Las referencias históricas de este fluido las debemos a R. Thévenot [3]. Licuado por
primera vez por el británico Michael
Faraday (1791-1867)
en el primer
cuarto del siglo
XIX, es el
francés Charles Ange Thilorier (1797- 1852)
quien lo solidifica
en 1834. Éste último paso puso a punto
la "mezcla Thilorier", nieve
carbónica + eter, que permitía alcanzar una temperatura de -20ºC.
Fue trabajando con el co2 cuando el británico Thomas Andrews
(1813-1885) descubrió en 1862, el concepto fundamental del punto crítico. En lo que se refiere
a los ingenieros, el
primer compresor
de CO2, fue puesto a punto en 1866 por el americano Thaddeus Sobieski Coulincourt
Lowe (1832-1913).
Muy pronto en competencia
con el amoniaco (Carls von Linde-1877), el CO2, tuvo, sin embargo, unos principios difíciles. En
razón de su inocuidad, fue preferido al amoníaco
en las construcciones
de la Marina Británica.
En 1918, el americano
Voorhes, luego en 1920 el alemán Plank, propusieron,
ciclos mejorados para compensar los
inconvenientes del bajo punto crítico del CO2,. Los
fabricantes trataron incluso de adaptar las pequeñas máquinas frigoríficas al CO2,.
Este fue el caso en Francia, donde Dyle y Baccalan propusieron, hacia
1920, las "frigorettes"
de CO2, cuyas potencias frigoríficas estaban entre 2.000 y 15.000 fg/h (2,3 a 17,4 kW).
En 1929, los alemanes Planck y Kuprianoff
publicaron la primera recopilación de las propiedades generales del CO2, en sus fases gaseosa, liquida y sólida. En 1930 con
la llegada del R12, se acelera el declive del CO2,. En cambio,
se asiste en 1924-1925, en el continente norteamericano (Canadá, luego Estados Unidos), al inicio de la industria de la
nieve carbónica,
actualmente presente
siempre en los países industrializados
del mundo.
Seguidamente se indican algunas particularidades del CO2:
• Coordenadas criticas: temperatura crítica = 31,06°C
(muy baja),presión crítica de 73,83bar y volumen específico crítico =0,00216 m /kg.
• Coordenadas del punto triple: temperatura del punto triple =-56,6°C
(es alta); presión del punto triple= 5,18
bares.
A la presión atmosférica del C02 se sublima a -78,8C. Entre estos puntos, el dominio de temperaturas donde se puede encontrar el CO2, en fase líquida es particularmente reducido: 87,66K, muy inferior a los del agua= 374K, del propano = 284K,del amoniaco:= 210K, del R-22: =256K, del R-134a: =202K.
La baja temperatura del punto crítico es un inconveniente particularmente
severo. En efecto, teniendo en cuenta la temperatura de los medios
naturales de enfriamiento
(aire y agua) de que se dispone,
prácticamente nunca es
posible condensar el CO2, como se hace comúnmente con los fluidos cuyos puntos críticos son mucho más elevados.
Utilizando estos medios de enfriamiento, se
está en la
obligación de utilizar ciclos frigoríficos específicos, que algunos denominan <<transcríticos>> pero que será mejor denominar "circumcríticos" puesto que, el C02
evoluciona alrededor de su punto crítico.
Estos ciclos son una particularidad termodinámica del uso de este fluido. El punto triple, muy alto en relación con el de otros refrigerantes, es mucho menos inconveniente pues las necesidades del frío por debajo de -55°C son poco corrientes.
La tabla siguiente
proporciona algunas características termodinámicas del CO2, comparados con las de otros refrigerantes.
Se observa, en
el caso del CO2, presiones de vapor particularmente elevados, relaciones de compresión
reducidas, saltos
de presión entre la alta y la baja presión muy
elevadas y volúmenes específicos de vapor reducidos.
¿CUALES SON LOS MODOS DE UTILIZACIÓN DE CO,?
Como fluido activo (refrigerante) de un sistema frigorífico, se puede utilizar el dióxido de carbono como refrigerante
único de un sistema frigorífico o como refrigerante asociado a otro fluido activo.
