Viernes, 25 Febrero 2022 13:54

Introducción del ciclo transcrítico utilizando CO2 como fluido frigorífico en la cadena de suministro de frío en supermercados y tiendas de conveniencia

PRO32 ARTICULO 6 Foto 0El nuevo reglamento F-Gas (UE) n°517/2014 entró en vigor en todos los países de la Unión Europea el 1 de enero de 2015 sustituyendo al antiguo reglamento (UE) n°842/2006

 

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Objetivo: Limitar el aumento de la temperatura media global, no más de 2°C (posiblemente 1,5) por encima de los niveles pre-industriales.

1. INTRODUCCIÓN – POR QUÉ EL CO2

Como todos los reglamentos europeos, es de aplicación directa en todos los Estados miembros.

La Enmienda de Kigali al Protocolo de Montreal sobre sustancias que agotan la capa de ozono entró en vigor el 1 de enero de 2019, tras la ratificación de 65 países.

La acción en virtud de la Enmienda ayudará a reducir la producción y el consumo de hidrofluorocarbonos, y evitar así un calentamiento global de hasta 0,4 ° C en este siglo.

Así pues, con el propósito de prevenir el calentamiento global, los países desarrollados están obligados a disminuir gradualmente la producción de refrigerantes HFC en un 85% con respecto al inicio del estudio (la media de los años 2011-2013), antes del 2036.

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En respuesta a esto, se espera que la reducción del uso de refrigerantes HFC se acelerará también en el mercado nacional y otros refrigerantes van a tomar el relevo.

Se penalizan, por lo tanto los refrigerantes con mayor GWP.

GWP (Global Warming Potential):

Es una comparación entre gases de efecto invernadero respecto al CO2.

Por ejemplo, el GWP del CO2 es 1 y el GWP del R404A es 3922.

  Significa que 1Kg de R404A tiene el mismo efecto invernadero que 3922 kg de CO2.

El valor objetivo de GWP estipulado por la ley se establece en 1,500 en el año fiscal 2025 en el ámbito del sistema de refrigeración de tipo remoto.

Sin embargo, parece complicado conseguir el valor objetivo de Kigali, la reducción de 85%, con un valor objetivo de la ley de 1500.

“Es necesario ampliar aún más el uso de refrigerante de bajo GWP.”

Por otro lado no solo se penalizara el refrigerante mediante su GWP, también se aplicará el TEWI.

TEWI (Total Equivalent Warming Impact)

  Es la suma directa (de fugas y purgas) e indirecta (debido a la energía consumida) de cierto equipo durante su vida útil.

TEWI se calcula a través de la siguiente fórmula:

TEWI= GWP • L • n + GWP • m • (1−α) + n • E • β

Dónde:

> GWP - Potencial de calentamiento global del refrigerante (equivalente a CO2) [kg CO2 / kg de refrigerante]

> L - Tasa de fuga anual [kg / año]

> n - Vida útil del sistema [años]

> m - Carga de refrigerante [kg]

> α - Factor de reciclaje [%]: proporción de la carga de refrigerante (de 0 a 1) que se recupera del equipo cuando se descompone al final de su vida útil

> E - Consumo anual de energía [kWh / año]

>> β - Emisiones de CO2 en la generación de energía [kg CO2 / kWh]: dependiendo del país y las fuentes de energía utilizadas, β puede variar de 0,35 a 0,9 con un valor promedio mundial de 0,53 kg CO2 / kWh (fuente: IEA - Agencia Internacional de Energía )

TEWI, medido en kg de CO2 equivalente, representa el impacto del calentamiento global durante el ciclo de vida del equipo, que incluye:

Efecto directo, causado por la liberación de refrigerante durante la vida útil y su cierre;

Efecto indirecto resultante de las emisiones de combustible fósil utilizado para generar la electricidad necesaria para su funcionamiento.

En abril de 2015, “Ley de uso racional y gestión adecuada de los fluorocarbonos” entró en vigor, los usuarios están obligados a controlar las fugas de refrigerante. 

