Tecnología de CO2 en refrigeración industrial, una realidad en Latinoamérica.
por Ing. Mauricio Baena*
Con la entrada de la implementación de la enmienda de Kigalli en el presente año en Europa, y la respectiva ratificación de México, Costa Rica, Panamá, Colombia, Ecuador, Perú, Uruguay, Paraguay, y Chile de la misma enmienda, hace que estos países miren a un panorama de 5 años la necesidad de implementación de refrigerantes con GWP por debajo de 150 en nuevas instalaciones. Dentro de las opciones que los diseñadores, consultores y fabricantes tienen para implementar soluciones solo están los refrigerantes naturales: Dióxido de Carbono (CO2), amoniaco e Hidrocarburos.
EL CO2 es un Refrigerante inodoro, más denso que el aire, tiene propiedades termodinámicas más favorables en aplicaciones de Baja temperatura que los otros refrigerantes naturales, tiene baja viscosidad, y alta densidad. Su consecución es fácil, no posee ninguna restricción de legislación (Tratarse como sustancia controlada), no es Tóxico, ni tampoco es inflamable.
No obstante las amplias ventajas que tiene el CO2 como Refrigerante, en la región existe un desconocimiento de la tecnología y de su aplicación, unas veces sustentado por falta de información, otras veces por paradigmas que han fomentado los usuarios y proveedores de tecnologías que han estado en el mercado por mucho tiempo. A continuación, se describirán alguna de ellas:
- El CO2 solo es eficiente en climas fríos. Es verdad que el CO2 como refrigerante enfrenta grandes retos cuando su temperatura se encuentra por encima de 31.1 C ya que la sustancia no puede ser condensada y se encuentra en la zona transcrítica. Pero la implementación de los sistemas a través de diversas tecnologías ha permitido mejorar o igualar las eficiencias de sistemas HFC para que operen hasta 45 C ambiente. A continuación la descripción de cada sistema y su eficiencia:
• Para climas hasta 27C un sistema booster simple puede operar con igual o mejor eficiencia que un sistema HFC. Ejemplos de aplicación: Bogotá, Quito, sur de Chile.
Figura 1.
• Para climas hasta 37 C un sistema Booster con compresor en Paralelo puede operar con igual o mejor eficiencia que un sistema HFC. Ejemplos de aplicación: Lima, Montevideo, Santiago de Chile, Ciudad de México.
• Para climas hasta de 45C un sistema Booster con compresor en Paralelo y multiejector de Gas puede operar con igual o mejor eficiencia que un sistema HFC. Ejemplos: Zonas costeras del Norte de Sur América, Centro América, Caribe.
Sumado a lo anterior existen también implementaciones de Sub enfriadores de gas, o condensadores adiabáticos que, de acuerdo a la potencia frigorífica requerida, y al comportamiento climático, puede extender aún más la aplicación de cada tecnología en el rango de temperatura.
En la actualidad tenemos sistemas en ambientes que están en los 38 C ambiente en una instalación de 96 TR en Managua para un Centro de Distribución, y también instalaciones en Zona desértica en Trujillo Perú con 76 TR para un cuarto de congelados, y registra temperaturas de hasta 30 C en Verano.
- EL CO2 maneja altas presiones y solo es manejable en sistemas subcríticos. Es verdad que las presiones que se manejan en los sistemas de Refrigeración con CO2 son mayores a las presiones utilizadas en sistemas con HFC, o amoniaco. Estos valores pueden llegar incluso a 1.400 psi cuando la temperatura ambiente sobrepasa los 34 C, pero son valores de presión que se encuentran en muchos procesos en la industria. Por ejemplo un sistema hidráulico, que se encuentra debajo de la silla de operación de un montacarga, tiene esta presión, y no he encontrado el primer usuario de montacaga que argumente peligro en su trabajo por tener una manguera bajo esta presión debajo de su cuerpo, el usuario del montacarga está tranquilo, porque el fluido a esa presión está con materiales y tecnologías de montaje apropiadas. Igual pasa con el sistema de refrigeración en CO2. Para comprender mejor esta situación definamos las zonas y sus presiones:
• Zona de alta presión: comprende el recorrido de tubería que va desde la descarga de la central de compresión hasta el Gas Cooler o condensador adiabático que se encuentra en el exterior. Esta tubería se encuentra por fuera de las zonas de trabajo y mediante el uso de materiales certificados para estas presiones: acero al carbón grado 6, acero inoxidable o Cobre Tipo K65, se asegura un correcto montaje.
