Trabajo Técnico No. 2. Diseño de sistemas de CO 2

Transcripción

1 Trabajo Técnico No. 2 Diseño de sistemas de CO 2 en cascada con amoníaco Ole Christensen M&M Refrigeration Federalsburg, Maryland Traducido por: Ricardo Mardones RIMA Refrigeration LLC Houston, Texas Abstracto Las restricciones en el uso de refrigerantes CFC, HCFC y hasta los HFCs están aumentando en la mayoría de los países. Potencialmente, esto deja los refrigerantes naturales como amoníaco, CO 2, propano y butano como las únicas alternativas viables. Sin embargo, los refrigerantes hidrocarburos como propano y butano son muy inflamables y explosivos, por lo tanto su uso probablemente no será muy amplio. Para la mayoría de sistemas de refrigeración industrial, las alternativas serán el uso de amoníaco (NH3) o sistemas en cascada en el cual el refrigerante principal será amoníaco y el secundario CO 2. Adicionalmente, en muchos países y estados, las autoridades gubernamentales están restringiendo la carga de amoníaco que un sistema puede tener así mismo muchos usuarios finales no quieren amoníaco en áreas de trabajo, proceso ni almacenaje. Tal reacción es motivada por accidentes ocurridos en algunas plantas donde el resultado ha sido que todo el refrigerante contenido en el sistema ha escapado a la atmosfera creando situaciones de alto riesgo personal. Acorde con esto el uso de CO 2 en cascada con amoníaco es una alternativa cada vez más procurada. Este trabajo describe varias soluciones para la aplicación de CO 2 con amoníaco en cascada. Se discute la selección de los componentes, dimensionamiento de válvulas, válvulas de alivio, tuberías y tanques. Finalmente el trabajo presenta precauciones de seguridad para operar y proveer servicio a los sistema en cascada NH3/CO 2. IIAR

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3 Diseño de sistemas de CO 2 en cascada con amoníaco Antecedentes En 1866 un estadounidense, T.S.C. Lowe, fue el primer usuario conocido de un sistema de refrigeración mecánica usando CO 2 como refrigerante. Desde esa fecha hasta 1940 un sin número de empresas también utilizaron este refrigerante. No obstante los usuarios tuvieron problemas con sus sistemas debido a: Las presiones de operación del CO 2 son muy altas. El punto triple del CO 2 (~ 70 psi manométrico [4.8 bar manométrico] y -70 F [-57 C]) está por encima de la presión atmosférica. El punto crítico es a una temperatura relativamente baja (~ 1080 psi manométrico [74.5 bar manométrico] y 88 F [31 C]). Sistemas de control automático no existían en esa época. Debido a sus propiedades físicas que facilitaban mucho su manejo, el amoníaco y los refrigerantes halo carbonados (Freón) prevalecían y para la década de 1960 casi no existían sistemas de refrigeración con CO 2. Los refrigerantes halocarbonados, principalmente las sustancias químicas clorofluorocarbonos (CFC) y los hidroclorofluorocarburos (HCFC) casi lograron el monopolio en aplicaciones de sistemas residenciales y comerciales para aquel entonces. Un par de décadas después, empezó a crecer las preocupaciones del público sobre el daño ambiental producido por las emisiones de Freón. Se establecieron fechas de eliminación gradual para refrigerantes CFC y HCFC, y se renovó el interés del público en en el uso de refrigerantes naturales tales como amoníaco, hidrocarbonados (HCs) así como los nuevos refrigerantes halocarbonados (Hidrofluocarbonados o HFC) los cuales no afectan la capa de ozono. Sin embargo, aunque se determinó que los nuevos refrigerantes HFC tienen propiedades de calentamiento global, el nivel de interés en refrigerantes naturales y HFCs variaba mucho de acuerdo a la ubicación geográfica. La mayoría de los países Europeos han establecido fechas bastantes agresivas en la eliminación de estos refrigerantes de acuerdo al Protocolo de Montreal, acelerando International Technical Paper #2 IIAR

4 2016 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, Orlando, FL en forma apreciable la eliminación de los CFC y HCFC. Para el año 2000, los CFS y HCFS estaban casi totalmente fuera del mercado en los países de Europa occidental; incluso el uso de HFC fue cuestionado en muchos países debido a sus propiedades ligadas al calentamiento global. Impuestos medioambientales muy elevados y el requisito de frecuentes pruebas de fuga realizados por empresas autorizadas hicieron muy costoso e inconveniente el uso de HFCs en muchos países europeos. Casi todas las instalaciones nuevas de Europa en la actualidad utilizan refrigerantes naturales; la elección más común es el amoniaco. Sin embargo, muchos países han comenzado a dictar reglas cada vez más estrictas para grandes cargas de amoniaco, llevando los usuarios finales a considerar el uso de CO 2 como refrigerante. En Francia, las autoridades incluso han recomendado que los usuarios finales con grandes cargas de amoniaco instalen sistemas de CO 2 nuevos en lugar de expandir los sistemas de amoníaco existentes. Otros factores, tales como los altos costos de energía y el potencial menor consumo de energía (especialmente en sistemas de baja temperatura) han favorecido al CO 2 como refrigerante. Desde el inicio de este milenio, el uso de CO 2 en sistemas industriales se ha acelerado bastante. Esta tendencia es bastante evidente: en una de las principales empresas de refrigeración de Europa, el número de nuevas instalaciones con CO 2 fue 4 en el 2011, 18 en 2002, 23 en el 2003 y 27 en el año En Norteamérica, los factores que han impulsado esta tendencia hasta ahora no han sido tan fuertes como en Europa. Los HCFCs no serán completamente eliminados antes del 2020 (un 65% en el 2010, un 90% al 2015 y un 99,5% en el 2020) y no aplican mayores restricciones al uso de HFC, aunque estos refrigerantes son muy costosos. Incluso con las recientes alzas, los precios de la energía permanecen relativamente bajos comparados con los precios globales. Aun con aumentos recientes, los precios de la energía continúan relativamente bajos comparados con los precios globales. No obstante, los precios de energía continúan aumentando y ya se aplican restricciones sobre grandes cargas de amoniaco. De hecho, muchos estados 4 IIAR 2016 International Technical Paper #2

