Debido a la actual normativa de la UE sobre gases fluorados, el uso de hidrofluorocarbonos (HFC) estará cada vez más restringido como refrigerante en los próximos años
Además, en varios países europeos, los sistemas de refrigeración HFC están sujetos a impuestos elevados. El resultado, ha sido un creciente uso de sistemas de refrigeración comercial que utilizan dióxido de carbono (CO2), un refrigerante natural.
Con la primera generación de sistemas de CO2 transcríticos, la eficiencia en condiciones de temperatura ambiente fría y suave ya era mayor que la eficiencia de los sistemas de referencia de HFC. Sin embargo, en condiciones de alta temperatura, no lo era. Para eliminar esta “línea ecuatorial de eficiencia de CO2”, Carrier Commercial Refrigeration desarrolló e instaló varias opciones adicionales, incluyendo subcoolers mecánicos a base de hidrocarburos o sistemas economizados.
arrier, el eyector de vapor modulante, aumenta sustancialmente la eficiencia energética del sistema, haciendo de los sistemas de CO2 transcríticos, una alternativa viable en climas más cálidos, así como durante los días más calurosos en climas fríos o suaves.
El CO2OLtec® Evo de Carrier, es la última generación de sistemas de refrigeración de CO2 transcríticos eficientes que utilizan esta tecnología única de eyector de vapor modulante, combinada con otras opciones de aumento de la eficiencia que dependen de la instalación elegida.
Esta solución, ofrece el beneficio de un funcionamiento del evaporador inundado durante todo el año mediante el uso de eyectores de modulación asistidos por una bomba de CO2 subcrítica en un ciclo básico. Se pueden elegir varias características/módulos opcionales para aumentar aún más la eficiencia y/o utilizarlos para cumplir otras funciones como la recuperación de calor, la bomba de calor o las funciones de aire acondicionado, según su aplicación y los requisitos del cliente.
El objetivo de Carrier es transferir el conocimiento del aumento de la eficiencia a un sistema con complejidad reducida. Se trata de un sistema modular adaptado, capaz de operar en varias aplicaciones.
Carrier, ha desarrollado sistemas de refrigeración de CO2 que ofrecen resultados óptimos, con baja complejidad para todos los climas y con carga parcial. Este artículo mostrará el estado actual del desarrollo para aplicaciones de refrigeración comercial y los resultados prácticos.
Los sistemas booster transcríticos y las propiedades termofísicas del refrigerante natural CO2 (R-744) en aplicaciones de refrigeración comercial, ya son bien conocidos (Hellmann (2014). Para resumir, los sistemas típicos de refrigeración comercial de CO2 diseñados para operación transcrítica, utilizan una compresión de dos etapas en una configuración booster, y una expansión, también, de dos etapas, que incluye un tanque flash abierto.
El diseño del ciclo de refrigeración del sistema estándar CO2OLtec® de Carrier para enfriamiento a temperatura media (MT) y baja temperatura (LT), que se mencionará como punto de referencia para una discusión futura, se muestra en la figura 1.
Sin embargo, los sistemas de CO2 transcríticos estándar son ampliamente conocidos por compartir una desventaja. Si la temperatura ambiente anual media supera los 15 °C, la llamada “línea ecuatorial de eficiencia de CO2”, un sistema de CO2 comercial típico funciona con igual o menor eficiencia que una instalación de HFC durante un año completo de operación. Esta desventaja puede superarse utilizando varias nuevas tecnologías complementarias. Carrier Commercial Refrigeration ya ha presentado conceptos y resultados de tales instalaciones, Huff (2012), Serwas (2013), Goeller (2015), Webb (2015), Burvingt (2016), Hellmann (2016). Un factor determinante en el aumento de la eficiencia es el uso de un eyector de modulación, cuya función principal y modelado como componente ya han sido discutidos por Yazdani (2012). Este eyector tiene tres partes (Figura 2). La primera parte, la boquilla motriz, convierte la alta presión de entrada en baja presión con alta velocidad. El flujo motriz entra entonces en la segunda parte del eyector, la cámara del mezcla, donde la velocidad sigue siendo alta y la presión es menor que la de aspiración.
El flujo de aspiración entra en la cámara de mezcla y es acelerado por el flujo motriz en la sección del mezclador. Estas corrientes mixtas entran en el difusor, la tercera parte del eyector, y convierten su velocidad nuevamente en presión, siendo esta, más alta que en la entrada de aspiración. En esencia, en el sistema CO2OLtec Evo de Carrier, el eyector utiliza la energía de alta presión para comprimir previamente todo el flujo másico de aspiración desde la presión de aspiración a una presión más alta, como un turbo compresor.
Actualmente, varios eyectores que se diferencian por su funcionalidad, capacidad de servicio, aumento de presión y tasa de flujo másico de aspiración (relación de arrastre), están disponibles en el mercado de la refrigeración. Estos eyectores utilizan el flujo másico motriz en dos escenarios.
