Aplicació del CO2 en els sistemes de Refrigeració

El perquè de la renaixença del CO2

Les regulacions del Protocol de Montreal van donar pas a la retirada dels clorofluorocarbons (CFCs) en els nous sistemes de refrigeració, aire condicionat i bombes de calor. A més els hidroclorofluorocarbons (HCFCs) son una solució provisional fins l'any 2020, encara que en algunes nacions aquests es retiraran abans d'aquesta data.

L'idea es reduir aquests fluïts refrigeradors per d'altres que no destrueixin la capa d'ozó. Un altre concepte mediambiental a tenir en compte en els fluïts refrigeradors és el (GWP) Global Warming Potential o Potencial de Calentament Global. Per evitar aquest efecte es van desenvolupar els nous hidrofluorocarbons (HFCs) que no tenen clor que ataqui a l'ozó com els seus predecessors, així com els vells fluïts refrigeradors orgànics com l'amoníac, els hidrocarbons i el diòxid de carboni.

Alexander Twining va ser el primer en proposar en 1850 el diòxid de carboni com a refrigerant. El CO2 va ser aplicat principalment en els vaixells refrigeradors al començament d'aquest segle. Mes tard va ser substituït gradualment per els CFCs i HFCs.

La renaixença del CO2 com a refrigerant va ser iniciada per la patent del professor Gustav Lorentzen en 1990 en la qual descrivia el procés transcrític i la forma de controlar el mecanisme d'un sistema de CO2.

Comença la investigació

A partir d'aquí multitud de científics van començar a investigar sistemes de refrigeració amb CO2. Es van fer investigacions teòriques i experimentals, les quals van demostrar el negligible (GWP) del CO2 i que la seva utilització ideal era en l'aire condicionat dels automòbils ja que aquests produeixen un impacte molt dur en el medi ambient. Investigacions experimentals van demostrar que el coefficient of performance (COP) dels sistemes de CO2 podia competir amb els del R12. Aplicacions proposades en un principi pel sistemes de CO2:

• La utilització del CO2 sol i barrejat amb altres fluïts refrigeradors en les bombes de calor.

• Combinacions del CO2 amb altres fluïts per utilitzar-los en sistemes de cascada.

• Utilització del CO2 amb dissolvents en sistemes de compressió per absorció on sembla que la barreja CO2/acetona és la que funciona millor.

• Per als supermercats van recomanar un sistema de cascada amb amoníac en la fase superior i CO2 en la fase inferior.

• En l'aplicació del CO2 en refrigeracions comercials Lorentzen va exposar la idea d'utilitzar una fase del cicle del CO2 per a subministrar baixes temperatures per una banda i produir per l'altra aigua calenta utilitzant el desplaçament de temperatures del procés transcrític en el costat de l'alta pressió.

• De diferents investigacions es va observar que la barreja CO2/hidrocarbo poden ser utilitzats com a fluïts alternatius ja que son solubles entre si i les seves propietats poden ser determinades. El seu poder inflamable pot ser reduït però només anul·lat si la quantitat de CO2 utilitzada es molt alta.

Van sorgir problemes en els components del sistemes degut a les altes pressions que es donen en el cicle transcrític del CO2 que són superiors als 150 bars, la solució que es va donar va ser convertir els components del equipament hidràulic en components per a aplicar-los en els sistemes de CO2. També es va exposar que degut a la baixa relació de pressió dels compressors, tindrien que ser més eficients que els convencionals.

En 1995 Köhler va presentar un prototip experimental amb compressor i els bescanviadors de calor però en la seva aplicació pràctica de 1996 en un autobús va donar uns resultats molt baixos. Comparat amb el R134a la eficiència va ser un 25% menor, però tenien similar pes i volum.

Una avantatge de la utilització del CO2 en els automòbils es la possibilitat d'escalfar l'interior, ja que en el procés transcrític es poden obtenir altes temperatures.

Més endavant, com a resultats d'una simulació, es va comprovar que el sistema de HVAC (bomba de calor i aire condicionat) es una solució totalment competitiva per als vehicles moderns amb un COP elevat i la capacitat d'escalfar i refrigerar sota qualsevol condició climàtica. Köhler va presentar un sistema HVAC per autobús i el disseny d'un nou compressor, els resultats de les proves mostraven un COP millor que en els sistemes tradicionals ja que l'eficiència del compressor va ser molt alta. Köhler va exposar que era possible tenir sistemes de CO2 en producció a partir del 2005 o 2007.

