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Martes, 22 Octubre 2019 09:59

Efectos del reglamento F-Gas en la fabricación de equipos y centrales frigoríficas de HFC

PRO18 Articulo 11 Foto 0En los últimos años hemos asistido a una convulsión del sector de la refrigeración comercial en España, con una burbuja especulativa sobre los gases refrigerantes, y la irrupción de nuevas tecnologías basadas en refrigerantes naturales

 

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Paralelamente al desarrollo de estas nuevas tecnologías, como el CO2 o el R290, los fabricantes de equipos basados en gases fluorados han desarrollado y propuesto al mercado diversas soluciones con el objetivo de reducir la carga de refrigerante, minimizar el riesgo de fugas y mejorar la fiabilidad de funcionamiento y eficiencia energética de los sistemas.

A continuación se exponen las implicaciones del reglamento de gases fluorados sobre el diseño de centrales frigoríficas comerciales y plantas enfriadoras, y se repasan las principales soluciones y características que los fabricantes han venido incorporando a sus equipos, tales como: la mayor compacidad del sistema con centrales con condensador integrado en diseños optimizados para bajas potencias, los refrigerantes fluorados de bajo PCA, la integración de nuevos componentes como ventiladores EC y compresores scroll de alta eficiencia, la reducción de la carga de refrigerante, etc. 

Con la moderación del mercado del refrigerante, las nuevas soluciones basadas en centrales compactas de expansión directa de refrigerantes fluorados siguen siendo una buena opción en instalaciones de refrigeración comercial de baja potencia desde los puntos de vista económico y medioambiental.

Normativa sobre gases fluorados

El Reglamento de Seguridad en Instalaciones frigoríficas (RD 138/2011), actualmente en proyecto de revisión, introdujo hace 7 años, importantes requisitos de seguridad de las centrales de refrigeración comercial. No sólo en cuanto a la práctica limitación del uso de gases que no fueran de alta seguridad, sino también a las prescripciones de diseño de las centrales de refrigeración.

El reglamento de seguridad también categorizaba las instalaciones en dos niveles profesionales. El nivel 1, con menores requisitos para la legalización de la instalación e inspecciones de mantenimiento, se aplica a sistemas de hasta 30kW de potencia instalada en compresores (potencia máxima absorbida por el compresor).

La Ley 16/2013, de 29 de octubre, introdujo sorpresivamente en España el impuesto sobre gases fluorados, que desde 2014 grava el gas refrigerante en función de su potencial de calentamiento atmosférico. 

Por su parte, el Reglamento F-Gas, 517/2014 sobre los gases fluorados de efecto invernadero, establece para 2022 un límite similar de 40kW de potencia frigorífica, a partir del cual se prohibirá el uso de refrigerantes HFC en centrales de expansión directa en aplicaciones de refrigeración comercial.

 

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El impuesto de gases fluorados en España incrementó de manera importante, a partir de 2015, el precio de la oferta de refrigerante. Sin embargo, lo verdaderamente pernicioso fue el sistema de cuotas en la comercialización de gases fluorados en la Unión Europea que introdujo el reglamento F-Gas. Este sistema supuso una ruptura de las leyes de libre mercado, al establecer cuotas de mercado para los distribuidores de gas refrigerante y al limitar la oferta global de refrigerante a un reducido 63% en 2018.

El siguiente gráfico muestra las curvas de oferta y demanda del mercado oficial de refrigerante, y muestra como en 2017, la inminente entrada en vigor del sistema de cuotas supuso una ruptura de la oferta de refrigerante.

El mal diseñado sistema de cuotas provocó una burbuja especulativa desde mediados de 2017 y a lo largo de 2018 y generó cuantiosos sobrebeneficios a los poseedores de los derechos de importación de refrigerante. Como consecuencia, parte de la limitada oferta de refrigerante quedó sin vender, al menos en el mercado oficial.

 

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La crisis de los refrigerantes de los dos últimos años convulsionó todo el sector de la refrigeración comercial, de modo que este ha logrado adaptar su tecnología para reducir la demanda de refrigerante fluorado. Las previsiones para 2019, son una mayor contracción de la demanda de refrigerante, con una notable moderación de los precios. Es de esperar pues que para la próxima reducción de la cuota al 45% en 2021, el mercado se haya ya amoldado a las nuevas circunstancias, y prosiga la moderación de los precios del refrigerante.

Ha de tenerse en cuenta que la valoración del volumen del mercado se ha realizado en toneladas equivalentes de CO2. Sin duda, los nuevos gases HFC alternativos, de un menor potencial de calentamiento atmosférico (PCA), han contribuido a reducir el volumen del mercado, pero sólo a la mitad. Por tanto, los últimos esfuerzos del sector se enfocan a la reducción de la carga de refrigerante de los sistemas y a la reducción de la probabilidad de fuga. 

La reducción de la carga de refrigerante

Un sistema centralizado de refrigeración de expansión directa convencional comportaba una alta carga de refrigerante, del orden de 3 o 4 kg por kW de potencia frigorífica (MT). Típicamente dos tercios  de la carga de refrigerante se localizan en el sector de alta presión en forma de refrigerante líquido, mientras que la restante se encuentra principalmente en los evaporadores.