La verificación de fugas periódica no se aplica al CO2, con lo que aporta además un ahorro adicional en términos de mantenimiento.

 

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Por lo tanto, debido a que el CO2 tiene un GWP prácticamente despreciable en comparación con los refrigerantes HFC convencionales , debido a que factores comprendidos para la obtención del TEWI son también a su vez despreciables para estos equipos, y debido a que no se precisa una obligatoriedad en la detección periódica de fugas, así como la facilidad de abastecimiento y bajo precio del R744, la introducción de sistemas transcríticos funcionando con CO2 está siendo considerado en toda la cadena del frío, incluyendo tiendas de conveniencia y supermercados como una de las alternativas inminentes y de implementación a más corto plazo.

Como consecuencia, el mercado está demandando productos compatibles con las exigencias de las normativas, y hoy existe tanto una tecnología madura como componentes desarrollados para el sistema de refrigeración de CO2 transcrítico, siendo que a su vez esta tecnología, ha podido demostrar que además, en términos de ahorro energético y eficiencia el R744 es superior a los sistemas de refrigeración HFC del orden del 16,2% en MT y del 25,4% en BT. 

Además, en términos de emisiones anuales de CO2 también resulta superior en términos del orden del 56% en MT y del 63% en BT.

:: Comparando con el promedio de 6 tiendas funcionando con unidades multi-condensadoras inverter con R404A, factor de conversión de CO2 de la electricidad: 0.000579t-CO2 / kWh y tasa de fuga de refrigerante: 16%.

 

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Por lo tanto,  empresas con muchos años de experiencia acumulados en el desarrollo de equipos de refrigeración transcrítico con CO2, han sido capaces de desarrollar unidades que funcionan con componentes y algoritmos especialmente dedicados para tal propósito con un alto grado de investigación y desarrollo pudiendo en estos momentos ofrecer producto que encaja con la demanda del mercado. 

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2. ESQUEMA DEL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN CO

Las unidades de refrigeración que van a definirse a continuación están equipadas con componentes de alta fiabilidad desarrollados cada uno de ellos para obtener la mayor eficiencia del sistema. Adicionalmente una prolongada experiencia y la aplicación de tecnologías dedicadas, configuraran el resultado final del conjunto:

Compresor rotativo de doble etapa (patente Panasonic).

Intercooler o desuperheater.

Split-Cycle o economizer.

Tecnología de transferencia de presión constante.

Optimización de descarga de aceite del compresor.

Recuperación de calor

 

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Nota: Más de 10.000 unidades para MT y BT se han introducido en el mercado tras el lanzamiento del sistema de refrigeración de CO2.

3. COMPRESOR ROTATIVO DE ALTO RENDIMIENTO DE 2 ETAPAS 

El compresor de doble etapa al cual vamos a hacer referencia ha tenido que superar diferentes retos tecnológicos:

1. Alta presión de trabajo (120Bar).

2. Prevenir fugas internas derivadas de la alta presión a la que se somete.

La solución utilizada consiste en la utilización de doble pistón rotativo para la implementación de las dos etapas de compresión. 

 

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Al dividir el proceso de compresión en 2 etapas, no solo se consigue disminuir la diferencia de presión entre ambas, también se reduce la relación de compresión, ofreciendo mejoras tanto en el desplazamiento volumétrico (el cual se mantiene distinto en ambas etapas) como en la eficiencia. 

El refrigerante es progresivamente comprimido desde la etapa de mayor desplazamiento volumétrico a la de menor desplazamiento y el hecho de dividir el proceso de compresión, colabora a su vez en reducir la posibilidad de fugas internas ( y por lo tanto perdidas de rendimiento) que se dan en compresores de 1 sola etapa, alcanzando la más alta eficiencia de la compresión.

Otra medida adoptada consiste en la implementación de una presión intermedia durante este proceso. Para este efecto, la primera etapa de compresión es descargada en la carcasa del compresor donde se ajusta la presión interna a una presión intermedia. 

Esto permite diseñar una carcasa más ligera,  permitiendo que el espesor de la pared pueda ser un 35% más delgada que un compresor de una etapa. 