5 Diseño de sistemas de CO 2 en cascada con amoníaco de los Estados Unidos están siendo más estrictos. Así, el interés en el CO 2 está aumentando en los Estados Unidos también. Introducción Hace unos pocos años, cuando el CO 2 fue reintroducido al mundo de la refrigeración industrial, la configuración del sistema era diferente de lo que había sido en el pasado. Para evitar presiones muy altas, los diseños de cascada fueron especificados, en los cuales el CO 2 solo se utiliza en etapa baja. Otro refrigerante, típicamente el amoníaco, se utiliza en etapa alta. Para mover el calor entre las dos etapas, un intercambiador de calor en cascada (ICC) se utiliza. El ICC sirve como condensador para el lado de CO 2 y como evaporador para el amoníaco. El ICC puede ser instalado en paralelo con el enfriador intermedio en una planta convencional de dos etapas; los dos son diferentes ya que para que el ICC intercambie calor, la temperatura de cada refrigerante debe ser diferente. La resistencia al flujo de calor en el ICC causa sanciones por eficiencia que un sistema convencional de dos etapas no generaría. Sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones de baja temperatura, esta pérdida de eficiencia es más que compensada por la mayor eficiencia del compresor de CO 2. Ventajas del sistema de cascada de amoníaco/co 2 El costo inicial y las ventajas del costo operativo de un sistema de cascada de amoníaco/co 2 frente a un sistema convencional de dos etapas o un sistema de una etapa de compresión con economizador dependen de: Las condiciones operativas actuales La selección de la temperatura intermedia La selección del ICC, compresor, tuberías, válvulas y otros componentes. International Technical Paper #2 IIAR

6 2016 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, Orlando, FL Los costos y beneficios reales deben ser calculados después de que la aplicación ingenieril este completa y optimizada. En general, el tamaño de la carga de amoníaco en el sistema de cascada es típicamente solo un 10 a 20% de la carga en un sistema convencional. El tamaño exacto es difícil de calcular de antemano y depende de las reglas y regulaciones locales para el uso de amoníaco. Además, los beneficios asociados a no tener amoniaco en áreas de trabajo/proceso/almacenaje son difíciles de cuantificar y deben ser evaluados caso a caso. Costos operacionales Los sistemas de cascada de amoníaco/co 2 son más económicos de operar que los convencionales de amoníaco. La figura 1 ilustra el COP (coeficiente de rendimiento) total en diferentes temperaturas de evaporación tanto para un sistema de cascada como uno convencional (dos etapas y una etapa con economizador). A una temperatura de evaporación de -25 F [-32 C], los tres sistemas están casi uniformes. A temperaturas más bajas que -25 F [-32 C], el sistema de cascada de amoniaco/ CO 2 mejora en relación a los otros sistemas; cuanto menor sea la temperatura, mayor la mejora. La brecha entre el sistema de cascada y el convencional es especialmente notable en el caso del sistema con economizador de una etapa, donde la diferencia es de 18% a -40 F [-40 C], 33% a -50 F [-46 C] y 43% a -60 F [-51 C]. Este último punto es importante porque los sistemas convencionales de una etapa de compresión con economizador que trabajan a -40 F [-40 C] ó -50 F [-46 C] no son inusuales en la industria. En el caso de un sistema convencional de dos etapas, la brecha es menor de 5% a -40 F [-40 C], un 8% a -50 F [-46 C] y de 12% a -60 F [-51 C]. Las diferencias de desempeño solo dan cuenta de los compresores; en un sistema de cascada real, los condensadores manejarían menos carga y, así, consumirían menos energía. Las diferencias de desempeño también solo aplican a condiciones de plena carga. En la mayoría de las plantas industriales, las cargas varían durante el día, la semana y el año. Los lados de CO 2 de la mayoría de los sistemas de cascada amoníaco/co 2 instalados usan compresores alternativos, los cuales tienen 6 IIAR 2016 International Technical Paper #2

7 Diseño de sistemas de CO 2 en cascada con amoníaco características de capacidad parcial mucho mejores que los compresores de tornillo. La figura 2 ilustra el COP para los tres sistemas con una capacidad parcial de un 50%. El lector puede notar que el COP para cada sistema de cascada es 2 a 3 veces mayor que el de sistema de amoníaco de una etapa de compresión con economizador entre -45 F [-43 C] y -60 F [-51 C]. A -40 F [-40 C], el COP es 80% mayor; y a -30 F [-34 C], es 50% mayor. Además la brecha del COP relativa al sistema de amoníaco de dos etapas de compresión es más significativa ahora: 42% a -60 F [-51 C], 29% a -50 F [-46 C], 20% a -40 F [-40 C] y 14% a -30 F [-34 C]. Debido a que las cargas varían tanto, los propietarios podrían ahorrar mucho en los costos de operación seleccionando un sistema de cascada de amoníaco/co 2 para sistemas de baja temperatura. Costo inicial Algunas propiedades del CO 2 difieren significativamente de las del amoníaco, especialmente la densidad de la fase gas a bajas temperaturas. Debido a que el CO 2 es más denso que el amoníaco, se requieren componentes más pequeños para manejar la misma masa: Los compresores son normalmente 8-12 veces más pequeños. La figura 3 ilustra este punto trazando la capacidad del compresor en diferentes temperaturas de evaporación del CO 2 (a la mayor presión requerida) versus el amoníaco. Es significativo que las tuberías de succión más pequeñas (normalmente dos a tres tamaños más pequeños) se podrían usar para lograr una caída de presión/ temperatura equivalente. Los separadores de líquido-gas también son más pequeños. Por ejemplo un acumulador para CO 2 a menudo puede ser de la mitad del diámetro de uno de amoníaco en las mismas condiciones. La situación se revierte para la densidad de líquido de los dos refrigerantes: a pérdidas de presión iguales, las líneas de líquido de CO 2 normalmente serían un tamaño mayor que aquellos del amoníaco. Se discutirá el dimensionado de tubería y tanques con mayor detalle a continuación. International Technical Paper #2 IIAR

