Refrigeración Con CO2

Conocido comúnmente como R-744 al ser usado como refrigerante, el dióxido de carbono (CO₂) se ha convertido en uno de los refrigerantes naturales más populares en los últimos tiempos, aunque cabe destacar que su tecnología no es nada novedosa pues su uso ya era habitual hace más de un siglo.

Esta popularidad que ha alcanzado últimamente el CO₂ como refrigerante es debida a su muy bajo impacto sobre el medio ambiente en comparación con los HFC (hidrofluorocarbonos), estos últimos muy amenazados por la normativa vigente (F-Gas). El CO₂ no daña la capa de ozono (Potencial de Agotamiento del Ozono PAO = 0) y tiene un efecto bajo sobre el calentamiento atmosférico (Potencial de Calentamiento Atmosférico PCA = 1), tomándose este último valor como referencia para determinar el PCA de otros gases. Además, la alta eficiencia de este gas también permite que tenga una contribución indirecta más baja al calentamiento global del planeta.

El CO₂, una buena alternativa para la refrigeración

El CO₂ es un fluido inodoro, incoloro y más pesado que el aire. Aunque es necesario para la vida en la tierra, es también un Gas de Efecto Invernadero (GEI) que puede modificar el medio ambiente si su concentración en la atmósfera se incrementa considerablemente. Se trata de un refrigerante de “alta seguridad” (grupo L1 según RSIF), es decir, “no inflamable” y de “baja toxicidad”.

El CO₂ se usó como refrigerante primitivo antes de la aparición de los freones, pero cayó en desuso rápidamente debido a su mayor complejidad tecnológica. Presenta unas propiedades termo-físicas excelentes, aunque plantea dificultades debido a su bajo valor de temperatura crítica (30,978 °C) y sus altas presiones. Tiene una capacidad volumétrica muy superior a la de refrigerantes convencionales.

Este gas posee una alta conductividad térmica y alta densidad en fase gaseosa, lo que  provoca una buena transferencia de calor en los evaporadores, condensadores y enfriadores de gas; así, estas características permiten una selección de equipos más pequeños en comparación con los que utilizan CFC, HCFC y HFC. Asimismo, debido a que tiene una baja caída de presión, permite reducir el diámetro de las tuberías.

El CO2 es una buena alternativa para la refrigeración tanto comercial como industrial, pero es necesario considerar ciertas medidas de seguridad. Hay que tener presente que el CO₂ no se puede percibir a través del olfato, por lo que, al ser más denso que el aire, puede desplazar el oxígeno hasta límites nocivos para la salud. Al no desprender ningún tipo de aroma puede ocasionar que al haber alguna fuga, el técnico no sea capaz de detectarla. Tales características nos obligan a prestar especial atención en la detección de fugas, a tener un sistema de alarma que pueda detectar y avisar a tiempo que se tiene la presencia de CO₂ y a contar con un sistema de ventilación de emergencia.

Por otro lado, la elevada presión del gas cuando éste se escape provocará un estallido con salpicaduras de refrigerante con residuos en estado sólido a muy baja temperatura a la velocidad del sonido. Es importante conocer que nunca se debe cargar el CO2 en estado líquido cuando el sistema esté a una presión inferior a la del punto triple (5,2 bar), ya que si lo hiciéramos, el líquido que entrara al sistema cambiaría súbitamente de estado transformándose en hielo seco y permaneciendo en dicho estado en el interior del sistema.

A diferencia de otros refrigerantes naturales, el CO₂ no puede adaptarse a algún equipo, ni antiguo, ni actual. Los equipos deben estar diseñados para las características de este gas y para las altas presiones que debe soportar. Por último, en relación con los hidrocarburos, el CO₂ posee la ventaja de poder utilizarse en instalaciones sin limitación alguna de carga.

¿Cuál es la historia del CO₂ como refrigerante?

El CO₂ se conoce desde los principios de la humanidad, existiendo en la atmósfera en una concentración del 0,04% en volumen.