Además, dos pistones se colocan a 180 ° laterales y opuestos obteniendo una bajísima vibración y en consecuencia bajo ruido. 

Gracias a la posición de los pistones, se logra un volante de inercia y un par de rotación muy bajo, lo que contribuye a una rotación del eje suave y equilibrada, y permite el arranque del compresor con muy bajo par.

En el compresor rotativo de dos etapas, el gas proveniente de los servicios de MT o BT es aspirado en la primera etapa y posteriormente comprimido, siendo descargado en la propia carcasa del compresor desde donde es enviado a un primer intercambiador de aire (denominado “Inter-Cooler”). Este reduce la temperatura del gas de descarga en esta primera etapa de compresión. También la temperatura del aceite es reducida en este primer ciclo. 

Seguidamente, el gas desrecalentado entra en la segunda etapa de compresión siendo nuevamente comprimido y después enviado a un segundo intercambiador de aire (denominado “Gas-Cooler”).    

 

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El compresor, acostumbra a ser la parte más cara de un equipo. Todo lo anterior, se traduce en un compresor de alta fiabilidad contra la fatiga del material incluso con altas repeticiones de arranque y paro o condiciones extremas de trabajo, mejorando la eficiencia del sistema debido al bajo consumo energético que se precisa y reduciendo costes de mantenimiento o sustitución por rotura así como cortes inesperados de servicio para el supermercado.

 

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4. INTERCOOLER 

La adopción de un refrigerador Inter-Cooler es uno de los mayores méritos de compresión del ciclo de 2 etapas de CO2 transcrítico.

La temperatura final de descarga en el punto 2 después de pasar por el Inter-Cooler puede ser incluso más fría que la de un ciclo HFC estándar. 

La adopción del Inter-Cooler, al permitir reducir la temperatura de descarga en la primera etapa, colabora en consecuencia a impedir la generación de la oxidación del aceite o formación de  otros compuestos orgánicos y mejorar la durabilidad química en el ciclo de refrigeración. Esto también colabora a mantener la eficiencia durante toda la vida útil de la unidad debido a una inmejorable lubricación del compresor.

Al mantenerse el aceite en condiciones inmejorables, se facilita el retorno de aceite tanto al compresor, como el retorno de aceite procedente de la instalación.

Compresores de una sola etapa, no pueden reducir la temperatura de descarga a estos extremos, en consecuencia el aceite puede trabajar en peores condiciones.

 

 

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En la región transcrítica, comparando la isoterma comprendida entre (H2-H10) y (H6-H9) se observa que debido al efecto del Inter-Cooler (H10-H9) la temperatura en la segunda etapa de compresión es menor. 

Esto indica, que el efecto del Inter-Cooler trabajando con un compresor de doble etapa, funciona mejor que un compresor de una etapa desde el punto de vista de la eficiencia del compresor.

La compresión funcionando sin/con Inter-Cooler se reflejan en las ecuaciones (1) y (2).

El primer y segundo términos en el lado derecho de la ecuación (1) representan la compresión de la primera etapa y la segunda etapa de unidad de compresión.

W con IC = (h9 - h5) + (h2 - h10) (1)

W sin IC = (h5 h6-) = (h9 - h5) + (h6 - h9) (2)

A su vez, se constata que a un mayor tamaño de Inter-Cooler, puede lograr la mayor eficiencia, pero un tamaño adecuado y la ubicación de Inter-Cooler deben ser considerados cuidadosamente.

Sin embargo, un gas demasiado frio en la aspiración de la segunda etapa que se acerque a la línea de vapor saturado hace que pueda retornar líquido al compresor con posibles efectos contraproducentes. 

Esto debe ser especialmente controlado con temperaturas exteriores bajas. Como en cualquier compresor, la compresión de líquido debe ser evitada incluso asumiendo una alta robustez y fiabilidad del mismo.

Por esta razón, no todos los fabricantes de equipos que utilizan este tipo de compresores que pueden ser obtenidos en el mercado, pueden garantizar un funcionamiento óptimo sin esperar serios problemas.