8 2016 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, Orlando, FL La presión de operación para el CO 2 es considerablemente más alta que para el amoníaco en iguales temperaturas de aplicación, requiriendo componentes más sustanciales (compresores, tanques, válvulas, etc.). Además, un sistema de cascada requiere un ICC costoso en lugar de un intercambiador o tanque con economizador relativamente económico. En resumen, un sistema de cascada de amoníaco/co 2 requiere unos componentes menos costosos: Compresores (lado de baja temperatura) Tuberías de succión, válvulas, aislamiento, etc. Tanques para separación de líquido (más el aislamiento necesario).pero otros más costosos: Tanques entre-etapas (ICC vs. enfriador intermedio) Tubería de líquido, válvulas, aislamiento, etc. Componentes que requieren índices de presión adecuados para CO 2 La importancia adecuada que se puede dar a estos factores depende mucho del caso real y muchos otros factores intervienen; por ejemplo, el tamaño de la planta, los niveles de temperatura requeridos, la longitud de las tuberías entre los componentes, la diferencia de temperatura seleccionada en ICC. Sin embargo, en muchos casos, el costo inicial de un sistema de cascada amoníaco/co 2 será un 5 a 10 por ciento menor que un sistema convencional de amoníaco de dos etapas de compresión, y alrededor del mismo precio de un sistema de amoníaco de una etapa de compresión con economizador. Probabilidad y consecuencias de una emisión de refrigerante Bajo circunstancias normales, los beneficios del amoníaco contenido en un sistema de refrigeración sopesan bastante los riesgos. El poco probable evento de una emisión no intencional plantea un riesgo potencial para los trabajadores de la planta y los 8 IIAR 2016 International Technical Paper #2

9 Diseño de sistemas de CO 2 en cascada con amoníaco productos alimenticios, dependiendo de la magnitud y la ubicación. Sin embargo, basándose en la percepción pública del riesgo, muchos países/estados restringen los tamaños de carga de amoníaco. Por consiguiente, los dueños tienen un incentivo real de minimizar las cargas. En un sistema de cascada amoníaco/co 2, la carga de amoníaco es generalmente solo una pequeña fracción de la carga de un sistema de amoníaco convencional. Además, el amoníaco está limitado a la sala de máquinas y el condensador. Al usar un condensador de placas enfriado por agua junto con una torre de enfriamiento se puede reducir más la carga de amoníaco. Ver el caso de estudio 2 a continuación para un ejemplo de este tipo de sistema. En las áreas de producción y almacenamiento, el sistema de cascada contiene solo CO 2 el cual, tomando unas pocas precauciones, puede volverse prácticamente inofensivo. En el caso de una fuga importante, no se destruirán productos. El límite de concentración a corto plazo (exposición de 10 minutos) en la gente es de 3%, relativamente una gran cantidad. En la exposición al CO 2, para que sea una amenaza para la salud o la vida, las concentraciones deben incrementarse a un 10-20%, lo cual tomaría una considerable cantidad de tiempo. Durante este tiempo, usualmente sería posible que la gente saliera de la instalación o, sea rescatada. Lo más probable, en el caso de una fuga importante, la mayor parte del CO 2 que escape formaría CO 2 hielo/nieve, el cual finalmente sublimaría a gas de CO 2. El hielo/nieve de CO 2 en los productos no los dañaría en absoluto y podrían ser fácilmente removidos de la instalación. Nota: el CO 2 aún posee algún grado de riesgo, aunque pequeño, por ende, detectores de gases son necesarios en los lugares donde se instalen sistemas de CO 2. Normalmente, el detector se establece con alarma para una concentración de un 1%, la cual es el límite de exposición a largo plazo en la mayoría de los países. Finalmente, el CO 2 no es inflamable o explosivo en concentración alguna: de hecho, se usa comúnmente en los extintores de incendio. International Technical Paper #2 IIAR

10 2016 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, Orlando, FL Servicio y mantención La mantención y servicio diario de un sistema de cascada de amoníaco/co 2 es similar en muchos aspectos a un sistema de amoníaco convencional, pero es normalmente más rápido y fácil. Como el amoníaco, la alta presión operativa y la presión hidrostática de rápida elevación del líquido atrapado en los componentes aislados debe ser manejada cuidadosamente. Además, a los componentes que han tenido mantenimiento se les debe evacuar el aire y humedad antes del arranque. La evacuación es particularmente fundamental en los sistemas CO 2 de porque, a diferencia del amoníaco, el CO 2 no puede absorber y no tolera mucha agua. Además, los técnicos deben actuar para prevenir la formación de hielo seco cuando se abre un componente para realizar mantenimiento. No se requiere ni vaciar refrigerante en recipientes de agua (como sucede con el amoníaco) ni bombear refrigerante con unidades de recuperación (como con el Freón). Después de aislar un componente, el CO 2 contenido dentro puede simplemente ser liberado en la atmósfera. Además, cuando se abre el componente para mantención, no se necesita tiempo adicional para que el olor del refrigerante se disipe. El drenado de aceite solo es necesario en el lado de amoníaco del sistema. En el sector de CO 2, un sistema de recuperación de aceite es generalmente instalado para hacer regresar automáticamente el aceite a los compresores. En el arranque inicial y durante el mantenimiento, el aire y la humedad pueden potencialmente contaminar el sistema de cascada. Sin embargo, durante la operación normal, el área de CO 2 del sistema siempre opera con una presión positiva en todas las áreas de la planta, de este modo previniendo que entren el aire y la humedad. Por lo tanto, no se necesita un purificador de aire pero si secadores de filtro para remover el agua del sistema. 10 IIAR 2016 International Technical Paper #2

11 Diseño de sistemas de CO 2 en cascada con amoníaco Diseño del sistema general Diferentes aplicaciones del sistema Desde un punto de vista de costos operacionales, los sistemas de cascada de amoníaco/co 2 comienzan a compensar cuando las temperaturas de evaporación son menores a -25 F [-32 C]. Hasta el momento, los usuarios finales han instalado estos sistemas mayoritariamente en aplicaciones de congelación de alimentos (por ejemplo helados, productos del mar, pollo, carne) a bajas temperaturas (-40 F a -60 F [-40 C a -51 C]). Los sistemas de cascada de amoníaco/co 2 también ayudan a minimizar las cargas de amoníaco y eliminan el amoníaco de áreas de trabajo, procesamiento y almacenamiento. La figura 4 muestra un ejemplo de un sistema de cascada amoníaco/co 2 típico para una aplicación de congelación. La mayoría de las aplicaciones usan sistemas de recirculación de líquido bombeado similares a los sistemas de amoníaco convencionales. Generalmente, corren de forma intermitente, lo que significa que se debe instalar equipos auxiliares para mantener la presión de CO 2 bajo diseño cuando el sistema principal se encuentre apagado. La mayoría de los usuarios finales hacen esto vaciando automáticamente el CO 2 líquido de los evaporadores en el tanque recirculador aislado y luego arrancando una pequeña unidad condensadora independiente (2-5 CV [1,5-3,7 kw) con un serpentín evaporador en la parte superior del tanque para mantener un punto de ajuste de la presión. Los tanques deben estar equipados con válvulas de alivio de seguridad en caso de falla de la energía o mal funcionamiento de la unidad condensadora. A menudo los depósitos frigoríficos en Europa usan diseños de cascada amoníaco/ CO 2. A estos usuarios finales les gustan la carga reducida de amoníaco y la eliminación de amoníaco del área de almacenaje. Además, el costo inicial reducido ha sido un factor determinante; y como muchas instalaciones realizan congelamiento rápido a temperaturas bajas, también se consideran los costos de operación reducidos. International Technical Paper #2 IIAR

