8 ppm

- R134a, 158 ppm- R717, 672 ppm

Al estar bajo estos niveles, en el caso del CO2, el agua queda di-

suelta en el refrigerante y no daa el sistema. La Figura 16 muestracmo se disuelven las molculas de agua (H

2O) si la concentracin

es inferior al lmite mximo de solubilidad y cmo las molculasde H

2O precipitan en la solucin en gotas si la concentracin de

agua es mayor que el lmite mximo de solubilidad.

Si el agua sobrepasa los lmites de solubilidad en un sistema deCO

2, pueden ocurrir problemas especialmente si la temperatura

es inferior a 0 C, ya que el agua se congela y los cristales pueden

bloquear las vlvulas de control, solenoides, ltros y otros equi-

pos (Figura 17). Este problema en parcular es una deciencia enlos sistemas de expansin directa y sobrealimentacin, pero noes as en los sistemas en los cuales el CO2 se uliza como refrige-rante secundario.

Reacciones Qumicas

Es importante destacar que las reacciones mencionadas a con-nuacin no enen lugar en un buen sistema de CO

2, donde el con-

tenido de agua est por debajo del lmite mximo de solubilidad.

En un sistema cerrado el CO2puede reaccionar con: aceite, oxge-

no y agua, especialmente a temperaturas y presiones elevadas.Por ejemplo, si el contenido de agua se eleva por encima del lmi-te de solubilidad mxima, el CO

2puede formar cido carbnico.

Agua en sistemas de CO2

En los sistemas de R717 se deben realizar como mantencin; elcambio de aceite en los compresores, la eliminacin del aceitedesde otros componentes del sistema, la eliminacin de gasesno condensables, del agua, oxigeno y contaminantes slidos quepueden causar problemas.

Respecto a los sistemas de amoniaco, el CO2es menos sensible,

pero si el agua est presente pueden producirse problemas, noolvidemos que uno de los ms grandes enemigos de los sistemascon R717 es el agua, ya que daa vlvulas, controles, compreso -res y disminuye el rendimiento del sistema.

En algunas instalaciones de CO2 en funcionamiento, de forma

temprana se presentaron problemas en equipos de control entreotros componentes. Las invesgaciones revelaron que muchosde estos problemas son causados por el congelamiento del aguaen el sistema, por esto en la actualidad se ulizan ltros secado-res, para mantener el contenido de agua en el sistema a un nivelaceptable.

El nivel aceptable de agua en los sistemas de CO2es mucho me-

nor en comparacin con otros refrigerantes comunes. El diagra-ma en la gura 14 muestra la solubilidad del agua en fases lquido


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CO2 + H

2OH

2CO

3

(CO2+ aguacido carbnico)

El cido carbnico puede ser bastante corrosivo para varios posde metales como el acero carbono, pero no en un buen sistemade CO

2, ya que el contenido del agua se debe mantener por de-

bajo del lmite mximo de solubilidad.

Agua en fase de Vapor para el CO2

Si la concentracin de agua es relavamente alta y se mezcla conel CO2 en estado de vapor pueden reaccionar formando un hi-drato de gas CO2.

CO2+ 8 H

20CO

2(H

20)8

(CO2+ aguaHidrato CO

2)

El CO2 gas hidrato, es una molcula grande y puede exisr porencima de 0 C [32 F], lo cual puede crear problemas en equi -pos de control y ltros, similares a los problemas que produce elhielo.

POE Lubricante

Los sistemas con POE reaccionan con agua de la siguiente forma:RCOOR' + H

2O R'OH + RCOOH

(ster + aguaalcohol + cido orgnico)

Como se observa a connuacin, si el agua est presente el lu-bricante POE reaccionar en forma de alcohol y cido orgnico

(cido carboxlico), el cual es relavamente fuerte y puede co-rroer los metales en el sistema. Debido a esto es muy importante

limitar la concentracin de agua en los sistemas de CO2 si se u-

lizan lubricantes POE.

PAO lubricante

2RCH3+ 3 O

22 H

20

2+ 2RCOOH

(Aceite + oxigenoagua + cido)

El lubricante PAO ms conocido como aceite mineral sintco,normalmente es muy estable. Sin embargo, si hay suciente ox-geno libre, (como podra estar por la corrosin en las tuberas)reacciona con el lubricante y forma cido carboxlico.

Eliminacin del agua de un sistema con CO2

Controlar el contenido de agua en un sistema de refrigeracines un mtodo muy ecaz para prevenir las reacciones qumicasanteriormente mencionadas.

En sistemas de fren, los ltros secadores que comnmente seulizan para eliminar el agua son del po con ncleo de zeolita.Esta ene poros muy pequeos y acta como un tamiz molecular(Figura 18).

El CO2 es una molcula no polar, por lo que el proceso de ex-

traccin de agua es diferente. Las molculas de agua y CO2sonbastante pequeas para penetrar el tamiz molecular. Sin embar-go, las de agua que son absorbidas en el tamiz molecular y assalen de la molcula CO

2, debido a la diferencia en la polaridad.