• Zona de presión Intermedia: corresponde a las tuberías de líquido y gas que van dentro de la instalación. Estas presiones oscilan entre los 125 psi y los 700 psi, dependiendo de la temperatura de aplicación. La tubería que puede usarse es tipo K de cobre certificada, y también acero inoxidable, y acero al carbono.
En nuestras instalaciones hemos implementado la tubería de cobre para toda la zona de liquido y succión de la instalación, y la descarga y retorno del gas cooler ha sido tubería en acero inoxidable.
- El equipo de CO2 es costoso. Desde las primeras implementaciones de tecnología trascrítica se han implementado más de 20.000 instalaciones de CO2, aproximadamente el 10% en instalaciones industriales. Los costos del equipamiento han bajado, y en la actualidad el valor del equipo es ligeramente mayor que el de HFC pero es muy inferior a aquel de amoniaco recirculado, Lo más importante es que no solo se debe tener en cuenta el costo inicial del equipo sino que se debe tener en cuenta el TCO (Costo total de propiedad - por sus siglas en Ingles). Para este análisis es importante considerar:
• Costo de instalación mecánica: por su alta densidad, el CO2 maneja diámetros mucho más pequeños que el HFC y que el amoniaco. Mientras un metro lineal de instalación de amoniaco recirculado pesa 140 Kgrs, la de una instalación de CO2 pesa 20 Kgrs.
• Costo de Obra civil para cuarto de maquinas: la alta densidad permite al CO2 usar solo Compresores Reciprocantes en los equipos, lo cual a su vez permite el uso de Racks de compresores o sistemas centralizados. En una instalación de amoniaco, por la característica constructiva, y el tamaño de compresores, la interconexión de los sistemas viene en campo, y usa hasta 10 veces mas área que aquella requerida para un sistema en CO2.
• Costo de operación: los sistemas de CO2 traen las variables de operación monitoreadas: sobrecalentamientos del sistema, de los evaporadores, presiones y temperaturas, son analizadas y el equipo de manera automática toma decisiones. No es necesario tener un operario.
• Costo de Mantenimiento: los sistemas de CO2 requieren menos mantenimiento que aquellos de HFC y de amoniaco, ya que la medición constante de variables nos permite tomar decisiones frente a las variables a controlar de manera más precisa.
• Costo de energía: tener un sistema centralizado con compresores reciprocante nos permite mantener el COP (Coeficiente de rendimiento) del sistema en cargas parciales. Esto no ocurre con sistemas centralizados, donde aún contando con sistemas de variador de frecuencia y válvulas deslizantes el sistema se penaliza altamente en energía.
• La posibilidad de implementar sistemas que no usan agua, o solo usan el 20% de un sistema tradicional de condensación evaporativa. Este punto es crítico para muchos lugares de LATAM.
En la actualidad en LATAM tenemos 5 sistemas dedicados a aplicación industrial que usan sistemas de CO2 trascrítico en México, Nicaragua, Colombia y Perú, y sus tamaños van desde 76 TR hasta 434 TR. Este último sistema se encuentra aplicado para un centro de distribución que comprende 16.777 m2 y más de 12.600 posiciones, una solución que típicamente se hubiese manejado con amoniaco recirculado pero que el análisis de TCO mostró un ahorro significativo en la implementación de CO2 trascrítico. En total, son 1.126 TR que han evitado que el medio ambiente tenga el riesgo de recibir 8.042 toneladas de CO2.
EL CO2 se convierte en una de las soluciones más lógicas para una gran parte de las necesidades industriales de la región.
* Mauricio Baena. Ingeniero Mecánico de la Universidad Pontificia Bolivariana de la ciudad de Medellín (Colombia), y Minor in Bussines Administratio de la Universidad Wichita State University en los Estados Unidos. Docente en las Universidad Pontifica Bolivariana y Universidad Industrial de Santander para el Área de Extensión Académica de la Facultad de Ingeniería mecánica. 23 años de Experiencia en el sector de la Refrigeración: 7 años en el área de Mantenimiento, y 13 años en el área comercial y de diseño, y 4 años como consultor: Actualmente me desempeño como Gerente de Ventas para Hill Phoenix División Industrial para Sur América desarrollando el canal de distribución para la tecnología CO2 y Ultra baja carga de amoniaco, así como el soporte a la implementación de los diferentes recursos para prestar los servicios de instalación y soporte técnico. En mi carrera profesional, dentro del área de diseño, la participación en el diseño y selección de sistemas de Refrigeración ha sido una constante, con más de 500 instalaciones en 14 diferentes sectores.
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