12 2016 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, Orlando, FL Generalmente, los sistemas de almacenamiento en frio operan continuamente. Los compresores principales funcionan o están en espera todo el tiempo, entonces estos sistemas generalmente no están equipados con equipo auxiliar para mantener la presión. Como las aplicaciones de congelamiento a baja temperatura mencionadas anteriormente, la mayoría de las aplicaciones de almacenamiento en frio usan diseños de recirculación por bomba. El mismo concepto ha sido utilizado en numerosas instalaciones de supermercados en Europa. Muchos sistemas de almacenamiento en frio operan a dos niveles de baja temperatura: uno para congelar (normalmente -40 F a -50 F [-40 C a -46 C]) y otro para almacenamiento (normalmente -20 F a -30 F [-29 C a -34 C]). En algunas aplicaciones, el CO 2 es también usado para instalaciones de alta temperatura (por ejemplo cuartos refrigerados o zonas de carga o descarga) a temperaturas alrededor de 40 F [4 C]. La figura 5 muestra un ejemplo de un típico sistema de cascada amoníaco/co 2 para una aplicación de almacenamiento en frio con carga de cuarto de congelado y cuarto de producto fresco. Para un cuarto de alta temperatura, se recircula el líquido alrededor de 20 F [-7 C] desde el recibidor de alta presión de CO 2. La pequeña cantidad de gas que se forma se desplazará al condensador de cascada donde es recondensado. De esta manera, el CO 2 es usado como una salmuera de evaporación en el lado de la temperatura alta; ningún compresor de CO 2 está involucrado. Comparado con el glicol u otras salmueras, el CO 2 es muy eficiente, requiere tubería mucho más pequeña, así como bombas y unidades de aire más pequeñas. También se usa el CO 2 de este modo en las pistas de hielo. Presiones y temperaturas Como sucede con cualquier refrigerante, la temperatura de diseño de evaporación para el CO 2 está determinada por los requerimientos de aplicación en la planta. Al punto triple de cualquier refrigerante, se forma una fase sólida, entonces esta es la 12 IIAR 2016 International Technical Paper #2

13 Diseño de sistemas de CO 2 en cascada con amoníaco temperatura de evaporación mínima absoluta. Para el CO 2 el punto triple es -69,9 F [-56,6 C]. Para entregar un margen de seguridad que le dé tiempo al sistema de control para reaccionar en el evento de una repentina baja de carga, la temperatura de evaporación mínima generalmente se considera alrededor de los -65 F [-54 C]. La temperatura de condensación del lado del amoníaco está determinada por las condiciones meteorológicas de la ubicación de la planta y por el tipo de condensador. Normalmente, para un condensador evaporativo en una planta de refrigeración industrial, 95 F [35 C] es la temperatura seleccionada. Lo que resta es determinar las temperaturas intermedias; o sea, la temperatura de condensación en el lado CO 2 y la temperatura de evaporación en el lado del amoníaco, y la diferencia de temperatura (ΔT) entre los dos refrigerantes en el intercambiador de calor de cascada. Una pequeña ΔT producirá un alto COP total para el sistema y requerirá compresores algo más pequeños, pero también requerirá un ICC mayor. Además, en algunas aplicaciones, la temperatura intermedia podría prestar servicio a una carga de refrigeración, lo cual también afecta a la temperatura intermedia a elegir. El estudio de caso 1 muestra en ejemplo de un sistema que incluye una carga intermedia. El autor investigó los efectos del costo inicial y costo de operación de diferentes configuraciones de componentes a diferentes ΔT para el ICC. Las condiciones de operación en el lado del CO 2 fueron fijadas a -40 F [-40 C] en la temperatura de evaporación, y 23 F [-5 C] como temperatura de condensación, con el lado del amoníaco a 95 F [35 C] como temperatura de condensación y variadas temperaturas de evaporación que van desde 4-20 F [-16 a -7 C]. Así, muchos ΔT, desde 3-19 F [2-11K], fueron evaluados. La figura 6 ilustra el efecto de las diferentes combinaciones en el costo inicial del compresor e ICC. A bajas ΔT, el ICC fue mayor y más costoso mientras que el compresor fue más pequeño y menos costoso. Con altas ΔT, ocurre lo contrario. International Technical Paper #2 IIAR

14 2016 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, Orlando, FL Sumando las dos curvas juntas da el costo inicial total del capital de inversión (es decir, la parte del sistema afectada por la elección de ΔT). El capital de inversión mínimo total ocurre alrededor de los 11 F [6K]. La figura 7 incorpora el costo de inversión calculado anteriormente en un análisis financiero que también incluye el costo eléctrico total (valor neto actual) por operar los compresores. Estas dos curvas se suman juntas para generar la inversión financiera total. Con un ΔT alrededor de 7 F [4K], la inversión total es mínima, representando la elección óptima. Muchas plantas son diseñadas con un ΔT de 9 F [5K], el cual pondera más alto el costo mínimo inicial y este valor es usado en el análisis continuo que se presenta a continuación. Habiendo decidido la ΔT, el nivel de temperatura intermedia aún debe ser determinado. Para un sistema de amoníaco de dos etapas convencional, la presión intermedia óptima teórica P i se determina con la ecuación: P i= ( P e x P c ) ½ (1) Donde: P c = presión de condensación [psia/bara] P e = presión de evaporación [psia/bara] Como ejemplo, para una planta de amoníaco de dos etapas con una temperatura de evaporación de -40 F [-40 C] (~10.5 psia [0.724 bara]) y una temperatura de condensación de 95 F [35 C] (~196 psia [13.5 bara]), la presión intermedia optima P i sería (10.5 x 196) ½ = 45.4 psia [3.13 bara], lo que corresponde a una temperatura saturada intermedia de 17.5 F [-8 C]. Para un sistema de cascada de amoníaco/co 2, se debe prestar especial atención a la presión de condensación del CO 2. Las presiones de diseño para muchos componentes, incluyendo compresores, intercambiadores de calor, tanques y válvulas, son 14 IIAR 2016 International Technical Paper #2