REFRIGERANTE UNICO DEL SISTEMA FRIGORÍFICO
Cuando sea el único fluido de un sistema, el CO2,
al no ser condensable en el intercambiador enfriador por medios naturales, puesto
que la temperatura es
generalmente superior al punto crítico, convierte a
este intercambiador en
un enfriador de vapores de CO2, y no en un condensador; vapores que están, normalmente, bajo gran presión.
Los ciclos seguidos por el
CO2, se sitúan en parte en la zona "subcrítica" (en el
evaporador) y en parte
en zona "supra-crítica"
(el enfriador de gas). Aquí reside la originalidad de
los ciclos frigoríficos que utilizan CO2,.
REFRIGERANTE ASOCIADO A OTRO FLUIDO ACTIVO
Su temperatura de evaporización corresponde
entonces a las
necesidades de frío a baja temperatura. Así es posible producir temperaturas bastante bajas, digamos de -30 a --55ºC''. Su intercambiador "caliente", que es enfriado por la máquina de "alta temperatura" muy por debajo de punto crítico, por ejemplo en un intervalo que puede ir de -10
a - 20°C, es en tal caso un condensador. El ciclo que sigue es por lo tanto perfectamente
clásico. La máquina de "alta temperatura" puede utilizar cualquier
refrigerante: NH,,HFC o HC.
Como fluido frigorífero (secundario), el C01 es en ese caso utilizado no como fluido
activo del sistema frigorífico sino como fluido frigorífero difásico (liquido + vapor) o "liquivap" para transportar frío a baja temperatura. Conjuntamente, en una misma instalación, puede ser utilizado como refrigerante y como
fluido frigorífero. El sistema, con
dos niveles de temperatura útiles, es en este caso la combinación de 3 circuitos distintos:
l. El circuito
frigorífico de la unidad "alta temperatura" de un sistema de cascada que utiliza cualquier fluido refrigerante autorizado (NHJ, HFC o HC), que produce frío a primer nivel (alto) de temperatura y asegura también la condensación
del CO2 de la maquina de "baja temperatura".
2. Un circuito secundario conteniendo fluido frigorífero, con
circulación por
bomba, enfriado por esta máquina de "alta temperatura" y que transporta el frío a los recintos que utilizan este
primer nivel de temperatura. El fluido
frigorífero puede ser también CO2 utilizado como fluido frigorífico difásico (liquido+ vapor) o "liquivap".
3. El circuito frigorífico de la máquina
de "baja temperatura" del sistema en cascada, en el que el refrigerante es el CO2 y que enfría los recintos que utilizan el segundo nivel (bajo) de temperatura.
Un sistema
así ha sido realizado en determinados almacenes de distribución "gran superficie".
PARTICULARIDADES
DE LOS CICLOS FRIGORÍFICOS DEL CO2
En lo que sigue se examinarán, sobre
todo, los ciclos frigoríficos donde únicamente el C02 es utilizado como refrigerante (sistema "mono refrigerante"). Los diversos sistemas estudiados son, en primer lugar, representados esquemáticamente. Los ciclos que sigue
el CO2 en estos sistemas son, a continuación, representados, bien en el diagrama entálpico, p-h, bien en el diagrama entrópico, T-s. Estos ciclos han sido calculados
sobre los diagramas termodinámicos disponibles de CO2; su aspecto es por lo tanto conforme con la realidad. Para simplificar, se considera en lo que sigue que las compresiones sean ideales, es decir, isentrópicas.
Representación, en el diagrama entálpico p-h, de 3 ciclos monoetápicos con CO2. El primero " 1 .. 2 .. 3 .. 4" es un ciclo clásico "subcrítico".Los otros dos son ciclos circumscríticos"
de altas presiones, respectivamente iguales a 100 y 120 bar.
CICLOS CON UNA
SOLA ETAPA DE COMPRESIÓN
Se trata de ciclos
donde únicamente aparecen dos presiones (ciclos "dibares"). Estos se pueden consultar, al menos los que son más sencillos.
CICLO
MONOETAPICO SIMPLE
Los vapores formados son seguidamente comprimidos hasta la alta presión pk en el compresor CP. Todo lo cual es muy clásico y continuará siéndolo
si el enfriamiento del
intercambiador de
evacuación térmico RF se hiciera a temperatura suficientemente baja
(30°C o menos)
que jugara el papel de condensador CD. El líquido formado sería entonces
admitido en la válvula de expansión DT como es lo habitual. No hay nada especial que decir. Subrayemos, sin embargo, que la variación de entalpía durante el
desrecalentamiento
de los vapores en
sensiblemente mayor
que la entalpía de condensación.