Un eyector podría tener un 100% de aspiración y comprimir a, por ejemplo, 5 bar (elevación baja), o solo el 50% del flujo másico, pero comprimir a, digamos, 10 bar (elevación alta).
Un eyector de baja presión/alto arrastre, como el modulante de Carrier, puede aspirar todo el flujo másico de temperatura media independientemente del recalentamiento. Como consecuencia, se puede disminuir el recalentamiento (y, por lo tanto, aumentar la temperatura de evaporación en los evaporadores MT) y que los compresores MT ya no aspiraren más de los evaporadores MT. Esto no es posible sin un equipo adicional en el caso de eyectores de alta presión.
SECCIÓN PRINCIPAL
ste documento analiza las opciones disponibles con el sistema CO2OLtec EVO para aumentar la eficiencia de las instalaciones de refrigeración comercial.
Nuevos sistemas de alta eficiencia
Los sistemas de refrigeración eficientes de CO2 más comunes utilizan lo siguiente: en base a Hafner (2016), Gilgenbach (2016), Hegglin (2016), Kristensen (2016)
• Compresión paralela, también conocida como sistemas economizadores, para comprimir el vapor del recipiente de media presión directamente sin expandir, a la temperatura de evaporación de media presión.
• Un eyector de alta presión en combinación con compresión paralela. El eyector aspira parcialmente el flujo másico de temperatura media y comprime el vapor a una condición más alta (a la aspiración del compresor paralelo). El compresor paralelo usa el vapor proporcionado por el eyector de alta presión y comprime este vapor hasta la presión de descarga. El funcionamiento inundado no es posible sin otras tecnologías y componentes.
• Un diseño de eyector de líquido en el que el sistema funciona en condiciones de inundación y se usa un separador de aspiración delante del compresor de temperatura media para recoger este refrigerante sobrealimentado. El eyector de líquido actúa como una simple bomba para guiar el líquido de regreso al tanque de media presión. Para unidades pequeñas sin compresor paralelo, la compresión previa proporcionada por el eyector de líquido se pierde debido al proceso de expansión en la válvula de media presión. Se necesita una capacidad de alta presión mínima para asegurar el “efecto de bombeo”.
El beneficio solo proviene de la operación inundada con una posible elevación de la temperatura de aspiración. Se necesita un diseño de eyector de líquido adecuado para hacer funcionar el sistema durante todo el invierno, con una presión de alta mínima causada por la baja temperatura ambiente y sin la necesidad de elevar la alta presión debido a las necesidades del eyector de líquido.
La Figura 3, muestra el PID simplificado y el diagrama p-h para tales unidades. El ciclo negro muestra el bucle estándar simplificado. Si se usa una compresión paralela (azul), el vapor del tanque flash se comprime directamente para descargar (6-2`) sin fluir a través de la válvula de media presión. Un compresor paralelo es eficiente porque se necesita menos energía para comprimir el vapor de una condición más alta que la media temperatura. Además, la capacidad aumenta a medida que aumenta la densidad de vapor en el puerto de aspiración del compresor.
Un eyector de alta presión (rojo), siempre funciona en combinación con el compresor paralelo (azul) y se usa para aspirar parcialmente el vapor y comprimirlo previamente para alimentar al compresor paralelo con más flujo másico en una condición más alta. Por lo tanto, el eyector de vapor se usa para respaldar esta filosofía de compresión paralela, con una recuperación de trabajo del lado de CO2 de alta presión, que es “gratuito”, para cambiar la carga del lado del compresor de temperatura media a los compresores paralelos.
Esto requiere la instalación de compresores tanto en el circuito de temperatura media estándar como en el compresor paralelo, ya que el cambio de carga depende de las condiciones de alta presión. En consecuencia, esta instalación no es rentable ya que el compresor de temperatura media que se necesita en invierno solo está en espera durante el período de verano y los compresores paralelos requeridos durante el verano no funcionan durante períodos de baja presión.
La eficiencia del sistema de eyector de líquido proviene principalmente de la posibilidad de trabajar en modo inundado en el evaporador, más que del propio eyector.
El eyector de líquido, en combinación con separador/es de aspiración adicional/es (verde), se utiliza para hacer funcionar la unidad en un estado inundado mientras protege al compresor de golpes de líquido.
Todos los sistemas pueden funcionar como autónomos o combinados, sin embargo, cada paso agrega otro nivel significativo de complejidad y costo, tanto mecánicamente (compresores, separadores, tuberías, etc.) como electrónicamente (por ejemplo, variador de velocidad para el compresor paralelo y algoritmos de control sofisticados).
