CICLOS DE REFRIGERACION COMBINADOS CO2-AMONIACO San José, Costa Rica Septiembre 2016

TEMARIO • • • •

Breve reseña histórica del CO2. Características del CO2. Que es un sistema subcrítico y un transcrítico ? Aplicaciones del CO2 en los sistemas de refrigeración. – Sistema salmuera o “Brine” CO2. – Sistema en cascada CO2-NH3. – Sistema dos etapas transcrítico.

• Ventajas del CO2. • Conclusiones.

RESEÑA HISTORICA DEL USO DEL CO2 • En 1866, TSC Lowe fue el primer usuario del CO2 como refrigerante. • Para 1940, ya habían muchas instalaciones operando pero presentaban problemas debido a: – Alta presión de operación del CO2. – El punto triple del CO2. – El punto crítico es a muy baja temperatura (31 C). – Había carencia de sistemas automatizados para el control. • Para 1960 habían pocos sistemas de CO2 funcionando. • En 1980, los ingenieros comenzaron a preocuparse por el ambiente y nuevamente comenzaron a pensar en los refrigerantes naturales.

CARACTERISTICAS DEL CO2 • No es inflamable • Menos toxico que el Nh3 y HCFC • ODP=0 GWP=1 • Bajas caídas de presión en tuberías (Baja densidad) • Los sistemas trabajan a presión positiva. (no ingreso de humedad al sistema)

• Inoloro. • Baja temperatura en el punto crítico. • Presión de saturación alta. • Mas denso que el aire.

PUNTO CRITICO Y TRIPLE DEL CO2 • Punto triple del Co2: Coexisten vapor, liquido y solido de una sustancia, 75 psi, -56,6°C • Punto crítico: Las densidades del liquido y vapor son iguales, 31°C, 1069psi.

SISTEMAS SUBCRITICOS Y TRANSCRITICOS

Operación transcrítica: el ciclo ocurre arriba del punto triple y sobre el punto crítico (1067 psi)

Supercritical Fluid 1055 psia 1070 psia TSAT=87ºF

PRESSURE

Operación subcrítica: el ciclo ocurre arriba del punto triple (75psi) y bajo el punto crítico (1067 psi)

Supercritical Region Subcritical Region

Operación transcritica

Critical Point

Operación subcritico

SNLTX2 LT CASCADE

ENTHALPY

Presión del punto triple 75 psi, -56,6°C

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APLICACIONES DEL CO2 EN SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN. • SISTEMAS SUBCRITICOS – Salmueras con CO2 – Sistemas en cascada CO2-NH3 – Combinaciones CO2-NH3Glicol

• SISTEMAS TRANSCRITICOS – Dos etapas CO2 – Unidades condensadoras CO2

SALMUERA DE CO2-NH3(BRINE) • Sistema formado por dos lazos (NH3 y CO2). • NH3 en el sistema de alta temperatura confinado en el cuarto de máquinas. • Menor riesgo para el personal y producto. • El Amoniaco se evapora y condensa el CO2. • Requiere un intercambiador de calor. F&PHE, S&PHE. (Riesgo de contaminación CO2-NH3). • CO2 en baja o media temperatura impulsado por bombas (Brine) o DX . • No utiliza compresores en el lazo de CO2.

SISTEMA CO2 BRINE COMPONENTES

 - Circuito de NH3

 - Circuito de CO2

EQUIPOS EQUIPOS  - Circuito de NH3  Compresor  Condensador  Evaporador (Condensador de CO2 )  Tanques  Válvulas y accesorios  - Circuito de CO2  Condensador (Intercambiador NH3/CO2 )  Tanque acumulador  Bomba  Evaporador (Enfriador de aire)  Válvulas y accesorios

COMPARACIÓN CON SISTEMA DE NH3 NH3/CO2 BRINE

NH3 RECIRCULADO

Para lograr la misma temperatura en la cámara, la SST en el sistema NH3/CO2 Brine debe ser menor que para el sistema NH3 recirculado con el consecuente incremento en el consumo energético

DIAGRAMA DE UN SISTEMA EN CASCADA CO2/NH3

Bajo TD 7°F a 9°F

A > TD < COP

CASCADA CO2-NH3-GLICOL (CO2 DX)

Lazo de media temperatura NH3

Lazo de CO2 en baja temperatura

Circuito media temperatura glicol o CO2

Intercambiador de placas para glicol Condensadorevaporador para CO2

CASCADA CO2-NH3 (CO2 BRINE & CO2 COMPRIMIDO)

Lazo de media temperatura NH3

Condensadorevaporador para CO2

Lazo de CO2 en baja temperatura

Lazo de CO2 salmuera o brine a 20°F

SISTEMA TRANSCRITICO CO2 DOS ETAPAS. • •

•

• •

Solo usa CO2, no requiere futuros “Retrofit” como se requieren con los HCFC. Mejor rendimiento de los compresores debidos a las bajas temperaturas de los gases de retorno, 15% ahorro energético. $1/ Lb de Co2= 1/6 NH3, 1/12 HCFC. < huella de carbono. Alto potencial de calor para usos industriales.