Cuando se puede beneficiar de una temperatura
"subcrítica" antes de la válvula de expansión, las mejores
condiciones de descarga son las que corresponden a la presión
de saturación del fluido propias de esa
temperatura; como para los otros refrigerantes en suma. Utilizar presiones de descarga
superiores transformando así el ciclo "subcrítico"
en ciclo "circumcrítico" es siempre
desfavorable. Es el caso de temperaturas de entrada la válvula de expansión
supracríticas, existe un óptimo de presión de descarga que depende de esta
temperatura aunque también de la temperatura de evaporación. La máxima está situada
entre 80 y 110 bar (8 y 11 MPa), no parece necesario utilizar presiones más
elevadas.
Los coeficientes de eficiencia reales son
evidentemente más reducidos puesto que deben ser multiplicados por el
rendimiento efectivo de la compresión isoentrópica del
compresor de tornillo, rendimiento que varía con
la naturaleza del compresor y las condiciones de funcionamiento.
En el caso del ciclo monoetópico simple
utilizado en termobomba, los coeficientes de eficiencia calorífica teóricos de
estos ciclos son superiores en una unidad a los coeficientes de eficiencia
frigorífica teóricos:
CICLO MONOETÁPICO (DIBARICO) CON SUBENFRIAMIENTO
ACENTUADO
Se
sabe que, con diversos refrigerantes, puede ser ventajoso utilizar un
intercambiador liquido-vapor para acentuar el subenfriamiento del líquido antes
de la válvula de expansión, gracias al frio que contiene todavía el vapor
aspirado
Más que una ventaja termodinámica, que
generalmente queda escasa, este sistema persigue frecuentemente un principio
práctico: utilizar mejor el evaporador con recalentamiento sin riesgo de arrastrar
líquido al compresor. El calor así extraído es transmitido al vapor de baja
presión que se calienta de 6 a 1 antes de entrar en el compresor.
En el ejemplo, que está representado en el
diagrama p-h, se ha supuesto que la temperatura del punto 1 era de 30°C
lo que en relación con el punto 3, a 35°C, corresponde a un acortamiento
realista de 5K del lado caliente del intercambiador ERA.
CICLO TRIBARICO CON SUBENFRIAMIENTO ACENTUADO,
CON DOS COMPRESORES EN PARALELO Y DOS DISPOSITIVOS DE LAMINACIÓN EN SERIE.
El ciclo tribárico de subenfriarniento acentuado
es utilizable con otros refrigerantes distintos que el CO2 aunque es
particularmente interesante con este refrigerante.
Esta es la mezcla de vapores descargada por
estos dos compresores que es admitida, en 3, en el enfriador RF. El interés de
este ciclo es doble. La válvula de expansión (DT2) ya no es ahora alimentada para
vapor a + 3SOC sino por liquido a mucha más baja
temperatura (en este caso liquido saturado en el
punto 8, liquido que se encuentra a+ l5°C en el ejemplo elegido). Una mayor
cantidad de frío es producida por kilogramo
de refrigerante vaporizado en el evaporador E V.
El vapor formado durante la primera expansión únicamente experimenta la
compresión P; Se observa que en las
proximidades de ese óptimo, el compresor auxiliar cp, absorbe una potencia
(teórica) de alrededor 4 o 5 veces menor que la absorbida por el compresor
principal CP1.
CICLOS
TRIBARES CON DOS ETAPAS DE COMPRESIÓN EN SERIE
Los ciclos tribares de dos etapas de compresión
en serie, que con otros refrigerantes, especialmente el amoniaco, se convierten
rápidamente en indispensables cuando la
relación de compresión se eleva, parecen, desde
este punto de vista, menos necesarios con el CO2. No obstante, son
recomendables con este fluido para mejorar el coeficiente de eficiencia
frigorífica, más modesto con el CO2, en razón a su bajo punto crítico.