Algoritmos especializados y una gran experiencia (más de10 años en nuestro caso utilizando esta tecnología) son importantes para una verdadera optimización del control del compresor, protegerlo adecuadamente y a su vez obtener la máxima eficiencia dotando al sistema en consecuencia de una alta fiabilidad.

5. SPLIT CYCLE 

En el “ciclo dividido” o Split-Cycle, una parte del refrigerante del circuito principal que sale del GAS-COOLER se “divide” para reducir la presión a la segunda etapa de aspiración y a la vez, sub-enfriar el líquido principal.

El refrigerante “dividido” pasa a través de una EEV y por lo tanto se le confiere a este refrigerante la habilidad de “sub-enfriar” el refrigerante destinado a los servicios mediante el intercambiador. 

A través del intercambiador de calor, se enfría el refrigerante del circuito principal, con lo cual al refrigerante del circuito principal se le confiere un mejora de rendimiento de refrigeración.

Además, mediante el retorno del gas dividido, el cual se encuentra evaporado, a la aspiración de la segunda etapa del compresor, la temperatura de mezcla del gas de aspiración se reduce, y esto hace posible que la temperatura de la presión de descarga puede mantenerse más baja confiriendo al sistema a su vez mas estabilidad.

 

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El SPLIT-CYCLE posee la capacidad de mejora el rendimiento de refrigeración colaborando en el ahorro de energía y el funcionamiento estable y de alta fiabilidad.

Este efecto, se vuelve más excepcional e indispensable para aplicaciones de BT.

6. CONTROL DE PRESIÓN CONSTANTE 

Como se ha visto, el “ciclo dividido” mejorar el rendimiento de refrigeración aunque todavía confiere problemas “a resolver” en el funcionamiento al conectar esta línea de alta presión con los servicios de MT o BT.

En el “ciclo dividido”, pueden darse cambios de presión en la línea de líquido con intervalos de 5 MPa a 10 MPa en función de la temperatura del aire exterior.

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Por lo tanto, en tales circunstancias será difícil estabilizar el control de la válvula de expansión del evaporador y también la selección de la misma se podrá ver comprometida, si bien una vez el sistema entra en régimen, esta circunstancia deja de tener tanta relevancia.

Incluso así, si queremos dotar al sistema de la mejor estabilidad, debemos resolver  dicho problema. 

En las unidades de condensación se adopta la solución de “control de ajuste de presión constante”, mediante la cual la presión de la línea de líquido del refrigerante, entre la unidad de condensación y la válvula de expansión del evaporador, se suministra prácticamente siempre a la misma presión.

Una vez que el refrigerante es enfriado por el Gas-Cooler llega a una válvula de expansión, la cual mantiene la presión de la línea de líquido aproximadamente a 6 MPa pero esto se realiza conjuntamente con la ayuda del Split-Cycle que colabora en la reducción de la presión haciendo al sistema más eficiente. Después se envía al evaporador.

 

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Como consecuencia, además, esta racionalización permite disminuir el diámetro de la tubería debido a la necesidad de transferir ahora menos presión. De este modo la instalación en términos económicos, es más asequible dada la reducción tanto en mano de obra, como en material.

7. ACEITE, OPTIMIZACIÓN Y CONTROL 

La optimización de la cantidad de aceite que puede recuperarse puede mejorar la eficiencia del ciclo evitando problemas que limitan la transferencia de calor en los evaporadores o colaborando en la correcta lubricación del compresor.

Desarrollando un sofisticado control del compresor junto con otros elementos, es posible alcanzar una eficiencia de separación de aceite en la unidad de CO2 del 94% @ maxHz a 99% @ minHz.

Además, un control de nivel de aceite especialmente dedicado y el control a través de algoritmos de una EEV permite retornar al compresor incluso la cantidad mínima de aceite del separador.