Ventajas específicas del eyector de vapor modulante frente a otros eyectores
Uno de los objetivos del desarrollo del eyector de modulante de Carrier, era poder utilizar el evaporador del flujo motriz para proporcionar mejoras de eficiencia óptimas a nivel de sistema. Para lograr esto, Carrier ha estado desarrollando eyectores de baja presión y alta capacidad de arrastre de todo el flujo másico de aspiración y sin ningún dispositivo de caída de eficiencia, como válvulas de retención, con su posible pérdida asociada. Un eyector de baja presión/alto arrastre puede aspirar todo el flujo másico de temperatura media independientemente del recalentamiento. Como consecuencia, el recalentamiento del evaporador MT puede disminuir, ya que no hay compresores MT que aspiren de los evaporadores MT.
Los sistemas de eyector de alta presión deben estar equipados con medios adicionales (tales como separadores de aspiración) para proteger el compresor contra golpes de líquido. Debido a la falta actual de compresores eficientes optimizados para esta aplicación, el uso de eyectores de alta presión podría, de hecho, reducir la ganancia de eficiencia, ya que todos los compresores de CO2 transcríticos estándar disponibles en la actualidad no pueden funcionar correctamente con una presión de aspiración significativamente mayor.
Además, el eyector modulante de Carrier, controla la alta presión óptima con un motor paso a paso infinito. El diseño controlable, combina el beneficio de la tecnología del eyector con el proceso de expansión de una válvula de alta presión estándar al reemplazar completamente la primera etapa de expansión. La Figura 4 muestra las partes principales del componente y su propósito. Para mayor facilidad de servicio, se podría retirar el cartucho completo para la inspección de servicio.
CO2OLtec EVO con eyector asistido por bomba
Todas las soluciones analizadas en la sección 2.3 tratan sobre el aumento de las eficiencias basadas en la compresión parcial de un estado de aspiración más alto y la precompresión en el eyector con recuperación de trabajo o debido a la operación inundada. El sistema Carrier CO2OLtec EVO (Figura 5) combina todas estas características sin la complejidad agregada. El eyector modulante de alto arrastre (flujo másico de aspiración total) reemplaza completamente la válvula de alta presión. Debido a que el eyector no tiene partes móviles, no es sensible al líquido. Todo el flujo másico de aspiración de temperatura media se vierte a través del eyector.
El eyector de modulación de Carrier combina el beneficio de una elevación de presión del eyector de vapor y el modo de evaporador inundado sin necesidad de un segundo separador. Todos los compresores están conectados al tanque flash, por lo que no es necesario un compresor paralelo, (todos los compresores son paralelos) o un segundo variador de velocidad.
Para funcionar todo el año en una condición de evaporador inundado, se usa una bomba de refrigerante para asegurar el flujo a través de las válvulas de expansión. Para permitir que el sistema funcione con la mínima presión de descarga posible, la bomba ayuda al eyector si la elevación de la presión del eyector es demasiado baja en condiciones invernales. Si el nivel de presión alta aumenta hasta el punto en que el eyector podría asegurar la diferencia de presión necesaria para las válvulas de expansión de media temperatura, la bomba se APAGA.
La Figura 6 muestra las diferencias. Como todos los compresores MT aspiran vapor, que ya está “pre-comprimido” por el uso del eyector, la relación de presión para el compresor es más baja y la densidad de vapor es más alta. Esto reduce el desplazamiento requerido del compresor de temperatura media en un 26 por ciento en las condiciones de diseño. Aproximadamente el 10 por ciento del consumo de energía eléctrica se ahorra en condiciones ambientales altas. CO2OLtec EVO es ideal para grandes almacenes o centros de distribución para reducir la carga de potencia máxima de los equipos de refrigeración (potencia contratada).
El sistema no necesita funciones de conmutación. El compresor MT siempre aspira desde el mismo recipiente, por lo que no hay necesidad de válvulas de media presión. La diferencia entre ambos ciclos es si la bomba debería funcionar o no, lo que podría determinarse fácilmente con algoritmos simples. La Figura 7 muestra el diseño de una máquina compuesta por una central de compresores estándar combinado con el bastidor de alta eficiencia. Un método de compensación existente delante de los eyectores asegura una gestión de aceite simple y probada, Hellmann (2011).
La simplificación de tuberías y componentes en el bastidor permiten a los técnicos de servicio seguir fácilmente el diseño, lo que reduce el mantenimiento. Como solo se usa un recipiente principal, no se producirá una mala distribución de la carga de CO2. Además, se puede seleccionar una amplia gama de módulos adicionales para mejorar aún más el sistema o agregar funcionalidad. La Tabla 1 muestra una pequeña selección de dichos módulos, incluida la descripción principal y su efecto general en la unidad.
Aplicaciones y resultados
Carrier tiene uno de los mejores laboratorios de pruebas de tecnología de CO2 en su Centro de Investigación y Diseño en Mainz-Kostheim, Alemania, para probar equipos de alta eficiencia como eyectores, tanto a nivel de componentes como a nivel de integración de sistemas.
