Buscador

Martes, 06 Marzo 2018 10:02

Características diferenciadoras de una Bomba de Calor de CO2 para producción de ACS

foto princ0Las bombas de calor AQUATERMIC HT de EUROFRED están diseñadas para la producción de agua caliente hasta 90ºC con una alta eficiencia energética y utilizando un refrigerante natural, el CO2

 

Son idóneas para la para la producción de agua caliente sanitaria (ACS) en edificios con gran demanda, tales como residencias, hoteles, centros deportivos, gimnasios, hospitales etc...  Con rendimientos estacionales superiores a 4, permiten reducir las emisiones de CO2 y el consumo de energía primaria respecto a sistemas convencionales. El área de aplicación es por lo tanto, es mucho más grande que para los sistemas de bomba de calor tradicional, a menudo restringido a temperaturas de agua caliente inferiores a 55 °C. Las propiedades del CO2 y las características de la producción de ACS mediante estratificación hacen que este tipo de bombas de calor se diferencien del resto por utilizar el ciclo transcrítico, trabajar a altas presiones y un gran deslizamiento del refrigerante.

foto princ

foto aquaterm acs1

 

Utilización del CO2 como refrigerante

El dióxido de carbono, CO2, fue una de las primeras sustancias utilizadas como refrigerante. En 1850 se convirtió en el refrigerante de elección para varias aplicaciones. Entre estas se encontraban la refrigeración en barcos y el aire acondicionado. Sin embargo, a diferencia del amoníaco, no sobrevivió a la introducción de los refrigerantes sintéticos CFC y HCFC en los años 50. 

En los años 90, cuando salió a la luz el poder de agotamiento de la capa de ozono (PAO) de los refrigerantes CFC y HCFC y, en consecuencia, se implementó el Protocolo de Montreal para eliminarlos, se introdujo el CO2 como una de las alternativas. En competencia con los HFC, el CO2 nuevamente logró ser un refrigerante a tener en cuenta.

En los primeros años después de la reintroducción del CO2, se puso el foco, entre otras aplicaciones, en la eficiencia de la bomba de calor de CO2 para la producción de ACS, cuya operación transcrítica permite adaptarse muy bien a las necesidades de producción de ACS.

Muchas de las aplicaciones investigadas se encontraron con considerable escepticismo dentro de la comunidad científica. Los altos niveles de presión, la baja eficiencia del ciclo teórico y la necesidad de desarrollar nuevos componentes y sistemas fueron objeciones comunes a la tecnología de CO2

Actualmente, tras años de investigación y desarrollo de componentes y sistemas, y con los refrigerantes fluorados HFC en el punto de mira por su alto poder de calentamiento atmosférico (PCA), en parte debido al objetivo de reducción de emisiones de gases de efecto invernadero por el acuerdo de Kyoto, el CO2, junto con otros refrigerantes naturales, principalmente hidrocarburos y amoníaco, se está convirtiendo en una alternativa real en aplicaciones de refrigeración y bombas de calor.

Propiedades del CO2

El CO2 es uno de los pocos refrigerantes naturales que no es inflamable ni tóxico. Es económico, ampliamente disponible y no afecta al medio ambiente como muchos otros refrigerantes. El CO2 tiene un poder de agotamiento de la capa de ozono PAO =0 y un poder de calentamiento atmosférico PCA = 1. El impacto neto del calentamiento global cuando se usa como gas técnico es cero, ya que el gas es un producto de desecho de la producción industrial.

Al tratarse de un refrigerante natural no está afectado ni por el reglamento F-GAS ni el impuesto de gases fluorados. Su precio muy bajo, en torno a los 3€/kg. 

foto aquaterm acs2

El CO2 es una excelente alternativa entre los refrigerantes naturales, especialmente en aplicaciones donde la toxicidad e inflamabilidad del amoníaco y los hidrocarburos pueden ser un problema.

En comparación con los refrigerantes convencionales, la característica más destacable del CO2 son las propiedades de su punto crítico, aquel a partir del cual no se produce condensación. Para el CO2 el punto crítico se encuentra a una temperatura baja, 31,1 °C, y una presión alta, 73,8 bares. 