Este aceite, como se ha dicho anteriormente, es enfriado tras abandonar la primera etapa de compresión a través del Inter-Cooler. No obstante, no solo en esta fase el aceite es enfriado, también, tras abandonar la segunda etapa de compresión y tras ser reconducido al Oil-Cooler se devuelve al cárter del compresor de nuevo. Esto ayuda a mantener el aceite en las mejores condiciones de trabajo, y a reducir la temperatura del compresor, aumentando a su vez, su eficiencia.

Adicionalmente y para seguir mejorando la eficiencia del retorno del aceite, es incluso aconsejable desarrollar un aceite especialmente diseñado; esto es posible al utilizar un aceite PAG (Poli-Alquilen-Glicol) de doble terminación asimétrica incluyendo aditivos químicos específicos pensados para este tipo de compresor de 2-etapas que mejoran todas sus características técnicas y su fiabilidad transmitiendo estos beneficios al sistema.

Como sólo una pequeña cantidad de aceite (1% @ Min-Hz) se escapa de la unidad, viajando a través de la instalación, se favorece la eficiencia energética del sistema debido a la pequeña cantidad de aceite que se espera en los evaporadores al tiempo que garantiza la lubricación del compresor en cualquier situación.

Elementos preventivos como un filtro secador y un filtro de aspiración son aconsejables, además se recomienda mantener las velocidades de refrigerante apropiadas en línea de aspiración vertical superiores a 7,6m/s y superiores a 3,8m/s en horizontales. Líneas de líquido entre 0,5 y 1m/s. Adicionalmente mantener pendientes en dirección al flujo de refrigerante entre 1/200 y 1/250, y también es recomendable utilizar sifones y contra-sifones aproximadamente cada 6mts.

Teniendo en cuenta que el promedio de los tiempos de funcionamiento de las instalaciones se mantiene normalmente con cargas parciales bajas, significa que la cantidad de aceite que en realidad vamos a mover por el sistema se mantendrá baja teniendo en cuenta al menos un ciclo de trabajo consecutivo del compresor de 10 minutos ON y 3 minutos y OFF.

 

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8.CONCLUSIONES 

Desde el punto de vista de la prevención del calentamiento global, se requiere el desarrollo de sistemas eficientes, que procuren un ahorro de energía y sean altamente respetuosos con el medio ambiente (con bajo GWP), con el fin de hacer frente a las demandas que requiere la cadena de frío en las tiendas de conveniencia y supermercados.

Mediante el desarrollo de un compresor de doble etapa, un “ciclo dividido” y en combinación con otros componentes tecnológicos y los algoritmos adecuados para el control del sistema de refrigeración de CO2, se puede lograr una alta fiabilidad y alta eficiencia global.

Al lograr que la presión de la línea de líquido se mantenga sustancialmente constante con la tecnología de transferencia de presión constante, se hace posible estabilizar el control de la válvula de expansión y en sí, el sistema. Como resultado, la alta eficiencia del “ciclo dividido” y el control de la válvula de expansión estable del ciclo de expansión se realizan al mismo tiempo.

Cuando se llevaron a cabo las pruebas de durabilidad de las unidades de refrigeración de CO2, las condiciones de piezas de desgaste, resistencia de tubos capilares, índice de acidez total de aceite, etc, se investigó, alcanzándose resultados con altos estándares de calidad y durabilidad.

Estos resultados favorables fueron aportados por la reducción de la temperatura de descarga debido a la adopción del Inter-Cooler.

Compresores de dos etapas, con unas ventas globales de más de 1,2 millones de unidades, han demostrado su excelente eficiencia y fiabilidad.

En un futuro próximo, la tecnología, la investigación, la normativa, la formación y la popularización de los equipos de CO2 transcrítico, favorecerán su implantación.

Los sistemas, serán cada vez más asequibles, y se implementara la recuperación de calor rápidamente debido a las características especiales del CO2 para producir agua caliente mejorando aún más la eficiencia energética global del sistema de refrigeración. El suministro de agua caliente que utiliza el calor residual de la unidad de condensación de CO2, será promocionado por algunos países miembros, contribuyendo a la conservación del medio ambiente global.

 

 

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