Análisis y comparativa de sistemas de subenfriamiento en sistemas de refrigeración de CO2 en climas cálidos por Laura Nebot Andrés

OBJETIVO

La refrigeración y el aire acondicionado consumen un 17% de la energía eléctrica en el mundo y son responsables del 2% de las emisiones totales de gases de efecto invernadero, debido a los refrigerantes utilizados. Es por ello que se deben diseñar desarrollar equipos eficientes y responsables con el medio ambiente. La Reglamentación Europea F-Gas tiene como objeto menguar el impacto medioambiental de estos sistemas, reduciendo la cantidad de HFCs con elevado potencial de calentamiento global hasta un 79% para 2030. Como consecuencia, es necesaria la búsqueda de soluciones con refrigerantes de bajo GWP. En concreto, para refrigeración comercial centralizada, el CO₂ se vislumbra como el mejor refrigerante, ya que posee un GWP=1, no es tóxico, no inflamable y presenta buenas características de transmisión de calor. Su uso se ha generalizado en los últimos años en los países más fríos de Europa, sin embargo, en climas cálidos su rendimiento se ve reducido de manera significativa. Este trabajo tiene como objeto la búsqueda y estudio de equipos de CO₂ competitivos en regiones cuya temperatura media anual supera los 12ºC para así reducir las emisiones y adaptarse a la normativa, respondiendo a la necesidad tanto ambiental como tecnológica.  

METODOLOGÍA

Los ciclos estudiados son el ciclo de CO₂ con subenfriamiento mecánico dedicado (DMS) y el ciclo con subenfriamiento mecánico integrado (IMS). El propósito de ambos es subenfriar el CO₂ a la salida del gas-cooler para aumentar la capacidad frigorífica específica del ciclo. Estos subenfriamientos permiten además reducir la presión de descarga, reduciendo el trabajo de compresión. En el estudio teórico se han simulado ambos ciclos en diferentes condiciones de trabajo y varios niveles de evaporación, obteniendo los valores de subenfriamiento óptimo y presión de descarga óptima, es decir, aquellos para los cuales el COP del ciclo es máximo. Para todas las condiciones de estudio, ambos ciclos de subenfriamiento mejoran el COP de la planta y también incrementan su capacidad frigorífica. Los resultados obtenidos se compraran al ciclo base, cuantificando los incrementos de capacidad y COP conseguidos por el subenfriamiento, siendo más beneficioso el uso de estos sistemas de apoyo cuanto mayor es la temperatura ambiente.

Estos cálculos han permitido el dimensionamiento de la planta para su ensayo experimental. En ella se ha testado el ciclo con y sin DMS para dos niveles de evaporación y tres temperaturas ambiente, realizando un barrido en las presiones de descarga que permite identificar la existencia de un punto óptimo de trabajo y corroborar así los resultados teóricos. Trabajando a velocidad nominal del compresor auxiliar, es decir, sin llegar a los grados de subenfriamiento óptimo, se han obtenido incrementos de hasta un 26% en COP para una temperatura ambiente de 40ºC y un nivel de evaporación de 0ºC y un 39% en la capacidad frigorífica.

El estudio económico refleja la viabilidad de la implantación de estos sistemas en climas cálidos, con paybacks inferiores a dos años para plantas de más de 40kW, rentabilidades superiores al 50% y tasas internas de retorno muy elevadas.

CONCLUSIONES

El estudio de los ciclos ha mostrado que ambos ciclos de subenfriamiento dedicado aumentan el COP y la capacidad del ciclo base pero el IMS lo hace en mayor medida:

• COP: entre 13% y 29% para To=-10ºC y entre 9% y 20% para To=0ºC
• Q_o entre 23% y 60% para To=-10ºC y  entre 16% y  49% para To=0ºC.

Asimismo los ensayos experimentales del subenfriamiento mecánico dedicado verifican las tendencias obtenidas en los resultados teóricos. El estudio de viabilidad económica permite no recomendar la implementación de estos sistemas en climas fríos (T_m<12ºC). Por otro lado, observamos que para plantas de tamaño superior a 40kW ambos sistemas de subenfriamiento mecánico son una alternativa muy recomendable, que además permite adaptarse a la F-Gas, siendo el IMS el sistema más beneficioso tanto energética como económicamente.