Tradicionalmente los recipientes de líquido se dimensionaban para poder recoger la carga de refrigerante de todo el sistema. El actual reglamento de seguridad permite ajustar el tamaño del recipiente al necesario para compensar la fluctuación de volumen de refrigerante debido al funcionamiento normal de la instalación o a las intervenciones en los servicios. Lo que en la práctica se traduce en poder recoger la carga de refrigerante contenida en los evaporadores. Esta reducción del tamaño del recipiente supone una reducción de la carga de refrigerante en el sistema de aproximadamente un 15% o 20%.

Las tuberías de distribución de refrigerante líquido alojan un tercio de la carga de refrigerante, mientras que la línea de líquido entre el condensador y el recipiente de la central frigorífica es responsable de otra parte. Una de las principales novedades introducidas en las centrales de refrigeración comercial es la integración del condensador y los compresores en un único conjunto, que permite reducir otro tanto la carga de refrigerante del sistema.

Un último avance tecnológico, que entre otras cosas redunda en la reducción de la carga de refrigerante, es el subenfriamiento del líquido a través de un economizador. Esta medida logra reducir el flujo másico de refrigerante y  permite reducir la sección de las tuberías frigoríficas a la mitad, con un impacto global de reducción de carga del 15% respecto de una instalación convencional.

Finalmente, la tecnología de condensadores microcanal reduce la carga de refrigerante en un 10% respecto de una instalación convencional.

De este modo las nuevas centrales compactas se caracterizan por una carga de refrigerante sensiblemente menor a la de las centrales convencionales, que se sitúa en torno a 1,5 kg por kW de potencia frigorífica nominal.

La reducción de carga es aún mayor en sistemas partidos 1-1 y equipos compactos de carga crítica, hasta valores de 0,3 kg/kW, e incluso a valores inferiores con la aplicación de refrigerantes naturales R290 y R717.

 

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Sectorización de los sistemas de refrigeración

La reducción de carga en las instalaciones de refrigeración de expansión directa viene acompañada por un creciente interés en el fraccionamiento de la instalación en varios circuitos o  sistemas independientes.

Por una parte, la adecuación de las instalaciones a la futura limitación del reglamento F-Gas se une al interés de rebajar a nivel I la clasificación de la instalación frente al Reglamento de Seguridad de Instalaciones Frigoríficas. 

Por otra parte, el alto precio del refrigerante, junto al impuesto sobre gases fluorados aviva el interés en fraccionar o sectorizar la carga de refrigerante de la instalación para reducir el impacto de una eventual fuga de refrigerante en el circuito.

Principalmente estos motivos han dirigido una nueva tendencia en el mercado por los equipos compactos y las centrales compactas de media potencia, de hasta 40kW de potencia frigorífica.

 

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Reducción del riesgo de fugas de refrigerante

De la multiplicación de ambos factores: reducción de carga de refrigerante y fraccionamiento de la carga en varios sistemas o circuitos independientes, se deduce que, respecto de una instalación convencional, la evaluación del riesgo de una fuga de refrigerante es del orden de 10 veces menor en el caso de centrales distribuidas de expansión directa y del orden de 500 veces menor en el caso de equipos compactos, donde además se tiene en cuenta la reducción de la probabilidad de fuga.

En efecto, la reducción de carga a la mitad en centrales compactas, junto con el fraccionamiento de la carga en unos cinco circuitos independientes en una instalación distribuida, reduce el impacto de una fuga a una décima parte del de una instalación convencional. 

Otros factores que intervienen sobre la probabilidad o impacto de la fuga, tales como la utilización de componentes con menores niveles de vibración (compresores Scroll), los equipos herméticos ensayados en fábrica, o el uso de refrigerantes de baja presión (R134a), aportan un orden de magnitud inferior a la valoración del riesgo de fuga de una nueva instalación respecto de una instalación convencional.

Refrigerantes fluorados de bajo GWP

En efecto, la utilización de refrigerantes de baja presión, como el R134a, con menores tasas de fuga ha sido uno de los criterios en la elección de un nuevo refrigerante alternativo al R404a.

La selección de un refrigerante es un proceso de equilibrio entre diversos criterios como rendimiento, seguridad, aplicación, medioambiente y entorno regulatorio. Actualmente el criterio medioambiental es el que tiene mayor prioridad, y el que ha hecho recobrar el interés por refrigerantes naturales a pesar de inflamabilidad (HC) o toxicidad (NH3), o alta presión (CO2). 

Sin embargo, gran parte de estas alternativas más ecológicas no cumplen con los requisitos de seguridad exigibles a instalaciones de refrigeración comercial en locales de público, tales como supermercados o tiendas especializadas.