CICLO
BIETÁPICO DE EXPANSIÓN ÚNICA
Este ciclo es conocido con el nombre de
"ciclo de Planck". Los vapores
que salen del evaporador EV son aspirados, a la presión po por el compresor de
"baja presión" CBP que
los comprime, hasta 2, a la presión intermedia p;. Estos vapores son admitidos
en el enfriador RF donde su temperatura es reducida hasta 81 en este caso (81 =
35°C por ejemplo). Los vapores subenfriados son aspirados por el compresor de
"alta presión" CHP que los comprime hasta 4 a la presión pk. Son,
entonces, de nuevo subenfriados en el intercambiador RF hasta 8s (supuesto aquí
igual a 81). El refrigerante es entonces expandido, de 5 a 6, en el único dispositivo
de expansión DT que alimenta al evaporador.
Para este ciclo, en relación con el ciclo simple
monoetápico, la ganancia de COPF es del orden del 11 %. Esta ganancia,
relativamente modesta, tiende a la expansión única que no permite aumentar la
producción de frío por kilogramo de refrigerante
CICLO BIETÁPICO CON DOBLE EXPANSIÓN
El ciclo bietápico del doble expansión (ciclo de
inyección total) es muy conocido y ampliamente utilizado con otros
refrigerantes, especialmente el amoniaco. Aunque en general, aplicado para la
producción de frío a temperatura muy baja (-20 a -40°C), puede ser
ventajosamente empleado con el CQ, para la producción de frío a temperatura menos
baja. El esquema de la figura 13, con recipiente intermedio Bl, es
completamente clásico.
La relación de caudales másicas de dos
compresores (en este caso 5/3) es sensiblemente mas elevada que para otros
refrigerantes. Habida cuenta de los volúmenes específicos de los vapores de las
dos etapas, la relación de caudales volumétricos aspirados por la maquina es VBPNHP
= 12/10. Para el ejemplo dado, la ganancia del coeficiente de eficiencia
frigorífica de este ciclo respecto del ciclo simple es mayor de 17%. Esta
ganancia, mucho más importante que en el caso del ciclo precedente, aporta
ventajas que procuran el enfriamiento del liquido a continuación de la primera
expansión y enfriamiento del vapor salido del compresor de baja presión.
Las inversiones que esto requiere son
evidentemente mas importantes. El ciclo que se denomina "ciclo de
Voorher" es muy parecido a este ciclo en cuestión pero sin enfriamiento de
los vapores procedentes del compresor de "baja presión".
CICLO CON DOS REFRIGERANTES, DE LOS CUALES UNO
ES EL CO2
La figura representa un sistema frigorífico "en
cascada" que comprende:
• Un circuito frigorífico de "alta
temperatura", 1, que utiliza un reftigerante cualquiera F1 (NHJ,
HFC, HC. .. ) fácilmente condensable, en CD 1, gracias a los medios naturales
de enfriamiento (las condensaciones se efectúan a nivel térmico Tk, temperatura
que, según estos medios, puede llegar a ser de 30 a 50°C). Produce frío a un
primer nivel frigorífico utilizable To (por ejemplo de O a -15°C).
En el ejemplo de la figura, el evaporador EV1 de
este circuito enfría al condensador CD2
donde se licua el refrigerante F2 del circuito frigorífico 2 de la cascada;
• Un circuito frigorífico de "baja
temperatura", 2, que utiliza el CO2 como refrigerante F1. El
nivel To de enfriamiento de su condensador está muy por debajo del punto
critico de este fluido, la condensación del CO2 no presenta, entonces,
ningún problema. El circuito
2 produce frío útil a nivel de temperatura To
mediante la vaporación del C02 en los evaporadores EV2, EV2' ,--.Su ciclo
termodinámico es entonces completamente
"subcrítico".
• Un tercer circuito, el circuito secundario
o frigorífero, que no está obligatoriamente presente siempre aunque se encuentre
frecuentemente cuando existe la necesidad de frío utilizable a nivel de
temperatura To. El fluido frigorífero que circula gracias a la bomba PFP puede
ser monofásico (salmuera, solución glicolada, alcoholica o amoniacal...)
difásico liquisol (agua o solución acuosa+ hielo) difásico liquivap, entonces
se utiliza el CO2 liquido en presencia de su vapor. El frigorífero es
enfriado en el intercambiador de enfriamiento ERF, mediante el evaporador EVI'
del primer circuito frigorífico.
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