Los ltros de secado de zeolita no pueden ser usados en siste-

mas de R717, porque tanto el agua como el amonaco son muypolares. A pesar de que los ltros secadores funcionan en formadiferente en los sistemas de CO

2, la eciencia es bastante buena.

La capacidad de retencin de agua es aproximadamente igual asistemas de R134a.


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La ubicacin ms ecaz para detectar y eliminar agua es dondela concentracin es alta. La solubilidad de agua de la fase de va-por de CO2 es mucho menor que en fase lquida. Por lo tanto,una mayor candad de agua puede transportarse en las lneasde lquido.

La gura 18.1 muestra la variacin de humedad relava en unsistema de circulacin por bomba a una temperatura de evapo -racin de 40 C. Se puede observar que la humedad relava es

mayor en la lnea de succin hmeda y que depende de la veloci-dad de circulacin. En un sistema DX la variacin de la humedad

relava vara, pero tambin en este caso la mayor concentracinse encuentra en la lnea de aspiracin (g. 18.2). Aprovechandoeste principio, indicadores de humedad y ltros secadores nor-malmente se instalan en una lnea de lquido o la lnea de deriva-cin de lquido desde el receptor (Figura 19). El nivel de humedadindicado por estos disposivos vara segn la temperatura y tam-bin por po de indicador.

En la gura 20, se muestra el nivel de indicacin de un SGN Dan -foss para CO

2lquido.

Cmo entra agua a un sistema de CO2?

A diferencia de algunos sistemas de amoniaco, la presin en lossistemas de CO

2 es siempre superior a la atmosfrica. Sin em-

bargo, el agua an puede encontrar su camino para entrar en lossistemas de CO

2.

El Agua puede ingresar y contaminar un sistema de CO2, a travs

de cinco mecanismos diferentes:

1-. Difusin.

2-. Reparacin y mantenimiento de vlvulas, equipos, etc.

3.- La incompleta eliminacin del agua durante la instalacin

y/o puesta en marcha.

4.- Lubricante cargado en el sistema contaminado con agua.

5.- CO2cargado en el sistema contaminado con agua.

Todos los puntos anteriores deben ser evitados.

Para ilustrar un caso real de entrada de H2O a un sistema de re-

frigeracin, podemos analizar lo siguiente: un contrasta al rea-lizar el montaje de los equipos y piping, puede creer que el CO2

es un refrigerante muy seguro y no necesita muchos cuidados,por lo que puede ser manejado sin seguir los requisitos de segu -ridad normales (pruebas de presin y vaco para extraccin dehumedad), como por ejemplo con el R717. En otra situacin uninstalador podra abrir el sistema para realizar una reparacin o

mantencin, una vez que el sistema est abierto a la atmosferaentra aire, el cual porta humedad. Al estar el material de la tube -ra a una baja temperatura la humedad se condensar dentro delpiping. Si a esto no se le incorpora el procedimiento de limpiezay vaciado correcto, el agua quedar dentro del sistema, tal comopasa en los sistemas de R717.

En otro escenario, nuestro instalador se olvida que el lubricanteulizado en el sistema es po POE (el cual ene gran capacidad

de absorber agua) y deja el recipiente sin su tapa. Despus decargar al POE en el sistema, el agua va a comenzar a producirproblemas en el sistema.

Por error muchos profesionales del rea asumen que al eliminarel aire por purgas manuales o automcas, el problema de H

2O

queda solucionado, pero por ninguna de estas formas se eliminael agua de un sistema de refrigeracin.Caracterscas para tener en cuenta en los sistemas de refrige-

racin con CO2.

Por la alta presin del punto triple del CO2, se pueden formar s-

lidos bajo ciertas condiciones. La Figura 21 muestra los procesosde expansin que se producen en las vlvulas de alivio o seguri-dad a parr de tres ejemplos en condiciones diferentes.

Si una vlvula de alivio o seguridad est instalada en fase de va-por a una presin de 35 bar [507 psi] o menos, la lnea ms a laderecha, la presin en el piping de descarga pasar a travs delpunto triple a 5,2 bar [75,1 psi] hasta llegar nalmente a la pre -sin atmosfrica, una vez por debajo del punto triple el CO

2ser

puro vapor.

Expansin de CO2 cambio de fase en vlvulas de seguridad.

Considerando un segundo ejemplo, tambin se instala una vl-vula de seguridad en fase de vapor a una presin 50 bar [725psi], ejemplo ubicado en la lnea vercal central en la Figura 2, lapresin en el piping de descarga descender por el punto tripley el 3% del CO

2cambiar a estado slido. En el peor de los ca-

sos los slidos pueden bloquear el piping, por ejemplo cuandoeste ene muchos cambios de direccin. Una solucin ecaz aeste problema sera montar la vlvula de seguridad sin una lneade salida y aliviar el sistema directamente a la atmsfera, lo cualpuede provocar riesgos para los operarios.

