Co2 COMO REFRIGERANTE

El dióxido de carbono (CO₂) se ha convertido en una alternativa viable y ecológica a los refrigerantes tradicionales en sistemas de aire acondicionado y refrigeración. Su uso se ha incrementado debido a su bajo impacto ambiental y sus propiedades termodinámicas únicas.

CO₂ como refrigerante (R-744)

El CO₂ es un refrigerante natural con el número de clasificación R-744. Se caracteriza por tener una baja toxicidad y no ser inflamable, lo que lo hace seguro para diversas aplicaciones. Su principal ventaja es su Potencial de Calentamiento Global (GWP) = 1, mucho menor que los hidrofluorocarbonos (HFC), que tienen GWP de cientos o miles.

Ventajas del CO₂ frente a otros refrigerantes tradicionales

1. Bajo impacto ambiental: No contribuye significativamente al calentamiento global ni al agotamiento de la capa de ozono (ODP = 0).

2. Alta eficiencia en aplicaciones adecuadas: Su alta densidad volumétrica permite ciclos más compactos y eficientes en ciertas condiciones.

3. Propiedades térmicas favorables: Alta capacidad calorífica y buena transferencia de calor en intercambiadores térmicos.

4. Compatibilidad con materiales convencionales: No es corrosivo y no degrada aceites o componentes de tuberías.

5. No inflamable ni tóxico: Mejora la seguridad en comparación con amoníaco (NH₃) y ciertos hidrocarburos (HC).

Desventajas y desafíos

• Presiones operativas muy altas: Puede alcanzar más de 100 bar, requiriendo componentes más robustos y resistentes.

• Eficiencia dependiente de la temperatura ambiente: Su eficiencia puede ser menor en climas cálidos debido al funcionamiento transcrítico.

• Costo de infraestructura: Se requieren materiales y compresores diseñados específicamente para soportar estas altas presiones.

• Menor eficiencia en bajas temperaturas: En comparación con algunos HFC en ciertas condiciones.

Ciclo termodinámico del CO₂ en sistemas de aire acondicionado

El ciclo de refrigeración del CO₂ puede operar de manera subcrítica (cuando la temperatura de condensación está por debajo del punto crítico de 31.1 °C) o transcrítica (cuando la temperatura de condensación supera los 31.1 °C y el CO₂ no se condensa completamente). En aire acondicionado, generalmente opera en el régimen transcrítico.

Fases del ciclo transcrítico del CO₂

1. Compresión:

   • El CO₂ gaseoso es comprimido en el compresor, elevando su presión por encima de 100 bar y alcanzando temperaturas de hasta 120-150°C.

   • Debido a la alta presión, el trabajo de compresión es mayor que en refrigerantes convencionales.

2. Rechazo de calor (Gas Cooler en lugar de condensador):

   • En lugar de un condensador convencional, el sistema usa un enfriador de gas para disipar calor.

   • Como el CO₂ no se condensa completamente a estas temperaturas y presiones, se enfría hasta un estado de gas denso en lugar de un líquido puro.

3. Expansión:

   • A través de una válvula de expansión, el CO₂ sufre una caída brusca de presión, reduciendo su temperatura.

   • A diferencia de otros refrigerantes que mantienen una fase líquida clara, el CO₂ puede presentar una mezcla de líquido y gas.

4. Evaporación:

   • El CO₂ a baja presión entra al evaporador, donde absorbe calor del ambiente y se evapora completamente.

   • Su alto coeficiente de transferencia de calor permite una evaporación eficiente con menor tamaño de intercambiadores térmicos.

El ciclo se repite continuamente para extraer calor del ambiente y generar enfriamiento.

Aplicaciones del CO₂ en aire acondicionado y refrigeración

El CO₂ se usa cada vez más en:

1. Sistemas de refrigeración comercial e industrial: Supermercados, cámaras frigoríficas y almacenamiento en frío.

2. Aire acondicionado en automóviles: Muchas marcas europeas han adoptado R-744 en vehículos debido a regulaciones ambientales.

3. Bomba de calor y calefacción: Sistemas de agua caliente sanitaria y calefacción industrial.

4. Transporte refrigerado: Camiones y contenedores refrigerados utilizan CO₂ para reducir emisiones.

Desafíos técnicos en la implementación del CO₂

• Diseño de equipos para altas presiones: Se requieren materiales y soldaduras especiales para resistir más de 100 bar.

• Optimización de eficiencia en climas cálidos: Se estudian estrategias como ciclos en cascada con otros refrigerantes o sistemas de enfriamiento intermedio.

• Gestión de lubricantes: Es necesario emplear aceites específicos compatibles con CO₂ a alta presión.

• Mayor costo inicial: Aunque el costo de operación puede ser bajo, la inversión inicial en equipos y tuberías reforzadas es más alta.