Generalmente la compatibilidad medioambiental o biodegradabilidad de una sustancia, está reñida con su estabilidad química, y en definitiva su inflamabilidad y toxicidad. No obstante, la reciente sensibilización sobre el calentamiento global nos obliga a ponderar la seguridad de las personas frente al medioambiente, lo que nos lleva a reconsiderar los refrigerantes de media seguridad, ligeramente inflamables, como los HFOs. 

La industria de los gases refrigerantes ha apostado fuertemente por los HFOs forzando la creación de una nueva categoría A2L de gases muy ligeramente inflamables, que, con determinadas medidas de protección, en el proyecto de nuevo reglamento de seguridad se equiparan a los gases de alta seguridad.

 

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La mezcla de HFOs y HFCs de bajo PCA son la primera alternativa que se vislumbra para sustituir el R404A a corto plazo en aplicaciones de refrigeración comercial de pequeña potencia. Los refrigerantes R448A y R449A han logrado hoy en día en España una buena aceptación, y cumplirán con los límites establecidos para 2020 y para 2022 hasta 40kW de potencia frigorífica. 

Una tendencia del sector igualmente válida son los refrigerantes de baja presión como el R134a o sus mezclas con HFO, de clase A1 (R513A y R450A). Estos refrigerantes son sólo aptos para temperatura positiva, debido a la baja presión de funcionamiento, que lleva acompañado una reducción de la tasa de fugas.

Una tercera tendencia han sido los refrigerantes  de alta presión como el R410A importado al sector de la refrigeración desde el aire acondicionado y pese a su peor adaptación a las bajas temperaturas de trabajo.

Además, con la reciente aprobación de la clase A2L, se han presentado ya al mercado las nuevas mezclas de gases, de última generación, (DR3 y L40X), como alternativas al R404A con PCA inferior a 150. Estos en teoría parecen tener un rendimiento aceptable, pero el mayor inconveniente es el gran deslizamiento, de 8 y 13K respectivamente.

Desgraciadamente el deslizamiento del gas es un aspecto aún muy desconocido en el mundo de la refrigeración. Hace 20 años, el sector del aire acondicionado se enfrentó a un problema similar con el R407C, con deslizamientos de 5K, y los efectos del deslizamiento en los evaporadores y condensadores fueron ampliamente estudiados. No sólo se describieron fenómenos de fraccionamiento del gas en caso de fuga, sino que se investigaron los efectos de fraccionamiento en el interior de un sistema frigorífico hermético. Es decir, la separación de los componentes de la mezcla de refrigerante en el interior del sistema, alterándose las propiedades termodinámicas.

El caso del sector de la refrigeración es mucho más crítico, con más bajas presiones de evaporación, mayor deslizamiento del gas, y mayor ramificación del circuito y mayor carga de refrigerante de los sistemas frigoríficos. El efecto del deslizamiento es previsiblemente mucho mayor, reduciendo la eficiencia de los intercambiadores térmicos, y lo que es más grave, pudiendo presentar fenómenos de fraccionamiento en evaporadores, que acarrean problemas de desescarche y acumulación de hielo,  altas temperatura de descarga en compresores y cavitación de líneas de líquido.

Hay que poner de manifiesto que la utilización de las nuevas mezclas de refrigerantes plantea nuevos retos a los fabricantes de equipos y centrales frigoríficas, debiendo adaptar los diseños a los nuevos problemas originados por las más altas temperaturas de descarga y los deslizamientos del gas. En este sentido se han incorporado sistemas de refrigeración del compresor mediante inyección de líquido, algo similar al antiguo sistema de “demand cooling” utilizado para compresores de R22.

Finalmente, cabe destacar el interés por los gases ligeramente inflamables, clase A2L y clase A2, cuya aplicación a plantas enfriadoras  cumple sobradamente con los requisitos de seguridad. Mención especial requiere el refrigerante HFC 152a, que con un PCA de tan sólo 124, un excelente rendimiento frigorífico y un interesante precio de mercado en el entorno de los 10 Eur/kg, constituye una gran solución para plantas enfriadoras.

Conclusiones

Se ha presentado como el actual entorno normativo para la reducción de las emisiones de gases fluorados, han conducido a una parte del sector de la refrigeración a explotar y evolucionar los equipos y centrales compactas de refrigeración comercial basadas en HFC. 

Tomando como referencia el tradicional sistema de expansión directa centralizada de R404A, los avances tecnológicos implementados por los fabricantes, han logrado reducir a la mitad el efecto invernadero global del sistema; han duplicado el rendimiento energético estacional, reducen a menos de la mitad la carga de refrigerante necesaria en la instalación, mitigan el riesgo de las fugas de refrigerante en uno o varios órdenes de magnitud, mejoran significativamente el nivel de ruido de los equipos, reducen las necesidades de espacio, incluso prescindiendo de la sala de máquinas; y preservan la seguridad y fiabilidad de funcionamiento del sistema a través de la duplicidad de componentes críticos y protecciones individualizadas.

Teniendo como base la actual tecnología de refrigeración comercial, los equipos y centrales compactas de nueva generación son una opción económicamente viable para las instalaciones de refrigeración comercial de pequeña y media potencia.

 

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