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Internacional. ¡Los refrigerantes naturales han llegado para quedarse! Y con ellos han emanado nuevos desafíos en la industria HVAC/R. El “precio a pagar” por evitar refrigerantes con alto potencial de calentamiento global no es tan bajo: alta presión, inflamabilidad y/o toxicidad.

La búsqueda de sistemas cada vez más eficientes presenta un desafío adicional. En este contexto, la elección de las tecnologías adecuadas para optimizar el uso de refrigerantes naturales se vuelve esencial. Las siguientes cinco preguntas pueden ser un buen punto de partida a la hora de diseñar un sistema:

1. ¿Qué refrigerante natural es el más adecuado para mi aplicación? Esta pregunta es generalmente fácil de responder, considerando las diferentes características de cada tipo de refrigerante natural. Se ha demostrado que los hidrocarburos son refrigerantes adecuados para unidades pequeñas, como enfriadoras de bebidas o unidades plug-in, donde la carga de refrigerante es lo suficientemente baja como para que los problemas de inflamabilidad sean menos relevantes. El CO2 ha comenzado a ser ampliamente utilizado en aplicaciones que van desde sistemas centralizados en supermercados hasta sistemas de aire acondicionado para vehículos. El amoníaco se ha utilizado principalmente en refrigeración industrial durante muchos años, sin embargo, su uso se está extendiendo ahora a otras aplicaciones, como la refrigeración comercial como fluido secundario. En cualquier caso, los desarrollos tecnológicos permiten el uso de refrigerantes en aplicaciones donde antes no se habían utilizado, por lo que se recomienda un estudio detallado de los requisitos de cada sistema antes de elegir el refrigerante.

2. ¿Dónde se ubicará la aplicación? Por un lado, a la hora de utilizar CO2, es importante conocer las condiciones climáticas del lugar donde se ubicará el sistema. Generalmente, para sistemas con un condensador/enfriador de gas ubicados al aire libre, la temperatura exterior puede determinar el tipo de ciclo y tecnología más adecuados. En la práctica, si la temperatura exterior alcanza la temperatura crítica de CO2 (31,2 °C), el sistema funcionará en modo transcrítico (excepto para sistemas en cascada o bombeados) y, por tanto, la eficiencia será menor. Existen diferentes tecnologías disponibles que pueden ayudar a aumentar la eficiencia a altas temperaturas: compresores en paralelo, eyectores, FTE...

Por otro lado, instalar el equipo al aire libre y/o fuera del alcance de las personas cuando se utiliza un refrigerante inflamable o tóxico (hidrocarburos: inflamable; amoníaco: tóxico y levemente inflamable) puede facilitar el cumplimiento de las normas pertinentes y hacer que la instalación sea más segura.

3. ¿Qué regulaciones y estándares deben respetarse? Este es uno de los problemas más difíciles de afrontar. En cuanto a las normativas, actualmente están enfocadas a reducir el impacto de los refrigerantes en el calentamiento global, por lo que el uso de refrigerantes naturales no solo no está prohibido sino que es muy recomendable. Por lo tanto, se debe prestar especial atención a las normas de seguridad.

Las normas de seguridad que se deben cumplir al utilizar refrigerantes naturales dependen de la aplicación, el tipo de refrigerante y el territorio. Existen normas generales, como la EN 378 en Europa, y normas de productos, como la EN 60335-2-89 para aparatos de refrigeración con una carga de refrigerante definida. Estos incluyen principalmente requisitos especiales para sistemas que utilizan refrigerantes inflamables, pero también existen algunos requisitos para sistemas con CO2.

Este tema se ha detallado en varias publicaciones anteriores: publicaciones en el blog y white papers.

4. ¿Qué tipo de ciclo debo diseñar? La evolución de los refrigerantes naturales ha dado lugar a diferentes tipos de sistemas para cada refrigerante.

Partiendo del diseño tradicional con CO2 (compuesto fundamentalmente por un compresor, una válvula de expansión y dos intercambiadores de calor), su baja eficiencia ha llevado al desarrollo de diferentes alternativas.

Por un lado, es posible mantener el CO2 en un estado subcrítico diseñando un sistema en cascada o de bombeo. En estos casos, el CO2 se usa en un circuito secundario de baja temperatura: ya sea compresión de vapor (sistema en cascada), circuito bombeado de CO2 líquido (sistema bombeado) o ambos (sistema híbrido).