15 Diseño de sistemas de CO 2 en cascada con amoníaco generalmente cerca de psi [24-28 bar]. Un margen de seguridad práctico de 30 psi [2 bar] limita la presión de condensación del CO 2 a psi [22-26 bar], la cual es equivalente a una temperatura saturada de 6 F a 14 F [-14 C a -10 C]. Con el incremento del uso del CO 2 en Europa en los últimos cinco años, los fabricantes han respondido con líneas de productos que incluyen presiones de diseño de alrededor 600 psi [~40 bar], permitiendo que las temperaturas de condensación del CO 2 se aproximen a 40 F [4 C]. Sin embargo, estos componentes de alta presión a menudo son más costosos, por ello se deben plantear dos preguntas: 1. Existe un caso en el cual estos componentes más costosos se justifiquen? 2. Son necesarios o deseables estos componentes? Para examinar los beneficios de presiones/temperaturas de condensación más altas, el autor compraró el COP total del sistema para dos sistemas, cada uno operando a una temperatura de evaporación de -40 F [-40 C] y una temperatura de condensación de 95 F [35 C] y con una capacidad de 150 TR [530 kw]: Un sistema de cascada de amoníaco/co 2 con una ΔT de 9 F [5K] Un sistema de amoníaco convencional de dos etapas con un enfriador intermedio abierto La figura 8 muestra que para las temperaturas intermedias en incremento, el COP del compresor de baja etapa disminuye mientras que el COP del compresor de alta etapa aumenta. La figura 9 muestra el COP total (baja más alta etapa) en diferentes temperaturas de evaporación de etapa alta. El sistema de cascada muestra un desempeño optimo entre temperaturas de evaporación de 12 F [-11 C] y 16 F [-9 C], correspondiendo a una temperatura de condensación de CO 2 optima (en una ΔT intermedia de 9 F [5K]) de entre 21 F [-6 C] y 25 F [-4 C]. A estas temperaturas, las presiones saturadas para el CO 2 están entre psi manométrico [28-31 bar]. Por lo tanto, para maximizar los beneficios de bajos costos de operación de un sistema de cascada de amoníaco/ International Technical Paper #2 IIAR

16 2016 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, Orlando, FL CO 2, se debe condensar el CO 2 a presiones más altas que los valores normales de presión permitirían. Para un sistema de amoníaco de dos etapas, la temperatura intermedia óptima es de alrededor 20 F [-7 C], en cercana correspondencia con el valor optimo teórico. En la figura 9, la curva para el sistema de cascada también muestra que el consumo de energía es relativamente sensible a los cambios en la temperatura intermedia. En la curva, el COP del sistema disminuye rápidamente en ambos lados de la temperatura intermedia óptima. La curva para el sistema de amoníaco de dos etapas es mucho más plano alrededor de la temperatura óptima; como resultado, el consumo de energía es mucho menos sensible a la elección de la temperatura intermedia. Finalmente, las curvas confirman que el sistema de cascada de amoníaco/co 2 tiene un COP de sistema teórico total más alto. Compresores Como se mencionó anteriormente, debido a la mayor densidad del gas de CO 2, los compresores de desplazamiento igual normalmente tienen una capacidad refrigerante 8 a 12 veces mayor al operar con CO 2 que con amoníaco. Los compresores reciprocantes son usados mejor en aplicaciones con altas presiones diferenciales, altas presiones de succión y bajos índices de compresión. Compresores de tornillo se desempeñan mejor con bajos diferenciales de presión. Como resultado, con CO 2 los reciprocantes normalmente exhiben un COP 10-15% mejor que los de tornillo. Además, la alta capacidad relativa con CO 2 hace que sea realista hacer funcionar incluso grandes plantas industriales con reciprocantes en el lado de CO 2. Reciprocantes para uso con CO 2 actualmente están disponibles con capacidades de hasta 170 TR [600 kw] a una temperatura de evaporación de -40 F [-40 C] 16 IIAR 2016 International Technical Paper #2

17 Diseño de sistemas de CO 2 en cascada con amoníaco y temperaturas máximas de condensación de alrededor de 40 F [4 C] y tienen una presión de diseño de 580 psi [40 bar] lo que significa que las temperaturas intermedias optimas pueden ser alcanzadas fácilmente. Los tornillos más pequeños disponible hoy para aplicaciones con CO 2 tienen capacidades de alrededor 200 TR [700kW] a -40 F [-40 C] con temperaturas de condensación máximas alrededor de 18 F [-8 C]. El pequeño diámetro de rotor y el diferencial de presión alto para los tornillos de CO 2 presentan problemas: los COP no son muy buenos y no son capaces de funcionar a temperaturas intermedias óptimas. Intercambiadores de calor de cascada (ICCs) El ICC es el componente más fundamental y más costoso en un sistema de cascada de amoníaco/co 2. La presión de diseño en el lado del CO 2 es bastante alta ( psi [34-41 bar]). Las fugas en el ICC pueden causar la mezcla del CO 2 con el amoníaco, lo cual provocaría serios problemas y podría ser fatal para el sistema de refrigeración. Se pueden usar tres tipos de intercambiadores de calor en aplicaciones ICC: Construcción marco y placa es muy eficiente, usa a muy pequeña carga de amoníaco y no provocara que los refrigerantes se mezclen en el caso de una fuga de la soldadura. Sin embargo, a estas altas presiones, las juntas no funcionan, por ello se debe usar una construcción completamente soldada. Este tipo es el más costoso de las tres opciones. Unidades de casco y tubo están disponibles para esta aplicación, pero esta opción ocupa un gran espacio y requiere una carga de amoníaco relativamente grande. Para disminuir el riesgo de mezclar refrigerantes en las fugas de las junturas tubo/placa de tubo, algunas unidades casco y tubo están hechas con placas de tubo dobles con un espacio neutral entre las dos palcas de tubo. Este tipo de construcción da una advertencia si ocurre una fuga. Para ICCs relativamente pequeños, un intercambiador de calor de casco y tubo está en el rango menor de precios. International Technical Paper #2 IIAR