Como refrigerante, se empezó a utilizar en el siglo XIX con la refrigeración mecánica. En 1881 Carl Linde construyó la primera máquina utilizando CO₂. Posteriormente se desarrollaron compresores para trabajar con CO₂, y sistemas con doble etapa. Cada vez fue más extenso su uso.

Tras la primera guerra mundial, se desarrollaron gases sintéticos, que permitían emplear elementos menos robustos y con mayor eficiencia. Es aquí donde comenzó el declive del CO₂ como refrigerante, ganando la batalla los gases CFC. Durante 50 años los refrigerantes CFC dominaron el mercado mundial, hasta que en 1974 se descubre que el uso de estas sustancias estaba produciendo un agujero en la capa de ozono. Nacen aquí los refrigerantes HFC que hasta hoy en día se han utilizado, pero que perjudican al calentamiento atmosférico y por ello se limita su uso.

¿Por qué motivo nos planteamos utilizar CO₂ en sistemas de refrigeración?

A raíz del Protocolo de Kioto, acordado como lucha contra el cambio climático por parte de la Convención Marco de las Naciones Unidas, se marca como objetivo reducir las emisiones de seis gases de efecto invernadero (CO₂ , CH₄, N₂O, HFC, PFC y SF₆).

Entre las medidas tomadas, así como normativas creadas para conseguir estos objetivos, se implanta la normativa F-Gas en 2006, con sucesivas actualizaciones más estrictas. Su objetivo es reducir las emisiones de gases HFC a 1/3 en 2030.

Para conseguir estos objetivos, se marcan limitaciones de uso y prohibiciones a nivel europeo. Al mismo tiempo, a nivel estatal, se establecen impuestos al uso de refrigerantes, para motivar la utilización de otros refrigerantes con menor impacto ambiental.

Si nos centramos en los refrigerantes con niveles de PCA < 150, la mayoría son inflamables (HFO), tóxicos (NH₃) o trabajan a altas presiones (CO₂).

Propiedades termodinámicas del CO₂

La principal diferencia del CO₂ con respecto al resto de refrigerantes es la presión de operación a la que trabaja. Sin embargo, esto lo convierte en un gas de alta densidad, consiguiendo mayor efecto refrigerante con poca masa en circulación.

La entalpía de evaporación por metro cúbico desplazado (kJ/m3), es mucho mayor que en el resto de gases. Esto implica menores cilindradas de compresores y diámetros más pequeños en tuberías.

Diagrama presión-entalpía (log P-h) (diagrama de Mollier)

Cuando trabajamos con CO₂ para refrigeración, debemos usar un diagrama P-h ampliado, es decir, además de las habituales zonas de vapor, líquido-vapor y líquido que se pueden ver en el diagrama de Mollier de cualquier refrigerante convencional; debemos representar también la zona que queda por encima del punto crítico (fase supercrítica) así como las zonas que quedan por debajo del punto triple.

En la gráfica siguiente podemos ver cuál es el estado físico del CO₂ en función de la presión (P) y la entalpía (h). Modificando estas dos variables, podemos obtener cuatro fases claramente diferenciadas: sólido, líquido, vapor y fluido supercrítico; además de otras 3 zonas intermedias de mezcla bifásica: sólido-líquido, sólido-vapor y líquido-vapor.

Con respecto a otros refrigerantes, llama la atención que incluso con temperaturas muy bajas obtenemos presiones de saturación elevadas (p.ej. 0 °C ? 35 bar). Debemos destacar los siguientes puntos del diagrama de fases:

• Punto crítico: 30,98 °C y 73,77 bar ? cambio de fase sin condensación
• Punto triple: -56,56 °C y 5,187 bar ? La fase líquida solo puede existir a una presión superior a 5,187 bar, luego la expansión de líquido a una presión inferior producirá hielo seco (sólido).