En un tercer ejemplo consideramos otra vlvula de alivio o segu-ridad, pero instalada a fase lquida a una presin de 20 bar [290psi], el uido al ser descargado, la presin desciende pasando porel punto triple y el 50% de la masa de CO

2pasara a estado slido.


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En este lmo caso existe un gran riesgo de obstruccin en elpiping de descarga y para evitar este problema y proteger conseguridad las lneas de lquido, conecte el piping de descarga deestas vlvulas de seguridad a una presin superior a la del puntotriple de 5.2 bar [75.1psi].

Carga de CO2

Es importante comenzar la carga CO2en la fase de vapor y con-

nuar hasta alcanzar una presin superior a 5,2 bar [75.1psi], yaque recordemos bajo este valor el CO

2slo puede exisr como

un slido o vapor dentro del sistema de refrigeracin. Tambinse debe tener en cuenta, que las temperaturas sern muy bajashasta que la presin comience a aumentar. Por ejemplo a 1 bar[14.5 psi], la temperatura de sublimacin ser de 78.4 C [109 F] y esto puede provocar dao en algunos materiales.

Entrampamientos de lquido.

Es un gran riesgo referente a la seguridad en los sistemas de re-frigeracin y debe evitarse siempre. Esto es an mayor para siste-

mas de CO2, R717 o R134a. Por todo esto es importante conside-rarlo en el diseo de los sistemas.

El diagrama en la gura 23 muestra el cambio de volumen delquido relavo para los tres refrigerantes anteriormente compa-rados. Como se muestra el CO

2 lquido se expande mucho ms

que el R717 y el R134a, especialmente cuando la temperatura seacerca a punto de crco del CO

2.

Prdidas de CO2- NH3en sistemas de cascada

La fuga ms importante en un sistema de cascada de CO2 - NH3,est en los intercambiadores de calor que involucra a ambosrefrigerantes. La presin de CO2 ser mayor que en el lado delR717, por lo que se producir la fuga hacia el sistema de NH3,quedando este lmo contaminado.

CO2+ 2 NH

3H2NCOONH4

CO2+ AmoniacoCarbonato de amonio

El Carbonato de amonio se forma inmediatamente cuando el CO2

est en contacto con NH3y es corrosivo (ref. [5]).

Compabilidad de materiales

El CO2 es compable con casi todos los materiales metlicos co -munes, a diferencia del NH3. No existen restricciones desde un

punto de vista de compabilidad al ulizar cobre o latn. En elcaso de los polmeros es mucho ms complejo, porque el CO2 esuna sustancia muy inerte y estable, de todas formas la reaccinqumica con los polmeros no es crca. Si la principal preocupa -cin con el CO

2son los efectos sicoqumicos como la inltracin,

inamacin, generacin de cavidades y fracturas internas. Estosefectos estn conectados con la solubilidad y la difusividad delCO

2en el material.

Danfoss ha llevado a cabo una serie de pruebas para asegurarque los componentes liberados para ulizar con CO

2pueden re-

sisr el impacto en todos los aspectos. Las pruebas han demos -trado que el CO

2es diferente por lo que se han realizado modi-

caciones en algunos productos. La gran candad de CO2que se

puede disolver en polmeros, se debe tener en cuenta. Algunosusan polmeros que no son compables con el CO

2 y en otros

casos se requieren diferentes mtodos de jacin, por ejemplomateriales de sellado. Cuando la presin esta cerca de la crcay la temperatura es alta, el impacto en polmeros es mucho msextremo. Sin embargo esas condiciones no son importantes parala refrigeracin industrial, ya que la presin y la temperatura son

ms bajas para estos sistemas.

Conclusiones:

El CO2ene buenas propiedades en parcular a baja temperatu-

ra, pero no es un sustuto del amonaco.

Los sistemas industriales con CO2ms comunes son los hbridos

con amonaco en el lado de alta temperatura del sistema.

El CO2es en muchos aspectos un refrigerante muy sencillo, pero

es importante darse cuenta que ene algunas caracterscas ni-cas en comparacin con otros refrigerantes comunes. Conocerlas diferencias y tomarlas en cuenta durante el diseo, instala-cin, puesta en marcha y operacin, ayudar a evitar problemas.La disponibilidad de componentes para sistemas de refrigeracinindustriales con CO

2 con presiones de hasta aproximadamente

40 bar es una buena opcin. Varios fabricantes de equipos pararefrigerantes tradicionales tambin pueden suministrar algunoscomponentes para sistemas de CO

2. La disponibilidad de compo-

nentes compables con la mayor presin del CO2, en sistemas de

refrigeracin es limitada, por lo que la disponibilidad de compo-nentes crcos es un factor importante en la tasa de crecimientode la aplicacin de CO

2.

Referencias

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- [2] Lorentzen, Gustav, Reprint from IIR Conference 1994 Proceedings New Appli-

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