Principios del sistema de refrigeración PASCAL AIR por Pedro Nogal

Introducción

En primer lugar, nos gustaría comenzar realizando unos comentarios sobre el “fondo” del sistema de refrigeración por aire.
Los refrigerantes de fluorocarbono utilizados actualmente en los sistemas de refrigeración convencionales en la industria alimentaria, pesquera, láctea, de bebidas y de agricultura tienen un impacto en el medioambiente debido a su potencial de agotamiento del ozono o al calentamiento global o ambos efectos.
Los esfuerzos para reducir los impactos ambientales de los refrigerantes de fluorocarbono que se han llevado a cabo, han sido utilizando refrigerantes naturales como amoníaco y CO2 para aplicaciones a bajas temperaturas hasta -45°C.
Sin embargo, las medidas de reemplazo todavía están rezagadas en los sistemas de refrigeración en las zonas de temperatura más bajas, desde -50°C hasta -100°C.
Actualmente, para este rango de temperaturas se usan HFC23 y HCFC22 en sistemas en cascada.
Sin embargo, de acuerdo con el protocolo de Montreal, la producción de HCFC22 está prohibida después de 2020. Y se espera que HFC23, un subproducto de HCFC22 con un GWP de más de 11.700, sea escaso cuando la producción de HCFC22 se detenga y pase a estar sujeta a regulación también.
Para reducir el impacto sobre el medio ambiente, MAYEKAWA desarrolló un sistema de refrigeración que usa aire como fluido de trabajo.
El aire es un refrigerante natural que no tiene un impacto global en el medio ambiente en comparación con los refrigerantes de fluorocarbono convencionales.
Y, en comparación con los fluorocarbonos, el aire tiene bajas presiones de trabajo. No es tóxico ni inflamable. Y no requiere de regulaciones de seguridad. Además, su “potencial de agotamiento del ozono” (ODP) y su “potencial global de calentamiento” (GWP) es 0, por lo que es completamente respetuoso con el medioambiente.
El sistema de refrigeración, conocido como “Pascal Air”, produce temperaturas extremadamente bajas de entre -50°C y -100°C requeridas en almacenes de ultra-baja temperatura, aplicaciones farmacéuticas y criogénicas.

Principios del sistema de refrigeración PASCAL AIR
El aire es un gas más familiar para nosotros. Su ODP y su GWP son ambos 0, y al no ser ni tóxico ni inflamable, se conoce como el mejor refrigerante natural.
Sin embargo, su temperatura crítica de -140,7 ℃ es baja, y cuando el aire se usa en un rango de temperatura más alta, se vuelve un ciclo de gas sin transición de fase (ciclo supercrítico).
El ciclo de Brayton, comúnmente utilizado para motores de gas, se aplica como ciclo básico para este sistema de refrigeración con aire, aunque se diferencia del ciclo general de Brayton en la reversión de la disipación y absorción de calor, por lo que en este sistema la compresión adiabática, que conduce a la disipación de calor y la expansión adiabática, va seguida de absorción de calor.
Como  se muestra en la Figura 1, compresión adiabática (1 → 2), disipación de calor Q1 (2 → 3), expansión adiabática (3 → 4), absorción de calor Q2 (4 → 1) se lleva a cabo en fase gas.
Es decir, el proceso de disipación de calor Q1 y absorción de calor Q2 es un ciclo realizado en la fase gaseosa con un cambio de presión constante no seguido por condensación y evaporación. Es un sistema simple porque el equipo consta de compresor, intercambiador de calor (absorción de calor y disipación de calor) y expansor.

Figura 1 Principio básico del ciclo de refrigeración de aire:
a.e. : Expansión Adiabática.         
end.: Endotérmico             
iso: Isotonicidad       
a.c. : Compresión Adiabática
h.r. : Liberación de Calor

Sistema de circulación de aire directo
El sistema de refrigeración de aire “Pascal Air” circula directamente aire a ultra baja temperatura como refrigerante dentro de una cámara de congelación y se compone de tres partes: una compresor integrado al expansor (compresión y expansión), un enfriador primario (disipación de calor) y un intercambiador de calor de recuperación de calor frío (recuperación de calor).

A continuación se muestra una figura sobre el sistema de circulación de aire directo:

Este es un ejemplo de un sistema donde la temperatura del almacén es de -60°C.

•  El aire a -60°C y a presión atmosférica del interior de la cámara de congelación se absorbe y se envía al intercambiador de calor (recuperador de calor).

•  En el recuperador de calor, se intercambia calor con aire refrigerado a 40°C desde el enfriador primario y se convierte en 35°C aire.

• El aire a 35°C es comprimido por el turbo compresor y se convierte en aire de 90°C y 1.8 atmósferas. Después de eso, el calor se disipa en el enfriador primario hasta 40°C.