SISTEMAS BOOSTERS INSTALADOS EN EUROPA

CO2 Transcritical Systems are Gaining Global Traction

EQUIPOS INSTALADOS EN ESTADOS UNIDOS 200+ Salmuera

50+ Cascade

180+ Booster

Over 25 locations in California

Over 180 installations in North America

GAS COOLER O CONDENSADOR PARA SISTEMAS BOOSTER CO2

COP A CARGA TOTAL :CASCADA CO2/NH3 (TD=6°F), 1 Y 2 ETAPAS

System design for Industrial Ammonia/CO2 cascade Installlations.Ole Christensen.IIAR Anual Meeting.Reno Nevada. 2006

COP A CARGA TOTAL :CASCADA CO2/NH3 (TD=6°F), 1 Y 2 ETAPAS Los compresores reciprocantes tienen mejores caracteristicas que los compresores de tornillo a carga parcial

System design for Industrial Ammonia/CO2 cascade Installlations.Ole Christensen.IIAR Anual Meeting.Reno Nevada. 2006

CAPACIDAD DE LOS COMPRESORES NH3 Y CO2 300

Capacity (TR)

CO2

30

NH3

3.0

Temperatura de Condensación 14°F 0.3 -67

-58

-49

-40

Temperatura Evaporación o(F) System design for Industrial Ammonia/CO2 cascade Installlations.Ole Christensen.IIAR Anual Meeting.Reno Nevada. 2006

-31

EFECTO DT EN CHE S/INVERSION INICIAL EQUIPOS Diferencia de Temperatura optima Sistema de CascadaCondensador - Costo Inicial 350000 300000

USD

250000 Cascade cooler

200000

Compressor

150000

SUM

100000 50000 0

0

5

10

15

DT [°F]

System design for Industrial Ammonia/CO2 cascade Installlations.Ole Christensen.IIAR Anual Meeting.Reno Nevada. 2006

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EFECTO DT CHE EN INVERSION INICIAL Y COSTOS DE OPERACION Optima diferencia de temperatura en condensador Cascada Costo Operativo 300000 250000

USD

200000 Capital cost

Electrical cost

150000

SUM

100000 50000 0 0

5

10

15

DT [°F] System design for Industrial Ammonia/CO2 cascade Installlations.Ole Christensen.IIAR Anual Meeting.Reno Nevada. 2006

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COMPARACION ENTRE UNA CASCADA C02 (TD=10°F) Y DOBLE ETAPA DE NH3

Dimensionamiento de dos Sistemas de refrigeracion desde el punto de vista Técnico Económico en una aplicación de baja temperatura con las alternativas de un sistema en cascada y un Sistema en doble etapa.Ing.Juan Manuel Quintanar. IIAR Annual Meeting San Diego California.2010.

COMPARACION ENTRE UNA CASCADA C02 (TD=10°F) Y DOBLE ETAPA DE NH3

Dimensionamiento de dos Sistemas de refrigeracion desde el punto de vista Técnico Económico en una aplicación de baja temperatura con las alternativas de un sistema en cascada y un Sistema en doble etapa.Ing.Juan Manuel Quintanar. IIAR Annual Meeting San Diego California.2010.

COMPARACION CONSUMO ENERGETICO ENTRE UNA CASCADA C02 (TD=10°F) Y DOBLE ETAPA DE NH3

CO2 brine, una alternativa segura, confiable y eficiente en cámaras de baja temperatura. Ing. Juan Carlos Melo. Anual Meeting IIAR Chile 2014

VENTAJAS DEL USO DEL CO2. • •

• • •

Menor riesgo de intoxicación para el • personal y producto. Menores diámetros de tuberías en tuberías de succión, con el consiguiente ahorro en los aislamientos y estructuras de • soporte. Menor potencia de bombeo con respecto al amoniaco y al glicol. Refrigerante de bajo costo 1/6 del costo del NH3. La cantidad de NH3 en el cuarto de maquinas se reduce en un 80%.

En el caso de la salmuera, alta eficiencia de transferencia debido a la ausencia de aceite en los evaporadores. Los compresores y tanques son de menor tamaño, debido a la alta densidad del CO2.

CONCLUSIONES SOBRE SISTEMA DE CASCADA CO2-AMONIACO • Es una buena opción para asegurar la integridad de las personas y el producto y reducir la cantidad de amoniaco en el sistema. • La eficiencia de un sistema de dos etapas en mayor que el de una cascada, sin embargo, esta diferencia en la eficiencia se reduce conforme aumenta la distancia entre las recirculadoras y los evaporadores, lo anterior debido a que aunque el flujo másico requerido para amoniaco es menor (lbs/hr), al ser el volumen especifico del CO2 1/33 veces la del amoniaco el caudal a desplazar puede ser hasta 13 veces menor, con la consecuente disminución en la potencia de bombeo.

CONCLUSIONES SOBRE SISTEMA DE CASCADA CO2-AMONIACO • La diferencia en la eficiencia entre un sistema dos etapas y una cascada se reduce conforme disminuye la temperatura de saturación del sistema en aplicaciones de baja temperatura, lo anterior debido, a la reducción en el tiempo de residencia del producto (Endurecedor).

GRACIAS POR SU ATENCION