18 2016 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, Orlando, FL La construcción casco y placa es probablemente el tipo más especificado. Las ventajas incluyen un costo relativamente bajo, alta eficiencia, espacio reducido y una carga de amoníaco moderadamente baja. La desventaja es que el conjunto de placas (donde condensa el CO 2 ) está sumergido en amoníaco; cualquier fuga causará inmediatamente la mezcla de los refrigerantes. Sin embargo, se pueden tomar precauciones para evitar el corte total del sistema, incluyendo: (1) intercambiadores de calor redundantes que pueden ser aislados, y (2) sistemas de alarma que detecten fugas antes que sean fatales para el sistema. La industria hoy tiene mucha experiencia usando este tipo de intercambiador de calor como ICC y las fugas son muy poco comunes. Evaporadores La mayoría de los evaporadores usados en los sistemas cascada de amoníaco/co 2 son enfriadores de aire o congeladores de placa. Si las presiones de diseño para la aplicación específica son adecuadas, los enfriadores de aire o congeladores de placa estándares, ya sean para amoniaco o Freón, pueden ser usadas para el CO 2 y rendirían aproximadamente la misma capacidad a las mismas temperaturas. Las velocidades de tubo y canal serán mucho menores para el CO 2, pero las mejores propiedades de transferencia de calor para el CO 2 compensan eso. En los últimos años, evaporadores y congeladores de placa diseñados especialmente para CO 2, con tubos/canales más pequeños y una presión de diseño más alta, han sido introducidos al mercado. Sus diseños personalizados han optimizado tanto el desempeño de intercambio de calor y el costo. Descongelamiento En general, los evaporadores de CO 2 pueden ser descongelados de acuerdo a los mismos principios que en los sistemas de amoníaco tradicionales. Sin embargo, el descongelamiento de gas caliente, el cual es el método más común de descongelamiento para los sistemas convencionales, se torna más complicado con 18 IIAR 2016 International Technical Paper #2

19 Diseño de sistemas de CO 2 en cascada con amoníaco el CO 2. Para obtener la temperatura mínima requerida para el descongelamiento con gas caliente, aproximadamente 55 F [13 C], la presión del CO 2 se aproxima a 700 psi manométrico [48 bar manométrico]. Esta gran presión requiere componentes construidos especialmente, lo que incluye evaporadores, compresores, válvulas y reguladores y su disponibilidad puede ser irregular. Incluso cuando estos componentes especiales están disponibles en el mercado, el precio puede ser relativamente alto. Por lo tanto, métodos de descongelamiento alternativos tales como resistencia eléctrica, agua y aire han sido usados en la mayoría de las instalaciones de cascada amoníaco/co 2 existentes. En algunas instalaciones, el glicol caliente se ha utilizado. En este caso, la fuente de calor es un pequeño condensador enfriado por glicol en el circuito de amoníaco, el cual entrega glicol caliente a un circuito separado de glicol en las unidades de aire. Este tipo de sistema tiene casi cero costos de operación marginal y su costo inicial es similar a un descongelador de resistencia eléctrica. Tanques Los sistemas de cascada de amoníaco/co 2 requieren los mismos tipos de tanques que los sistemas de amoníaco. Además, excepto por los diseños de presión en general, los tanques para los sistemas de cascada solo difieren en las reglas para medir separadores de líquido. Donde la habilidad de separación es el único criterio considerado para medir, los separadores de líquido y las bombas recirculadoras para el CO 2 podrían ser incluso más pequeñas en diámetro que las para amoníaco. Al calcular la velocidad máxima permitida, W Max en un separador líquido vertical, se puede utilizar la siguiente formula: WW CC ρρgggggg +ρρ llllllllllll mmmmmm & ρρgggggg (2) International Technical Paper #2 IIAR

20 2016 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, Orlando, FL Donde: C = una constante específica para el refrigerante P = la densidad del refrigerante En el rango de temperaturas de evaporación de -10 F a -40 F [-23 C a -40 C], esta fórmula genera la siguiente proporción para CO 2 y amoníaco: WW WW = 0.45WW 234 CCCC22 = 0.45WW WW 234 CCCC22 = 0.45WW =>?@AB (3) Para una capacidad de refrigeración equivalente, el flujo de volumen de CO 2 pertinente al amoníaco es solo de alrededor 10%: VV DEF = VV0.1 = 0.1 DEF VV = VV H@AB 0.1 VV H@AB (4) VV DEF = 0.1 VV H@AB La proporción del área transversal que se requiere en el separador para CO 2 relativo al amoníaco es: I JKL I MNO = JKL/R P JKL/R STUJKL = V.W STUJKL = V.W MNO/R STUMNO = P JKL/R STUJKL P MNO /R = P P STUMNO /R MNO /R V.XY = = 0.22 V.XY STUMNO = V.W La proporción del diámetro requerido en el separador para CO 2 relativo al amoníaco resulta en: (5) [ JKL [ JKL I I = JKL = JKL [ MNO [ MNO V.Y V.Y I MNO = = 0.47 = 0.47 I MNO (6) Se podría concluir que el diámetro para un separador líquido de CO 2 sería alrededor de la mitad del diámetro de un separador de amoníaco similar. Sin embargo, del diámetro dependiendo un del separador diseño del amoníaco sistema general, similar. Sin el separador embargo, dependiendo también podría del diseño ser del sistema requerido general, para el separador que funcione también como podría el reservorio requerido de líquido para que principal funcione y como necesitaría el reservorio de líquido principal y necesitaría capacidad adicional para almacenar todo el CO capacidad adicional para almacenar todo el CO 2 2 líquido en el sistema cuando se líquido en el sistema cuando se apague, al igual que el volumen total de líquido. apague, al igual que el volumen total de líquido. 20 IIAR 2016 International Technical Paper #2

