El dióxido de carbono como refrigerante

La creciente presión legislativa sobre los refrigerantes HFC y su elevado coste, unidas a las incertidumbres que rodean el empleo de HFO, han provocado que se vuelva a despertar el interés en el empleo del CO₂ (dióxido de carbono o R744) como refrigerante.

En la actualidad el CO₂ se emplea con éxito en bombas de calor compactas, destinadas a la preparación de agua caliente sanitaria y en sistemas frigoríficos de instalaciones comerciales e industriales. No obstante, y con excepción de la refrigeración doméstica, su campo de aplicación podría ser mucho más amplio.

A continuación comentaré, de manera breve, las principales ventajas e inconvenientes sobre el empleo de CO₂. Recuerda que si te interesa el tema de la refrigeración, tienes a tu disposición el itinerario de instalaciones frigoríficas.

Ventajas del CO₂ como refrigerante

Comportamiento medioambiental aceptable

Los refrigerantes tradicionalmente utilizados durante el siglo XX contaminaban por dos motivos. Los que contenían cloro, como el R12 o el R22, contribuían a la destrucción de la capa de ozono; y en general todos, a excepción del amoníaco, agravaban de manera crítica el problema del calentamiento global.

La adopción del protocolo de Montreal, a finales de los 80 del siglo XX, condujo a la prohibición gradual de los gases que agotan la capa de Ozono, y atajo en principio este problema.

Sin embargo, la adopción del protocolo de Kioto, a finales de los 90, no resulto tan exitosa en la reducción de gases productores de calentamiento global. La emisión incontrolada a la atmósfera de refrigerantes HFC, empleados ampliamente en la industria frigorífica y el aire acondicionado, llevo a la Unión Europea al endurecimiento de sus políticas. Dicho endurecimiento se ha instrumentado a través de la limitación gradual de la producción mediante una política de cuotas y prohibición gradual y la aplicación de impuestos especiales a la recarga.

Esto ha llevado a un espectacular encarecimiento de los refrigerantes, que ha obligado a fabricantes, instaladores y promotores a buscar alternativas a los HFC.

El CO₂, viejo conocido del sector, y cuyo uso se abandono mientras sus inconvenientes primaron sobre sus ventajas, ha vuelto a la palestra. Considerado natural e inorgánico, el CO₂  cuenta con unos indicadores medioambientales que mejoran a todos los refrigerantes con excepción del amoniaco. Así su potencial destructor de ozono (PAO) es nulo, y su potencial productor de calentamiento global (PCG) es igual a 1, que resulta muy favorable si lo comparamos con los HFC al uso, cuyo valor de PCG oscila entre 1.000 y 5.000

Debemos recordar que si un refrigerante tiene un PCG de 4.000 significa en la práctica que emitir 1 kg de ese refrigerante a la atmósfera equivale a emitir 4.000 kg de CO₂.

Baja toxicidad y nula inflamabilidad

El reglamento de seguridad para instalaciones frigoríficas clasifica el CO₂ como A1. La A nos indica el grupo de clasificación en función de la toxicidad, y el 1 el grupo de clasificación de acuerdo con la inflamabilidad.

La toxicidad del CO₂ es muy baja, encontrándose su límite práctico en una concentración de 0,07 kg/m³, que si bien no es tan favorable como la de los HFC más empleados, mejora sensiblemente a la del amoniaco.

En relación a la inflamabilidad, la clasificación en el grupo 1 se traduce en que CO₂ emitido a la atmósfera, no resultará inflamable a ninguna concentración.

Además, el CO₂ resulta inodoro, por lo que una eventual fuga no importunará a los vecinos, como si ocurriría con el amoniaco.

Buenas propiedades termodinámicas

Las buenas propiedades termodinámicas del CO₂ redundan en una buena transferencia térmica y en bajo consumo de energía para cada kW de refrigeración producido.

Bajo coste y alta disponibilidad

El CO₂ es un residuo que aparece en los productos de la combustión de cualquier proceso térmico. Su utilización como refrigerante supone la oportunidad de valorizar un producto de desecho.

Compatible con la mayoría de los aceites de refrigeración

El CO₂ es compatible con los POE, PAG , PVE y PAO , cuyo uso está ampliamente extendido en las instalaciones de refrigeración. En instalaciones herméticas de pequeña potencia se suele emplear aceite sintético POE, similar al empleado con los HFC.

En instalaciones en cascada con amoniaco (R717) con compresores de tornillo, se acostumbra a emplear aceite PAO, también compatible con el amoniaco, lo que minimiza el riesgo de contaminación.

Alta densidad en estado gas y alta presión disponible

Esto supone que las tuberías de gas tendrán menor diámetro que las del resto de refrigerantes. Esta ventaja se potencia por el hecho de que las presiones disponibles hacen tolerables mayores pérdidas de carga en las tuberías.

La elevada densidad del gas también reduce el caudal volumétrico necesario, permitiendo emplear compresores de menor cilindrada para la misma producción frigorífica.