Un altra aplicació del CO2 es en l'aire condicionat de la cabina del conductor d'un tren. Es va exposar que la càrrega en el costat d'alta no exerceix una influència important per lo que els sistemes de CO2 es poden fer funcionar sense la regulació de la pressió d'alta i amb càrrega constant. Es més, la regulació de la pressió d'alta no es un indicador de la capacitat de control del sistema, ja que per aquest procediment només és possible controlar-lo entre un 10 i un 20%.

En 1998 Neks* va presentar un prototip de bomba de calor de CO2 i a més va demostrar que el procés podia proveir aigua calent domestica. El COP mesurat va ser de 4,3 si l'aigua era escalfada de 9º C a 60º C a una temperatura d'evaporació de 0º C. Conclusions similars van trobar altres investigadors al demostrar que COPs superiors a 5 es poden obtenir si l'aigua es calenta de 10º C a 60º C, així com un escalfador d'aigua- bomba de calor que millorava el COP en un 10% sobre el sistema de R22.

Es van fer investigacions per dissenyar bombes de calor amb un ample recorregut de temperatures i es va recomanar controlar el sistema amb una vàlvula electrònica d'expansió i un motor-compressor que fos inversor.

El COP del sistema va millorar entre un 3% i un 14% per calefacció mentre que el de refrigeració va ser entre un 0,5% i 14% menor que el sistema de referència de R22. Una futura aplicació de les bombes de calor són els processos d'assecat, ja que en termes de COP i especialment per sobre dels 70º C els sistemes de CO2 tenen avantatges respecte als de R134a.

El organismes militar van demostrar interès en el CO2 com a refrigerant ja que té una capacitat de refrigeració volumètrica superior a l'ordinària per lo que es poden fer unitats molt compactes.

El compressor

Es necessari modificar els compressor existents o desenvolupar nous. Quan es modifiquen el procediment principal es fer més petit el diàmetre del cilindre per a que, degut a la alta capacitat volumètrica del CO2, les forces que es creen en el cigonyal o els coixinets siguin del mateix ordre que en els sistemes convencionals.

Amb la utilització de compressors hermètics el motor elèctric pot ser aproximadament de la mateixa grandària que els convencionals mentre que degut a les altes pressions la closca a de ser reforçada.

Del projecte Europeu RACE va sorgir un compressor de disc oscil·lant amb modulació d'angle mentre que en Japó es va crear un compressor de dos etapes basat en un compressor de lleva plana.

Els lubricants

Kraus va explicar que era necessària una bona solubilitat dels lubricants amb el refrigerant. Sembla ser que de diferents tipus de lubricants els olis del tipus de poliester són els que van millor ja que la solubilitat és alta depenent de la concentració, pressió i temperatura.

Bescanviadors de calor

En el desenvolupament dels bescanviadors de calor els punts més importants investigats van ser les propietats de transferència de calor i la caiguda de pressió del CO2 dins dels bescanviadors. Més endavant van ser introduïts nous microtubs de 0,8 mm. Com la pressió del procés del CO2 es alta, la influencia de la caiguda de pressió en els bescanviadors pot ser negligida en comparació al rendiment dels bescanviadors de calor. En investigacions posteriors es va constatar que es possible reduir el volum i el pes en un 50% respecte a l'equipament corresponent del R22.

Màquines d'expansió

El procés del CO2 pot ser millorat amb l'aplicació d'una màquina d'expansió en el lloc de la vàlvula d'expansió habitual quan la temperatura de sortida del gas refrigerant es bastant alta. Kraus i Quack van optar per aquesta tecnologia i va recomanar una unitat de pistó d'expansió lliure. Amb l'aplicació de una unitat de compressió per expansió pot ser possible (segons investigacions teòriques) obtenir un COP comparable als cicles dels HFC. Una combinació compressor-expanssor basada en aquest principi amb un compressor de disc oscil·lant o un compressor de lleva plana per l'aire condicionat dels automòbils, és investigada actualment.

Queden bastants aspectes dels sistemes de CO2 que encara tenen que ser millorats com la seguretat, el funcionament dinàmic, la reducció de pes, la producció, i cost de realització. Si aquestes qüestions es poden solucionar amb èxit, els nous sistemes d'aire condicionats per a automòbils seran introduïts en el món si es possible aconseguir la seva acceptació a nivell global.

3