CO2 como refrigerante en aplicaciones domésticas

Depósito de acumulación Unidad compacta de CO2

Nomenclatura del CO2

- Según Nomenclatura estandard de la industria (ASHRAE).

R- Refrigerante 7- Refrigerantes naturales 44 - Su peso molecular C=12 u.m.a. O= 16 u.m.a. Peso molecular= 12x1+16x2

R-744

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Refrigerantes Naturales - Amoniaco (R-717) Excelente rendimiento energético Crecientes exigencias de seguridad Es tóxico e inflamable Tendencia a confinarse en salas de máquinas - HC Hidrocarburos Isobutano, Propano y propileno Dificultades de uso por su inflamabilidad. Restricciones por demandas de seguridad. - Agua. Instalaciones de absorción. T>5ºC - Aire. Ciclo del aire frío. Aviones. - CO2 (R-744) Es utilizado desde 1875. Cayó en desuso desde la aparición de los freones, que utilizan menor presión de trabajo.

Principales características del R-744 - Es natural. Se respira, se bebe,…. No es irritante. No causa alarma. Inodoro - ODP = 0 - GWP = 1

Se clasifica como refrigerante A1: - No es tóxico Aunque al ser mucho más denso que el aire, en concentraciones altas puede ser peligroso - No es inflamable Ni combustible. Se utiliza en extinción de incendios

2

Toxicidad R-744 Aunque al ser mucho más denso que el aire, en concentraciones altas puede ser peligroso

% 0.04

Efectos Concentración tipo en el aire atmosférico

2

Se incrementa el ritmo respiratorio 50%

3

Exposiciones de 10 min. Incrementan el ritmo respiratorio 100%

5

Incremento del ritmo respiratorio 300%. Sudores, dolores de cabeza.

10-18

En exposición corta, ataques epilépticos, pérdida de conciencia, y shock (recuperable con aire fresco)

18-20

Síntomas similares a trombosis

ODP, GWP, TEWI -ODP: Ozone depletion potential ( Potencial de destrucción de la capa de ozono) Capacidad relativa que tiene un compuesto de destruir la capa de ozono, fijado en 1 para el R-11 -GWP: Global warming potential (Potencial de calentamiento global) Parámetro definido para evaluar el potencial de calentamiento global tomando como referencia el del CO2 = 1 para un horizonte temporal de 100 años. -TEWI: Total equivalent warming impact (Impacto total equivalente) Tiene en cuenta el calentamiento directo y el indirecto producido por el consumo energético de la instalación.

TEWI = GWP × Mliberada + F × Eanual × taños Efecto directo

Efecto indirecto

3

ODP, GWP Principales Refrigerantes

Situación Refrigerantes Fluorados - CFC (clorofluorocarburos) R-12, R-11 Prohibidos desde el año 2000. Instalaciones en funcionamiento no se pueden recargar.

- HCFC (hidroclorofluorocarburos) R-21, R-22 Han permitido la retirada progresiva de los CFC. En extinción. Nuevas instalaciones: Prohibidos desde 2001 Existentes: Recarga posible hasta fin de 2009 con HCFC puro y hasta fin 2014 con mezclas. Prohibido su uso a partir de 2015.

- HFC (hidrofluorcarburos) R-134a, R 407C, R417A, R404A. No tienen efecto nocivo sobre la capa de ozono, pero contribuyen de forma mucho más acusada al efecto invernadero. Citados en protocolo de Kyoto como sustancias cuyo uso debe restringirse.

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Normativa CE 842/2006 - Entrada en vigor en 2007 Medidas para evitar y reducir al mínimo las emisiones de gases fluorados de efecto invernadero. Control de las cantidades comercializadas por distribuidores, fabricantes, importadores. Registro de consumo de refrigerante de cada instalación. Medidas para garantizar confinamiento: Inspección para detectar fugas: – Mensual si carga mayor de 300 kg – Trimestral si carga mayor de 30 kg – Anual si carga mayor de 3 kg – Certificada por Instalador o Mantenedor Frigorista Registrado. Detectores de fugas o control permanente de carga

Origen del CO2 El CO2 se obtiene como producto de desecho en multitud de procesos industriales. -

En plantas de amoniaco e hidrógeno. Combustión Subproducto de la fermentación Descomposición térmica del carbonato cálcico Directamente de pozos de CO2

- Captura - Compresión - Transporte - Almacenamiento

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Antecedentes Uso de CO2

-

En los años 20 el CO2 era usado como refrigerante mayoritario.