21 Diseño de sistemas de CO 2 en cascada con amoníaco Tuberías Como se mencionó anteriormente, para una capacidad refrigerante equivalente, los tamaños de la tubería para CO 2 son diferentes de los para el amoníaco. Como ejemplo, los tamaños de las tuberías fueron calculados para un sistema de 300 TR [1100 kw] operando a temperatura de evaporación de -40 F [-40 C] con una tasa de recirculación de 1:3. Los tamaños de la tubería de succión de humedad fueron calculados y los resultados se muestran en la tabla 1. Para una caída de presión equivalente a la misma pérdida de temperatura, el tamaño requerido para el amoníaco es de 12 [300 mm], mucho más grande que las 6 [150 mm] que se necesitan para el CO 2. Para las tuberías de líquido que tienen aproximadamente la misma velocidad y perdida de presión, el tamaño requerido para el amoníaco sería de 2½ [60 mm], mucho menor que las 4 [100 mm] que requieren para el CO 2. Para una pérdida de presión equivalente a la misma pérdida de temperatura en tuberías de descarga, el tamaño requerido para el amoníaco es de 6 [150 mm]; para el CO 2 4 [100 mm]. La mayoría de los sistemas de CO 2 existentes han sido instalados usando las mismas prácticas en relación al grosor de las paredes de la tubería con respecto a las instalaciones de amoníaco convencionales; esto es tubería de acero, cédula 40 para tubos más grandes que 2 [50 mm] y cédula 80 para todos los otros tamaños. Las tuberías de cobre pueden ser usadas también para el CO 2. Válvulas y otros componentes Los sistemas de CO 2 usan los mismos tipos de equipos básicos que los sistemas de amoníaco; por ejemplo, válvulas de cierre, solenoides y de retención, reguladores de presión y filtros. Sin embargo, la presión operativa máxima de cada componente debe ser verificada con las presiones de diseño del sistema. Muchos componentes International Technical Paper #2 IIAR

22 2016 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, Orlando, FL disponibles están solo clasificados para 400 psi [28 bar], lo cual en la mayoría de los casos no será suficiente para el lado de lata presión del sistema y a altas temperaturas de evaporación, ni tampoco suficiente para el lado de baja presión. Algunos fabricantes de válvulas ahora ofrecen líneas de productos especiales para CO 2 clasificadas para 600 psi [41 bar] y un fabricante de válvulas ha actualizado todas sus líneas de productos a esta presión. Para las válvulas de alivio de presión, se recomienda uno de tipo de reasentamiento, ya que las válvulas de alivio de presión se pueden saltar fácilmente en comparación con las de amoníaco. En los sistemas de amoníaco y Freón, el hecho que se salten las válvulas es muy poco común y las válvulas de alivio de presión de estos sistemas a menudo no son muy confiables en cuanto al reasentamiento. Para calcular el tamaño de las válvulas de alivio de presión se usa esta fórmula bien conocida: C=fDL (7) Donde: C = capacidad requerida (lbs/min de aire) D = diámetro del tanque (pies) L = longitud del tanque (pies) f = una constante específica del refrigerante (0.5 para el amoníaco, 1.0 para el CO 2 ) 22 IIAR 2016 International Technical Paper #2

23 Diseño de sistemas de CO 2 en cascada con amoníaco Las siguientes precauciones deben tomarse cuando se instalan válvulas de alivio de presión en sistemas de CO 2 : Las válvulas de alivio de presión en el lado del líquido no pueden soplar hacia la atmósfera porque se formará hielo seco y bloqueará la salida. La salida debe estar conectada al lado de baja presión del sistema. Donde las válvulas de alivio de presión estén conectadas a tanques del lado de baja presión que contienen gas saturado, estas válvulas producirán hielo seco en la forma a de nieve CO 2 cuando se abran. Los propietarios deberían evitar cabezales de alivio largos extendiendo la conexión de entrada desde el tanque a la válvula de alivio de presión fuera del edificio y luego instalar la válvula de alivio de presión en el exterior sin tubería o con una tubería mínima en la salida. Solo las válvulas de alivio de presión de gas sobrecalentado, por ejemplo separadores de aceite, pueden ser instaladas con cabezales de alivio comunes. Manejo del aceite El aceite es más liviano que el CO 2 liquido; el aceite insoluble flotará en la parte superior del CO 2. En una mayoría de los sistemas de cascada amoníaco/co 2 instalados, un aceite poliéster completamente soluble (POE) se ha usado en el lado del CO 2. Un rectificador de aceite puede recuperar este aceite desde el lado de baja temperatura, como se muestra en la figura 10. El rectificador de aceite es principalmente un intercambiador de calor casco y tubo, el cual, en el lado del casco, es pasado por el líquido de alta presión antes que el líquido sea regulado al lado de baja presión. El lado del tubo está conectado con el fondo del separador de gas y líquido, haciendo que el líquido de baja presión se evapore y el aceite remanente sea dirigido a la línea de succión. La capacidad para el rectificador de aceite puede ser calculada como: Capacidad de la planta x 10-4 x arrastre de aceite (ppm)/concentración de aceite (%) International Technical Paper #2 IIAR

24 2016 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, Orlando, FL Sin embargo, como mínimo, el suministro líquido de rectificador de aceite debería ser al menos 1% de la capacidad de la planta. El rectificador de aceite no afecta la eficiencia de la planta porque el líquido usado sub-enfría el líquido remanente de la planta. Normalmente, se calcula el rectificador de aceite para mantener una concentración de aceite de 1% en la carga de CO 2. El arrastre de aceite de un compresor reciprocante con un separador de aceite estándar es normalmente de ppm para una operación de CO 2. Caso de estudio #1 Aplicación de almacenamiento en frio La instalación bajo consideración, una bodega de frio construida en Pennsylvania en 2004, es de un área de 175,000 ft 2 y 6,000,000 ft 3 de volumen [16,000 m 2, 170,000 m 3 ]. Contiene cuatro cámaras de congelamiento de alta elevación diseñadas para temperaturas de cámara hasta 20 F [ 29 C] y dos áreas de muelle diseñados para temperaturas de cámara hasta 35 F [2 C]. Dos de las cámaras de congelamiento son convertibles y pueden cambiar desde una operación de congelamiento a una de enfriamiento. El edificio actual es Etapa 1 de 4; una de las futuras etapas incluirá un congelador de aire forzado operando a -45 F a -50 F [-43 C a -46 C]. El sistema de cascada de amoníaco/co 2 fue comparado con un sistema de amoníaco de dos etapas; se eligió el sistema de cascada amoniaco/co 2 por las siguientes razones: Consto inicial de instalación de refrigeración menor (5-10% menos) Baja carga de amoníaco, 2,500 libras [1,100 kgs] en la Etapa 1; aproximadamente 8,000 libras [3,600 kgs] en total para las 4 etapas. No se requiere amoníaco en las áreas de almacenamiento Ahorros potenciales en el costo de operación con congelación de aire forzado (en la configuración actual, no se predijeron ahorros de costo operacional). 24 IIAR 2016 International Technical Paper #2

