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TEMARIO
• Breve reseña histórica del CO2. • Características del CO2. • Que es un sistema subcrítico y un transcrítico ? • Aplicaciones del CO2 en los sistemas de
refrigeración. – Sistema salmuera o “Brine” CO2. – Sistema en cascada CO2-NH3. – Sistema dos etapas transcrítico.
• Ventajas del CO2. • Conclusiones.
RESEÑA HISTORICA DEL USO DEL CO2
• En 1866, TSC Lowe fue el primer usuario del CO2 como refrigerante.
• Para 1940, ya habían muchas instalaciones operando pero presentaban problemas debido a:
– Alta presión de operación del CO2.
– El punto triple del CO2.
– El punto crítico es a muy baja temperatura (31 C).
– Había carencia de sistemas automatizados para el control.
• Para 1960 habían pocos sistemas de CO2 funcionando.
• En 1980, los ingenieros comenzaron a preocuparse por el ambiente y nuevamente comenzaron a pensar en los refrigerantes naturales.
CARACTERISTICAS DEL CO2
• No es inflamable • Menos toxico que el Nh3 y
HCFC • ODP=0 GWP=1 • Bajas caídas de presión en
tuberías (Baja densidad) • Los sistemas trabajan a
presión positiva. (no ingreso de humedad al sistema)
• Inoloro.
• Baja temperatura en el punto crítico.
• Presión de saturación alta.
• Mas denso que el aire.
PUNTO CRITICO Y TRIPLE DEL CO2
• Punto triple del Co2: Coexisten vapor, liquido y solido de una sustancia, 75 psi, -56,6°C
• Punto crítico: Las densidades del liquido y vapor son iguales, 31°C, 1069psi.
6
ENTHALPY
PR
ESSU
RE
Critical Point
Subcritical Region 1070 psia TSAT=87ºF
Supercritical Region 1070 psia
Supercritical Fluid
SNLTX2 LT CASCADE
1055 psia
Operación subcritico
Operación transcritica
SISTEMAS SUBCRITICOS Y TRANSCRITICOS
Operación subcrítica: el ciclo ocurre arriba del punto triple (75psi) y bajo el punto crítico (1067 psi)
Operación transcrítica: el ciclo ocurre arriba del punto triple y sobre el punto crítico (1067 psi)
Presión del punto triple 75 psi, -56,6°C
APLICACIONES DEL CO2 EN SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN.
• SISTEMAS SUBCRITICOS – Salmueras con CO2
– Sistemas en cascada CO2-NH3
– Combinaciones CO2-NH3-Glicol
• SISTEMAS TRANSCRITICOS – Dos etapas CO2
– Unidades condensadoras CO2
SALMUERA DE CO2-NH3(BRINE)
• Sistema formado por dos lazos (NH3 y CO2). • NH3 en el sistema de alta temperatura
confinado en el cuarto de máquinas. • Menor riesgo para el personal y producto. • El Amoniaco se evapora y condensa el CO2. • Requiere un intercambiador de calor. F&PHE,
S&PHE. (Riesgo de contaminación CO2-NH3). • CO2 en baja o media temperatura impulsado
por bombas (Brine) o DX . • No utiliza compresores en el lazo de CO2.
EQUIPOS
EQUIPOS
- Circuito de NH3
Compresor
Condensador
Evaporador (Condensador de CO2 )
Tanques
Válvulas y accesorios
- Circuito de CO2
Condensador (Intercambiador NH3/CO2 )
Tanque acumulador
Bomba
Evaporador (Enfriador de aire)
Válvulas y accesorios
COMPARACIÓN CON SISTEMA DE NH3
NH3/CO2 BRINE NH3 RECIRCULADO
Para lograr la misma temperatura en la cámara, la SST en el sistema NH3/CO2 Brine debe ser menor que para el sistema NH3 recirculado con el consecuente incremento en el consumo energético
CASCADA CO2-NH3-GLICOL (CO2 DX)
Lazo de media temperatura NH3
Circuito media temperatura glicol o CO2
Lazo de CO2 en baja temperatura
Intercambiador de placas para glicol
Condensador-evaporador para CO2
CASCADA CO2-NH3 (CO2 BRINE & CO2 COMPRIMIDO)
Lazo de media temperatura NH3
Lazo de CO2 en baja temperatura
Condensador-evaporador para CO2
Lazo de CO2 salmuera o brine a 20°F
SISTEMA TRANSCRITICO CO2 DOS ETAPAS.
• Solo usa CO2, no requiere futuros “Retrofit” como se requieren con los HCFC.
• Mejor rendimiento de los compresores debidos a las bajas temperaturas de los gases de retorno, 15% ahorro energético.
• $1/ Lb de Co2= 1/6 NH3, 1/12 HCFC.
• < huella de carbono. • Alto potencial de calor para usos
industriales.