Por otro lado, los sistemas de CO2 transcrítico pueden tener evaporación simple o doble, este último se denomina sistema booster. La primera opción aplicable para ambos sistemas consiste en agregar dos válvulas y un recipiente al diseño tradicional, de modo que se pueda lograr el control simultáneo de la presión del enfriador de gas y el sobrecalentamiento del evaporador, ambos esenciales para optimizar la eficiencia de los sistemas de CO2 transcrítico. Sin embargo, esta solución se puede hacer aún más eficiente agregando compresores paralelos, de modo que el refrigerante que proviene del recipiente ya no se expanda sino que fluya directamente a los compresores en la línea paralela. Si se agrega un eyector al diseño de tres válvulas con compresión paralela, el rendimiento del sistema mejora aún más, sobre todo en los climas cálidos. En términos simples, un eyector es un dispositivo capaz de utilizar la energía potencial del refrigerante de alta presión para extraer refrigerante de baja presión y llevarlo a una presión intermedia, reduciendo así la relación de compresión y el caudal manejado por el compresor. Trabajar con un sistema de tres válvulas con un recipiento de líquido multinivel y evaporadores de sobrecalentamiento cero K (FTE) es otra forma de aumentar la eficiencia en los sistemas de refuerzo.

Diseño de un sistema de CO2 transcrítico con eyector

En cuanto al propano, el ciclo tradicional con un compresor, una válvula de expansión y dos intercambiadores de calor suele funcionar incluso mejor que con los refrigerantes HFC. Existe otra opción que consiste en realizar un sistema multicircuito, utilizado cuando la carga de refrigerante es superior al límite máximo de carga permitido por la norma de seguridad correspondiente.

Por último, existen diferentes tipos de sistemas que se pueden utilizar con amoníaco como refrigerante y que se han implantado con éxito en el mercado. Los sistemas de refrigeración por absorción de vapor de amoníaco son uno de los sistemas de refrigeración más antiguos, pero actualmente no son muy populares debido a su baja eficiencia. Los sistemas de compresión de una etapa comprenden los mismos componentes que un sistema de refrigeración tradicional, además de una bomba y un separador de líquido, para garantizar que el compresor no reciba ningún líquido. Los sistemas de compresión de dos etapas son la siguiente evolución de los sistemas de refrigeración industrial, adecuados para aplicaciones de refrigeración de baja temperatura, proporcionando alta eficiencia y bajas temperaturas de descarga del compresor.

Además, en los últimos años han surgido sistemas de amoníaco de baja carga. Por un lado, los sistemas con amoníaco optimizados comprenden un sistema de refrigeración industrial tradicional optimizado por componentes de baja carga. Por otro lado, un sistema de amoníaco compacto elimina las grandes cantidades de existencias de amoníaco y tuberías al pasar a sistemas autónomos más pequeños que generalmente se colocan en el techo/suelo en el exterior, evitando cualquier peligro debido a fugas.

El amoníaco también se elige como refrigerante en los sistemas en cascada tradicionales y de baja carga, normalmente en el lado de alta temperatura, lo que limita su uso a la sala de equipos.

Diagrama P-H de un sistema de refrigeración con R-717 y dos etapas

5. ¿Se puede mejorar la eficiencia energética? Si ya has elegido el ciclo a diseñar, es posible que también hayas pensado en incorporar tecnologías de alta eficiencia. Estas, combinadas con un sistema de control y supervisión eficiente, pueden ser clave para obtener un sistema con rendimiento optimizado.

Por un lado, los compresores de capacidad variable con tecnología inverter proporcionan la mejor manera de evitar ciclos de encendido/apagado ineficientes que reducen la eficiencia estacional del compresor. Esto significa que, a carga parcial o en condiciones de carga baja, un compresor accionado por inverter adapta su capacidad de refrigeración a los requisitos del sistema sin detenerse por completo. La solución ideal es combinar compresores de capacidad variable con válvulas de expansión electrónica (EEV), que aportan ahorros de energía debido a la optimización adaptativa de los parámetros operativos del sistema.

Hay otros componentes que pueden aumentar la eficiencia y se utilizan principalmente en sistemas de CO2. Un subenfriador aprovecha la temperatura del gas después de la expansión en la válvula flash para enfriar el refrigerante líquido antes de la EEV. Un economizador es un tipo de subenfriador que extrae una pequeña cantidad de CO2 de un punto específico del sistema y lo expande a través de una válvula de expansión para enfriar el flujo principal proveniente del enfriador de gas. Por último, la refrigeración evaporativa en los sistemas de refrigeración de CO2 reduce la temperatura del enfriador de gas mediante la pulverización de micropartículas de agua, lo que supone un importante ahorro energético debido a la reducción de la potencia consumida por el compresor. Estas soluciones son especialmente adecuadas para aumentar la eficiencia de los sistemas de CO2 en climas cálidos.

* Autora: Miriam Solana, HVAC/R Technical Knowledge Specialist - Carel Industries.