Elevada temperatura de descarga

Un compresor de CO₂ descarga el gas unos 30ºC más caliente que un HFC, aunque la diferencia depende del ciclo frigorífico. Esto, si bien perjudica a la durabilidad del aceite lubricante, permite la recuperación de calor o la preparación de agua caliente sanitaria con buenos rendimientos energéticos.

Reducción de la carga de refrigerante

En instalaciones industriales, el empleo de cascadas de CO₂ y amoniaco permite reducir significativamente la carga de refrigerante, respecto a la típica instalación de amoniaco en régimen inundado.

Esto, unido al mayor grado de seguridad del CO₂, reduce de manera importante el riesgo de las plantas de amoniaco en caso de fuga de refrigerante.

Exigencia de menor número de recirculaciones en sistemas inundados

La tasa de recirculación empleada en las instalaciones de amoniaco en régimen inundado, expresada como la relación entre el caudal másico bombeado a los evaporadore y el caudal evaporado, suele estar en torno a 4 (hasta 10 en armarios de placas).

Esta tasa puede reducirse del orden de un 35 – 40% para instalaciones en las que el refrigerante recirculado el CO₂.

Inconvenientes del CO₂ como refrigerante

Presiones de trabajo muy elevadas

Es quizás el mayor inconveniente del CO₂. Una instalación frigorífica empleando CO₂ como refrigerante estaría sometida a presiones mucho mayores que con otro refrigerante. Hablamos de presiones comprendidas entre los 15 y los 35 bar en la zona de baja presión, y presiones en el entorno de los 100 bar en la zona de alta presión.

Esta presión obliga a que las instalaciones estén construidas con materiales de elevada resistencia mecánica, y a emplear componentes especiales con elevadísimas presiones de servicio.

Además obliga a mucho más rigor durante el uso, siendo exigible soldadores de cobre para el montaje. También dificulta el mantenimiento y hace más peligrosa el uso de la planta frigorífica.

Dificultades para la condensación en climas cálidos

El punto crítico del CO₂ se da a los 31ºC de temperatura. Esto significa que por encima de esta temperatura el CO₂ es un fluido transcrítico, que no es posible condensar para convertirlo en líquido.

En climas cálidos y en instalaciones condensadas por aire, está dificultad obliga a emplear circuitos frigoríficos especiales como ciclos transcríticos, sistemas apoyados por enfriadoras de líquido con HFC o sistemas en cascada.

En la práctica esto se traduce en un layout más complejo, con las dificultades de diseño que conlleva, y en encarecimiento de la instalación.

Las instalaciones son más costosas y requieren operarios más cualificados

Las dos dificultades anteriores (altas presiones y temperatura crítica baja) sumadas implican el empleo de materiales más resistentes y componentes especiales en instalaciones más complejas. Como es lógico esto implica que el coste inicial de la instalación será mayor.

Si bien, este sobrecoste puede ser compensado en parte por el bajo precio del refrigerante en caso de fuga, las características peculiares de la instalación también contribuyen a encarecer su mantenimiento.

Densidad del CO₂ mayor que la del aire

Que el CO₂ sea más denso que el aire, supone que, en caso de fuga el refrigerante caerá hacia el suelo, lo que podría suponer la formación de atmósferas asfixiantes por la acumulación del gas en espacios confinados. Hay que recordar que el CO₂ carece de olor.

Riesgo de solidificaciones que obstruyan válvulas

Una caída brusca de presión en un flujo de CO₂ puede provocar que el fluido alcance las condiciones del punto triple (5,18 bar y 56,6ºC), en el que coexisten las fases líquida, sólida y gas.

Esto supone que parte del CO₂ solidifica, formándose una corriente de nieve carbónica (similar a la descarga de un extintor) que obstruya el paso de refrigerante. Esta particularidad cobra especial importancia en el caso de descarga de las válvulas de seguridad a la atmósfera, y debemos tenerla en cuenta en el dimensionado de las mismas.

Inmiscibilidad con los aceites POE y mayor densidad

Hay que tener en cuenta que el CO₂ es más denso que los lubricantes. En caso de inmiscibilidad, como ocurre con los aceites POE, el CO₂ se quedaría flotando encima del refrigerante líquido en los depósitos, dificultando el retorno de aceite al compresor.

En instalaciones que empleen lubricantes inmiscibles con el CO₂ debemos, facilitar el retorno de aceite, bien evitando depósitos o instalando separadores de de aceite coalescentes.

Conclusiones

El CO₂ es supone una interesante alternativa al empleo de HFCs. Cuenta con un muy buen comportamiento medioambiental, tiene excelentes propiedades termodinámicas y consumo energético bajo.

Si hablamos de sus inconvenientes, las elevadísimas presiones de trabajo y la baja temperatura crítica, obligan a utilizar componentes específicos y diseños especiales en los sistemas frigoríficos.