-

La aparición de los CFCs lo relegó, debido principalmente a las menores presiones de trabajo.

-

La creciente preocupación medioambiental plantea la busqueda de nuevos refrigerantes.

-

Se comenzó de nuevo a pensar en su uso a finales de los 80 tras los estudios del profesor Lorentzen en Noruega. (aplicaciones transcríticas). - Calentar agua

Aplicaciones Actuales -

Instalaciones frigoríficas como fluido secundario Aire acondicionado en automóviles, autobuses,… Máquinas expendedoras Supermercados Especialmente en calentar agua -

Eco Cute 300 000 unidades vendidas en 2006 5 200 000 instaladas en 2010. 1,2 millones unid/año en 2015

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Principales características del R-744 Psat vs Tsat

80

R-22

70

R-407C

P sat (bar)

60

R-410A

50

R-744

40 30 20 10 0 -80

-70 -60

-50 -40

-30 -20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

T sat (ºC)

- Pto Triple = (-56,6 ºC, 5,2 bar) - Pto Crítico = ( 31ºC, 73,6 bar)

Principales características del R-744

7

Aplicaciones Actuales

Subcríticas

Transcríticas

Principales características del R-744 Entalpía Evaporación vs Tsat 400 350

Hv (kJ/kg)

300 250 200 150

R-410A

100

R-407C R-744

50 0 -60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

T sat (ºC)

-Elevado calor latente; mayor entalpía por metro cúbico. -Mayor entalpía por metro cúbico; compresores menor cilindrada, menor c refrigerante, menores líneas. -Disminuye cuanto más nos acercamos al punto crítico.

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Ventajas sistemas ECO CUTE -

Funcionamiento hasta temperaturas exteriores de -20ºC.

-

COP cercano a 2 para Texteriores -20ºC.

-

Se obtienen temperaturas más elevadas que con bomba de calor tradicional.

-

Alta eficiencia mediante el uso de compresores de velocidad variable.

-

Uso de refrigerante ecológico ODP=0 GWP=1

-

Menores efectos directos e indirectos que con sistemas equivalentes. TEWI inferior

-

Bajo coste de operación al aprovechar la tarifa nocturna.

-

Ventajas fiscales en países nórdicos

Sistema CO2 ECO Rendimiento

SHP-C45DEN

SHP-C90GDN

Capacidad/C.O.P (Text=20ºC)

4,5kW / 3.75

9kW / 3.8

Capacidad/C.O.P (Text=7ºC)

4.5 / 3.1

9kW / 3.2

Capacidad/C.O.P (Text=-15ºC)

4.5 / 1.81

9kW / 1.81

Nivel Sonoro (dBA)

45

45.5

Cantidad R744(kg)

0.860

1.6

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Esquema de Principio CO2 ECO

-Temperatura agua salida > 75ºC

Circuito Frigorífico CO2 ECO

-Sistema de 2 etapas -Desescarche por gas caliente

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Compresor CO2 de 2- etapas SANYO Comp. Shell

Internal Mid. Pre. Structure

Motor High Pre. Mid. Pre. Low Pre.

2nd Comp.

1st Comp.

-Compresor rotativo de 2 etapas -DC Inverter -Alta Eficiencia -Baja vibración y ruido

Ciclo Teórico CO2 ECO

Split Cycle Outdoor Tem p. 20

4.0kW 40→ 55

M ain Cir.

Pressure (M pa)

Bypass Cir. 14 12 10 8 6 4 2 0 400

49ºC

125ºC

10ºC

-25ºC

500

600 700 Enthalpy(kJ/kg)

800

900

-Función de demanda, temperatura exterior y temperatura agua

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Intercambiador de Calor CO2 ECO

-Resistente a las altas presiones y fiable -Alta eficiencia en el intercambio de calor

Evaporador CO2 ECO Special Refrigerant flow for avoiding heat exchanger coil from freezing Flujo de aire

Espesor tuberí tubería: 0.6mm

Protección anticongelación

Gas alta presió presión Espesor tuberí tubería: 0.9mm

*Sección transversal del evaporador

-Flujo de refrigerante rediseñado -Alta presión en zona inferior del evaporador para evitar congelación.

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Rendimiento a Bajas Temperaturas CO2 ECO

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