Diagrama de Mollier para uso habitual en refrigeración

Es habitual que para representar los ciclos de máquinas frigoríficas, se use un Diagrama de Mollier simplificado, donde no se representa la zona que contiene sólido o sólido-líquido (parte izquierda) ni la zona que queda por debajo del punto triple (< 5,2 bar). Por tanto, el diagrama para uso habitual en refrigeración quedaría representado únicamente por las zonas que contienen líquido y vapor (o líquido-vapor), muy similar al diagrama de cualquier otro refrigerante de uso cotidiano pero con presiones mucho más elevadas:

¿Qué ocurre en la región crítica?

Al acercarnos al punto crítico, las densidades del líquido y del vapor tienden a un mismo valor, desapareciendo la diferencia entre líquido y vapor al llegar al punto crítico. Aparece una región con elevada densidad.

El hecho de que podamos o no trabajar por debajo del punto crítico, definirá el tipo de equipo y modo de operación, obteniendo sistemas totalmente distintos. En equipos de refrigeración condensados por aire, con temperaturas ambiente por debajo de los 25 °C aprox. podremos trabajar en ciclo subcrítico, mientras que con temperaturas superiores tendremos que trabajar en ciclo transcrítico.

Las aplicaciones más comunes, las ventajas, desventajas y las normativas del CO₂ como refrigerante.

Aplicaciones más comunes del CO₂.

• En la refrigeración comercial e industrial.
• En la refrigeración para transporte.
• En los sistemas compactos.
• En Supermercados.
• Y en sistemas directos, en cascada e indirecto.

Ventajas del uso del CO₂ como refrigerante.

• PAO = 0, PCA = 1.
• No es inflamable.
• Tiene una baja toxicidad (solamente es peligroso en altas concentraciones).
• Contiene un elevado coeficiente de transferencia de calor.
• Alto rendimiento, bajo consumo de energía.
• Carece de efectos secundarios a largo plazo.
• Es económico, y no tiene riesgo de obsolescencia.
• Alta disponibilidad, ya que es obtenido como subproducto de diferentes procesos.
• Se puede mezclar con lubricantes POE, PGA y PVE.

Inconvenientes del uso del CO₂ como refrigerante.

• Trabaja a temperaturas y presiones mayores que los HFC y que otros refrigerantes.
• En caso de fugas, el CO₂ se acumula en el suelo, desplazando al aire; y al ser inodoro no podrá ser detectado olfativamente.
• El CO₂ solo es apropiado para nuevos sistemas. Al ser un refrigerante de alta presión y baja temperatura crítica, no resulta adecuado para reconvertir sistemas con refrigerantes fluorados existentes.
• El precio del sistema es elevado.

Las normativas a tener en cuenta del CO₂.

• Reglamento (CE) nº 1005/2009 del Parlamento Europeo sobre las sustancias que agotan la capa de ozono.
• Real Decreto 552/2019, de 27 de septiembre, por el que se aprueban el Reglamento de  seguridad para instalaciones frigoríficas y sus instrucciones técnicas complementarias.
• Real Decreto 1042/2013, de 27 de diciembre, por el que se aprueba el Reglamento del Impuesto sobre los Gases Fluorados de Efecto Invernadero. Ley 16/2013.
• Ley 6/2018, de 3 de julio, de Presupuestos Generales del Estado para el año 2018. Artículo 85 (modificación del anterior reglamento).
• Reglamento (UE) nº 517/2014 del Parlamento Europeo y del Consejo, de 16 de abril de 2014 sobre los gases fluorados de efecto invernadero. “Reglamento F-Gas”.
• Real Decreto 115/2017, de 17 de febrero, por el que se regula la comercialización y manipulación de gases fluorados y equipos basados en los mismos, así como la certificación de los profesionales que los utilizan y por el que se establecen los requisitos técnicos para las instalaciones que desarrollen actividades que emitan gases fluorados.
• Comité Electrotécnico Internacional (IEC 60335-2-89). Carga de refrigerante en mobiliario frigorífico.