Características diferenciadoras de la bomba de calor de CO2

Las propiedades del CO2 dotan a estas bombas de calor de tres características que las diferencian de la bomba de calor convencional:

El calor se disipa a presión supercrítica

El sistema utilizará entonces un ciclo transcrítico que opera en parte por debajo (evaporación) y en parte por encima de la presión crítica (enfriamiento de gas). La presión del lado alto en un sistema transcrítico está determinada por la carga de refrigerante y no por la presión de saturación. Por lo tanto, el diseño del sistema debe considerar la necesidad de controlar la presión de alta para asegurar un alto COP y capacidad. La tarea del de control es calcular el caudal de agua y presión del enfriador de gas que da el COP óptimo.

foto aquaterm acs3

El nivel de presión en los sistemas será relativamente alto

A menudo entre 30 y 120 bar. Por el contrario, la alta presión de operación da como resultado una alta capacidad volumétrica, con secciones más pequeñas y, por lo tanto, un volumen interior más pequeño. La ventaja es que los componentes a menudo se pueden diseñar de forma más compacta, como ejemplo, el desplazamiento necesario del compresor para una capacidad determinada, en comparación con el R134a, es 80-90% más pequeño. Además, las relaciones de presión del compresor son bajas, lo que proporciona condiciones favorables para lograr una alta eficiencia del compresor. Las presiones operativas relativamente altas en los evaporadores y condensadores (enfriadores de gas) también conducen a una transferencia de calor muy eficiente en comparación con los HFC, lo que permite que los intercambiadores de calor tengan un diseño más compacto. Las presiones más altas a menudo se asocian con un peligro mayor, pero debido a volúmenes más pequeños de tuberías y componentes, la energía de explosión almacenada en un sistema de CO2 no es muy diferente de la de un sistema convencional.

El gran deslizamiento de la temperatura del refrigerante

A presión supercrítica la transferencia de calor del refrigerante se lleva a cabo mediante el enfriamiento de un gas sin cambio de fase. El intercambiador donde se disipa el calor se denomina enfriador de gas (gas cooler) en lugar de condensador. Como el calor se transfiere como calor sensible, la temperatura se deslizará según la presión actual de alta, por ejemplo de 90ºC a 20ºC. 

En operación subcrítica, el COP está en principio limitado por la temperatura de condensación. En la operación transcrítica, por el contrario, el COP está más limitado por la temperatura de salida del refrigerante en el gas cooler. 

Con un diseño adecuado del intercambiador de calor, el refrigerante puede enfriarse a unos pocos grados por encima de la temperatura de entrada de agua. Además, a menor temperatura de entrada de agua en el intercambiador, mayor COP de la bomba de calor de CO2

foto aquaterm acs4

foto aquaterm acs5

Diseño del sistema

El punto anterior debe reflejarse en el diseño de todo el sistema, especialmente en el sistema de acumulación de agua caliente sanitaria. La producción de ACS mediante una bomba de calor de CO2 está asociado con la utilización de tanques de almacenamiento donde el agua mantiene la estratificación; solo de esta manera se puede lograr el mejor rendimiento energético. El motivo radica en que, mientras que para un ciclo común la temperatura de condensación está vinculada a la temperatura máxima del agua (y por lo tanto para COP), para los ciclos transcríticos, la eficiencia energética está fuertemente relacionada con la temperatura de entrada del agua. De ahí la estratificación dentro del tanque de almacenamiento es casi obligatoria cuando se requiere una alta eficiencia energética para las bombas de calor de ACS que trabajan con CO2.

foto aquaterm acs6

Control de la bomba de calor

El objetivo de la bomba de calor es proporcionar al tanque de almacenamiento ACS a la temperatura requerida de la manera más eficiente. El enfriador de gas es un intercambiador de calor de paso único (esto significa que el agua se calienta instantáneamente, por ejemplo, de 10ºC a 65ºC en un solo paso por el intercambiador) y, por lo tanto, es necesario controlar cuidadosamente la temperatura de salida del agua que va a parar a la parte más caliente de los depósitos. El caudal de agua es modulado por un controlador PID para alcanzar y mantener la temperatura del agua de salida en el valor del punto de ajuste.

foto aquaterm acs7

El incremento de la temperatura del agua en el enfriador de gas depende, para una cierta temperatura de evaporación y condiciones de succión, del caudal de agua, así como de la presión del enfriador de gas. El valor de temperatura requerido en la salida del enfriador de gas se puede obtener con diferentes pares de caudales de agua y presión de gas, pero cada condición de trabajo implica un COP diferente.

La tarea del de control es calcular el caudal de agua y presión del enfriador de gas que da el COP óptimo, bajo la restricción de la temperatura fija del agua en la salida del enfriador de gas. 

foto aquaterm acs8

Visto 171 veces