17 Mar EL CO2 COMO REFRIGERANTE
El CO2 es un gas refrigerante que tuvo su apogeo en el campo de la refrigeración y climatización en el siglo pasado, justo después de la I Guerra Mundial y sólo en fechas relativamente recientes ha experimentado un renacimiento. En la actualidad, se denomina como R-744 siguiendo la nomenclatura estándar de la ASHRAE (Sociedad de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire acondicionado de Estados Unidos), referencia en todo el planeta.
El Standard 34 de la ASHRAE clasifica a los compuestos inorgánicos empleados en refrigeración con la serie numérica R-700, a la cual les suma el peso molecular del compuesto. El CO2 tiene un peso molecular de 44 (C – 12, O – 16), lo cual explica la denominación de R-744 para este gas.
El CO2 regresa empujado por el agujero de la capa de ozono y la normativa medioambiental
En su momento, a finales del S.XIX y principios del S.XX, el CO2 se podía obtener con relativa facilidad y a bajo coste en procesos industriales como la fermentación de bebidas alcohólicas. Esto, junto a sus propiedades termodinámicas, y su nula toxicidad e inflamabilidad, lo hicieron uno de los refrigerantes más usados en la conservación de alimentos antes de la aparición de los refrigerantes CFCs y HCFCs.
A pesar de su alta seguridad, el CO2 tenía una complejidad respecto a los CFCs y HCFCs, y es su uso a elevadas presiones. Las presiones de uso en los circuitos frigoríficos de estos últimos son mucho menores y fueron percibidos como más seguros y eficaces para una amplia gama de aplicaciones.
No es sino unas décadas más tarde, cuando se empiezan a observar los nocivos efectos de los CFCs en la capa de ozono, que la normativa medioambiental y protocolos internacionales como el de Montreal o Kyoto ponen un límite al uso de los mismos, junto a sus sustitutos HCFCs y HFCs (éstos refrigerantes sustituyen la molécula de cloro y por tanto, no dañan la capa de ozono, pero sin embargo su uso es sancionado en Kyoto debido a su alto potencial de causar efecto invernadero y contribuir al calentamiento global).
Es a consecuencia de la normativa medioambiental cuando empieza a considerarse de nuevo el uso de CO2, ya que su uso como refrigerante implica un potencial de calentamiento global mucho más bajo que los refrigerantes mencionados anteriormente, además de no destruir la capa de ozono.
Características del CO2
El CO2 o R-744 se considera como un refrigerante L1, es decir, de alta seguridad, según el RSIF. Sin embargo, tiene especificaciones únicas debido a sus condiciones de trabajo a elevadas presiones. Esto lo podemos estudiar observando el diagrama de fases del CO2:
El punto triple del CO2
El punto triple es aquel punto en el diagrama de Presión y Temperatura en el cual coexisten las 3 fases posibles de un compuesto (líquido-vapor-sólido). Debajo de este punto, la campana de saturación (equilibrio líquido-vapor) pasa a rectángulo de sublimación (equilibrio sólido-vapor).
Todos los compuestos tienen un punto triple, el gran problema es donde se encuentra el del CO2: A -56,6ºC y 5,2 bar. Esto implica que a presión atmosférica se encuentra en una mezcla sólido-vapor. Por tanto, para que ocurra la evaporación, el refrigerante en estado líquido deberá entrar en el evaporador a presiones elevadas y no comunes en el resto de sistemas frigoríficos.
El punto crítico del CO2
El punto crítico se define como aquella combinación de temperatura y presión más elevadas a la que el líquido y el gas (de una sustancia pura, como nuestro CO2) pueden coexistir. Al
igual que con el punto triple, éste se encuentra a diferentes temperaturas/presiones para cada sustancia. En el caso del caso del CO2, el punto crítico se encuentra a 31,1ºC y 73,6 bar, como se refleja en el diagrama de fases).
Una vez superado este punto, el fluido ya no se puede condensar, sólo desrecalentar.
Si tuviésemos un líquido de una sustancia en un depósito sellado a una determinada presión elevada (la necesaria para llegar al punto crítico) y empezáramos a calentarlo, empezaría a disminuir la densidad del líquido y aumentar la del gas hasta llegar a la temperatura crítica, en la que ambas se igualarían (al igual que otras propiedades físicas). En este punto la superficie (menisco) que distingue a la fase líquida de la gaseosa, desaparecería, haciendo a ambas fases indistinguibles. Además cesaría la producción de calor latente, con importantes implicaciones para nuestra sistema de refrigeración.
Algunos tipos de circuitos del CO2 trabajan por encima del punto crítico, son los conocidos como circuitos transcríticos.
Consecuencias del punto crítico y punto triple en los sistemas con CO2
- A las temperaturas de condensación habituales (T>35ºC), el refrigerante estaría trabajando a un estado supercrítico, y por tanto no podríamos aprovechar su calor latente. El gas sólo podría desrecalentarse, así que sólo habría intercambio de calor sensible.
- La solidificación del CO2 empieza a presiones inferiores a 5,2 bar. Si la presión del CO2 bajase de ese valor, aparecería la nieve carbónica (es la que encontramos en los polos del planeta Marte), que obstruye válvulas, filtros y tuberías.
- La carga del CO2 ha de realizarse primero en vapor hasta alcanzar los 5,2 bar, y una vez alcanzado este punto, ya se puede introducir el refrigerante en estado líquido.
- Las válvulas de seguridad no deberían instalarse en zonas donde haya líquido, ya que si hubiese una fuga, el CO2 se solidificaría inmediatamente al entrar en contacto con la atmósfera, taponando la válvula y generando una sobrepresión.
Otras características del CO2 y la instalación
- La elevada densidad del CO2 hace que el volumen de refrigerante que necesite comprimir y hacer circular por el circuito un compresor para obtener una misma potencia frigorífica, sea menor que con otros refrigerantes. Esto implica que los compresores, recipientes de líquido y las líneas de conducción del refrigerante sean bastante más pequeñas que en circuitos frigoríficos que emplean otros refrigerantes usados en la actualidad, como el R-134a o el R-410A. Igualmente hace falta introducir menos cantidad de refrigerante que en otros sistemas.
- La válvula de seguridad se suele colocar en el exterior del edificio para liberar el CO2 y en ningún caso se debe conectar un tubo al orificio de salida de la misma.
- Se suelen usar aleaciones especiales de cobre reforzado para resistir altas presiones, como el cobre K65, para sistemas de refrigeración con CO2.
- Hay que enfriar las botellas cuando se empiece a cargar líquido para evitar una gran evaporación tras pasar por el manorreductor – y habrá que además poner en marcha el condensador de inmediato.