Dentro de este laboratorio, se encuentra un centro único de capacitación en tecnología CO2, la CO2OLacademy, que incluye un entorno de supermercado real de 400 metros cuadrados. El centro de formación sirve a más de 25 países europeos y se centra en experiencias de aprendizaje práctico para múltiples marcas de controladores. El nuevo sistema EVO de CO2OLtec pronto formará parte de esta gran historia de éxito.
En la actualidad, más de 60 eyectores de vapor modulantes en los sistemas CO2OLtec EVO están instalados en España, Francia, Suiza, Alemania, Países Bajos y Suecia. Una de las tendencias principales en sistemas de CO2 transcrítico (Burvingt 2016) es la demanda a Carrier de mayor capacidad de refrigeración disponible, aspecto clave para el segmento de almacenes logísticos. La Tabla 2 muestra el aumento constante de la capacidad de refrigeración para aplicaciones de media y baja temperatura, incluido un centro de distribución de baja temperatura. La Figura 8 muestra el consumo de energía proyectado basado en datos simulados verificados por mediciones de campo, Hellmann (2015), Hafkemeyer (2017), Webb (2017).
El retorno de la inversión (ROI) de los sistemas de CO2 transcrítico de CO2OLtec EVO se debe calcular teniendo en cuenta múltiples variables, como el costo de la energía eléctrica, la ubicación, la aplicación del cliente y los submódulos seleccionados. Aunque el sistema permite una mayor flexibilidad para elegir opciones predefinidas (Tabla 1) con el enfoque de dos bastidores, esto genera costos adicionales. Sin embargo, cuanto mayor sea la capacidad de enfriamiento, menores serán los costos adicionales. Carrier también ofrece una gama de sistemas de CO2 transcríticos para aplicaciones más pequeñas.
CONCLUSIÓN
Se sabe que los sistemas de CO2 transcríticos estándar comparten una desventaja común. Si las condiciones de temperatura ambiente promedio anuales se elevan por encima de los 15 °C, un sistema comercial típico de CO2 funciona con igual o menor eficiencia en comparación con una instalación de HFC durante un año completo de operación. Esta desventaja se puede superar mediante el uso de varias nuevas tecnologías adicionales, como los eyectores, en los nuevos sistemas de CO2 de alta eficiencia. Actualmente, varios eyectores están disponibles en el mercado de la refrigeración, que se diferencian por la funcionalidad, la capacidad de servicio, el levantamiento de presión y el caudal másico de aspiración. El eyector de vapor modulante de Carrier funciona como un eyector de baja presión/alto arrastre y es capaz de aspirar todo el flujo másico de temperatura media independientemente del recalentamiento.
Los sistemas de CO2 de alta eficiencia más comunes, utilizan un eyector de alta presión en combinación con una compresión paralela para alimentar el compresor paralelo o un eyector de líquido para operaciones inundadas. Todos los sistemas podrían funcionar como independientes o combinados, sin embargo, cada paso agrega otro nivel significativo de complejidad y coste.
El sistema de Carrier CO2OLtec EVO, combina todos estos beneficios para aumentar las eficiencias basadas en la compresión previa en el eyector con la recuperación del trabajo, la compresión parcial de un estado de aspiración más alto y la operación inundada durante todo el año con la mínima presión de descarga posible.
Uno de los objetivos del desarrollo del eyector modulante de Carrier, fue poder utilizar el máximo flujo motriz para proporcionar mejoras de eficiencia óptimas a nivel de sistema, pero con baja complejidad, como una solución rentable.
El desplazamiento requerido del compresor de temperatura media se reduce en un 26 por ciento en las condiciones de diseño. Aproximadamente el 10 por ciento del consumo de energía eléctrica se puede ahorrar en la condición de diseño, mientras que en condiciones de alta temperatura ambiente, el 29 por ciento del consumo de energía se puede ahorrar anualmente en comparación con una unidad booster de CO2 transcrítica estándar. CO2OLtec EVO es ideal para grandes almacenes o centros de distribución para reducir la carga de potencia máxima de los equipos de refrigeración. En la actualidad, se han instalado más de 60 eyectores de vapor modulantes en los sistemas CO2OLtec EVO en Europa.
Sin importar el clima, además de eliminar la línea ecuatorial de eficiencia de CO2, la última generación de sistemas de refrigeración CO2OLtec Evo también ofrecen ahorros significativos en climas templados y fríos en comparación con la primera generación de sistemas de refrigeración de CO2 transcríticos.
AGRADECIMIENTOS
El autor desea agradecer a todos sus amigos de Carrier Commercial Refrigeration Europe, UTC Climate, Controls & Security y United Technologies Research Center que han trabajado en este proyecto.