EQUIPOS INSTALADOS EN ESTADOS UNIDOS
Over 25 locations in California
200+ Salmuera 50+ Cascade 180+ Booster
Over 180 installations in North America
COP A CARGA TOTAL :CASCADA CO2/NH3 (TD=6°F), 1 Y 2 ETAPAS
System design for Industrial Ammonia/CO2 cascade Installlations.Ole Christensen.IIAR
Anual Meeting.Reno Nevada. 2006
COP A CARGA TOTAL :CASCADA CO2/NH3 (TD=6°F), 1 Y 2 ETAPAS
System design for Industrial Ammonia/CO2 cascade Installlations.Ole Christensen.IIAR
Anual Meeting.Reno Nevada. 2006
Los compresores reciprocantes tienen mejores caracteristicas que los compresores de tornillo a carga parcial
CAPACIDAD DE LOS COMPRESORES NH3 Y CO2
System design for Industrial Ammonia/CO2 cascade Installlations.Ole Christensen.IIAR
Anual Meeting.Reno Nevada. 2006
0.3
3.0
30
300
-67 -58 -49 -40 -31
Temperatura Evaporación ( o F)
Cap
acit
y (
TR
)
CO 2
NH 3
Temperatura de Condensación 14°F
EFECTO DT EN CHE S/INVERSION INICIAL EQUIPOS
System design for Industrial Ammonia/CO2 cascade Installlations.Ole Christensen.IIAR
Anual Meeting.Reno Nevada. 2006
0
50000
100000
150000
200000
250000
300000
350000
0 5 10 15 20
US
D
DT [°F]
Diferencia de Temperatura optima Sistema de Cascada-Condensador - Costo Inicial
Cascade cooler
Compressor
SUM
EFECTO DT CHE EN INVERSION INICIAL Y COSTOS DE OPERACION
System design for Industrial Ammonia/CO2 cascade Installlations.Ole Christensen.IIAR
Anual Meeting.Reno Nevada. 2006
0
50000
100000
150000
200000
250000
300000
0 5 10 15 20
US
D
DT [°F]
Optima diferencia de temperatura en condensador Cascada Costo Operativo
Capital cost
Electrical cost
SUM
COMPARACION ENTRE UNA CASCADA C02 (TD=10°F) Y DOBLE ETAPA DE NH3
Dimensionamiento de dos Sistemas de refrigeracion desde el punto de vista Técnico Económico en una aplicación de baja
temperatura con las alternativas de un sistema en cascada y un Sistema en doble etapa.Ing.Juan Manuel Quintanar. IIAR Annual
Meeting San Diego California.2010.
COMPARACION ENTRE UNA CASCADA C02 (TD=10°F) Y DOBLE ETAPA DE NH3
Dimensionamiento de dos Sistemas de refrigeracion desde el punto de vista Técnico Económico en una aplicación de baja
temperatura con las alternativas de un sistema en cascada y un Sistema en doble etapa.Ing.Juan Manuel Quintanar. IIAR Annual
Meeting San Diego California.2010.
COMPARACION CONSUMO ENERGETICO ENTRE UNA CASCADA C02 (TD=10°F) Y
DOBLE ETAPA DE NH3
CO2 brine, una alternativa segura, confiable y eficiente en cámaras de baja temperatura. Ing. Juan Carlos Melo. Anual
Meeting IIAR Chile 2014
VENTAJAS DEL USO DEL CO2.
• Menor riesgo de intoxicación para el personal y producto.
• Menores diámetros de tuberías en tuberías de succión, con el consiguiente ahorro en los aislamientos y estructuras de soporte.
• Menor potencia de bombeo con respecto al amoniaco y al glicol.
• Refrigerante de bajo costo 1/6 del costo del NH3.
• La cantidad de NH3 en el cuarto de maquinas se reduce en un 80%.
• En el caso de la salmuera, alta eficiencia de transferencia debido a la ausencia de aceite en los evaporadores.
• Los compresores y tanques son de menor tamaño, debido a la alta densidad del CO2.
CONCLUSIONES SOBRE SISTEMA DE CASCADA CO2-AMONIACO
• Es una buena opción para asegurar la integridad de las personas y el producto y reducir la cantidad de amoniaco en el sistema.
• La eficiencia de un sistema de dos etapas en mayor que el de una cascada, sin embargo, esta diferencia en la eficiencia se reduce conforme aumenta la distancia entre las recirculadoras y los evaporadores, lo anterior debido a que aunque el flujo másico requerido para amoniaco es menor (lbs/hr), al ser el volumen especifico del CO2 1/33 veces la del amoniaco el caudal a desplazar puede ser hasta 13 veces menor, con la consecuente disminución en la potencia de bombeo.
CONCLUSIONES SOBRE SISTEMA DE CASCADA CO2-AMONIACO
• La diferencia en la eficiencia entre un sistema dos etapas y una cascada se reduce conforme disminuye la temperatura de saturación del sistema en aplicaciones de baja temperatura, lo anterior debido, a la reducción en el tiempo de residencia del producto (Endurecedor).