• El aire a 40°C intercambia calor con aire a -60°C absorbido desde el interior de la cámara y se enfría a -55°C.

• El aire a -55°C y 1.8 atmósferas es expandido adiabáticamente en el turbo-expansor, y se convierte en aire a -80°C a presión atmosférica que se envía al interior de la cámara.

Especificaciones de la serie PASCAL AIR

“PascalAir” tiene dos modelos con capacidades de enfriamiento de 15kW y 30kW respectivamente a una temperatura de almacenamiento de -60°C.

Características de los diferentes sistemas de refrigeración

1. Modelo convencional

Los modelos convencionales utilizan sistemas en cascada con refrigerantes del tipo R22/R23.
Mediante evaporadores con motoventiladores generan la recirculación de aire dentro del almacén para mantener los productos congelados, y compensar las cargas de la cámara como la iluminación, el personal, el calor a través de los paneles y las pérdidas a través de las puertas.
Este modelo tiene el inconveniente de que va perdiendo rendimiento según se va escarchando el evaporador, además de tener otra carga adicional proveniente del calor producido por los motores de los ventiladores, hasta que necesita pararse para realizar el desescarche de forma periódica.

• Sistema Pascal Air

El almacén sólo tiene conductos para insuflar aire dentro y fuera de la cámara. Estos conductos son instalados fácilmente.
No hay necesidad de evaporadores dentro del almacén.
No tiene carga de calor por ventiladores,
No existen pérdidas por intercambio de calor.
La humedad presente el aire se puede tratar en el sistema de enfriamiento.
No es necesario recuperar y recargar refrigerante.

Ejemplo: PAS30-R:
Especificación: COP  0,5 (en -60º C)
Continuidad operativa: 24 h
　　　　　    (Sistemas convencionales 8-16h)
Pérdida del rendimiento de refrigeración: menos del 10% después de transcurrir 24h
　　　　　    (Sistemas convencionales: más de 30% después de 8-16h)
Ahorro de energía: 45% aprox.
                        (En comparación con sistemas convencionales)

Áreas de aplicación
El sistema de refrigeración Pascal Air tiene diversos campos de aplicación:

MERCADOS	APLICACIÓN
REFRIGERACIÓN INDUSTRIAL	Pescado (congelación de atún y bonito) Secado por congelación Helados
INDUSTRIA MARÍTIMA O DE PESCA	Alimentos
INDUSTRIA MÉDICA O FARMACEÚTICA	Procesos de producción de medicamentos Almacenaje de muestras de sangre Proceso de enfriamiento de órganos
INDUSTRIA QUÍMICA	Procesos de fabricación de material electrónico
INDUSTRIA PETROQUÍMICA	Proceso de enfriamiento de gas Condensación Destilación Extracción
SEMICONDUCTORES
INDUSTRIA DEL RECICLADO	Proceso de condensación de detergentes Reciclado Trituración de caucho y plásticos

INSTALACIÓN DE REFERENCIA:

Imagen del aspecto del almacén de congelados de Fukasawa.
El tamaño de este almacén de atún congelado es de aproximadamente 8.000 toneladas,  en dos cámaras con una capacidad nominal de alrededor de 4.000 toneladas.
La temperatura del almacén es de -55°C.
El equipo de enfriamiento consiste en un total de seis Pascal Air, con tres Pascal Air en cada cámara.

Hay un conducto de descarga por cada Pascal Air, con un conducto de aspiración.

Este sistema no tiene evaporadores, por los que circulan los refrigerantes convencionales.
Tampoco necesitará desescarches.

CONCLUSIONES:

• El HFCF22 se ha prohibido en 2020 y debido al alto GWP del HFC23, su uso en el futuro estará sujeto a cierto control.
• El sistema Pascal Air se considera una alternativa viable a los sistemas convencionales de fluorocarbono en los rangos de baja temperatura.
• El mercado de almacenamiento de temperatura extremadamente baja (-50°C ~ -100°C) en Japón es de aproximadamente 347.000 toneladas métricas.
• Se espera que se reemplacen 20-30 sistemas basados en fluorocarbonos por año.
• Se espera que la aplicación se expanda en procesos de producción de semiconductores de congelación rápida, congelación y secado, y otras aplicaciones a baja temperatura donde actualmente se usa nitrógeno líquido.

BIBLIOGRAFÍA:

K..Abe, A.Machida, Development of high performance dehumidifier air cycle using and advanced polymer sorbent, Proceeding of the 2006 ISRAE Annual Conference, 2006, Japan

A. Machida, Development of an Air Refrigeration System “Pascal Air”, and application consideration to large ships, Proceeding of the 2010 JIME Annual Conference, 2010, Japan