25 Diseño de sistemas de CO 2 en cascada con amoníaco Componentes y características principales del sistema Un diagrama del sistema actual se muestra en la figura 5 (sin congelación de aire forzado). El lado de CO 2 del sistema consiste de lo siguiente: Un compresor de 8 cilindros para CO 2 : 206 TR a -30 F/-20 F, 162/407 psi manométrico [724 kw a -34 C/-7 C, 11.2/28.1 bar manométrico] Un compresor de 4 cilindros para CO 2 : 103 TR a -30 F/-20 F, 162/407 psi manométrico [362 kw a -34 C/-7 C, 11.2/28.1 bar manométrico] Una bomba de recirculación de CO 2 de baja temperatura: (60 x151, 350 psi manométrico DWP) [152 cm x 384 cm, 24 bar manométrico DWP] con dos bombas herméticas de 10 CV [7.5 kw], tasa de circulación 3:1. Tanque con tamaño para todas las 4 etapas. Un recibidor horizontal de alta para CO 2 /bomba de recirculación de alta temperatura: 54 x 151, 600 psi manométrico DWP [137 cm x 384 cm, 41 bar manométrico DWP] con dos bombas herméticas de 10 CV [7.5 kw], tasa de recirculación de 3:1. El tanque es de tamaño para todas las 4 etapas. En los congeladores, un total de 8 evaporadores tipo ático (penthouse), 290 TR a -30 F/-20 F, 600 psi manométrico DWP [1020 kw a -34 C/-29 C, 41 bar manométrico DWP], descongelamiento eléctrico. En las áreas de carga y descarga y la cámara del USDA, un total de 11 evaporadores colgantes: 165 TR a 20 F/35 F, 600 psi manométrico DWP [580 kw a -7 C/2 C, 41 bar manométrico DWP], descongelamiento eléctrico Dos ICCs de casco y placa: un total de 595 TR a 11 F [2090 kw a -12 C] temperatura de evaporación amoníaco y 20 F [-7 C] temperatura de condensación del CO 2. Conectado al separador de gas y líquido común para la operación de inundado. Los enfriadores de cascada actuales solo sirven para la Etapa 1. International Technical Paper #2 IIAR

26 2016 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, Orlando, FL El lado del amoníaco está equipado con: Dos compresores tornillo: 222 TR y 307 TR a 11 F/95 F [781 kw y 1080 kw a -12 C/35 C] Un condensador evaporativo con flotadores de lado de alta en las salidas Un recibidor de control de presión a 55 F [13 C]. El tanque es de tamaño para todas las 4 etapas. La tubería principal en el techo tiene tamaño para las 4 etapas. Todas las válvulas, filtros, etc. están clasificadas para 600 psi manométrico [41 bar manométrico]. La actual carga de CO 2 es de 25,000 libras [11 toneladas]. Hay detectores de CO 2 instalados en todos los congeladores y enfriadores y en la sala de máquinas. El punto de referencia de la alarma es un 1% de CO 2 en el aire. Los detectores de amoníaco solo están instalados en la sala de máquinas. Los evaporadores en los congeladores están todos equipados con salidas de ducto y tomas de aire con extractores. Esto mantiene el aire cálido dentro del evaporador durante el descongelamiento. El tiempo de descongelamiento después del vaciado por bombeo es de minutos. El separador de gas y líquido de amoníaco para el ICC es alimentado con líquido desde el recibidor de control de presión a través de una válvula de expansión moduladora motorizada, la cual es controlada por una sonda de nivel en el separador de gas y líquido. La bomba de recirculación de CO 2 de baja temperatura también está equipada con una válvula de expansión moduladora motorizada controlada por una sonda de nivel en el tanque. La alimentación líquida desde el recibidor de alta presión de CO 2 / bomba de recirculación de alta temperatura pasa primero a través de filtros de secado y un rectificador de aceite. El lado del tubo del rectificador de aceite es alimentado con una mezcla de CO 2 /aceite desde la tubería de suministro a las bombas y 26 IIAR 2016 International Technical Paper #2

27 Diseño de sistemas de CO 2 en cascada con amoníaco la mezcla de gas evaporado/aceite desde la salida del rectificador de aceite es canalizada a un pequeño separador de gas y líquido/tanque de distribución de aceite. El gas es canalizado del tanque a la línea de succión del compresor de CO 2, mientras que el aceite se recoge en el tanque. Los compresores de CO 2 están equipados con un interruptor de flotador eléctrico en el cárter; cuando se detecta un nivel bajo de aceite, el interruptor abre una solenoide para llenado con aceite que permite el reabastecimiento desde el tanque de aceite. El tanque de aceite está equipado con un calentador eléctrico para asegurar que no quede CO 2 líquido en el tanque y el llenado con aceite solo se permita si la temperatura del aceite es mayor que la del CO 2. Al inicio, este sistema no devolvió nada de aceite, pero después de operar por aproximadamente seis meses y después de 2-3 recargas de aceite de los compresores de CO 2, el sistema estuvo en balance y no se necesitó agregar más aceite. El ICC con el separador de gas y líquido de amoníaco está localizado sobre el recibidor de alta presión de CO 2 /bomba de recirculación de alta temperatura. La descarga del compresor de CO 2 es canalizada a la entrada del ICC y el condensado de CO 2 drena por gravedad al recibidor de alta presión de CO 2 /bomba de recirculación de alta temperatura. El retorno de la succión de humedad desde los evaporadores de CO 2 de alta temperatura es canalizada al tanque y las tuberías de ventilación sobredimensionadas están conectadas desde el tanque a la entrada del enfriador de cascada. El sistema ha estado funcionando sin problemas desde el arranque en abril del Mientras los cálculos teóricos no mostraron ningún ahorro de costo operacional, en realidad, esta planta posee el menor consumo de energía por pie cubico de cualquiera de los 30 frigoríficos similares pertenecientes al mismo dueño que usan sistemas de amoníaco de dos etapas. Este resultado probablemente puede ser atribuido a las mejores características de la carga reducida para el sistema de cascada de amoníaco/ CO 2, menos presión en la tubería del CO 2 y la toma de aire con extractor de diseño personalizado en los evaporadores del congelador la que previene que el aire cálido escape de la instalación durante el descongelamiento. International Technical Paper #2 IIAR

28 2016 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, Orlando, FL Caso de estudio #2 Aplicación de congelamiento de camarones Este estudio de caso considera un sistema fabricado estándar de cascada de amoníaco/co 2 instalado en Tailandia para un gran productor de productos del mar. Esta instalación congela camarones en un congelador de correa IQF. Después los camarones son glaseados y un congelador posterior endurece los camarones. La producción de 2,200 libras por hora [1 tonelada por hora] es atendida por un paquete de congelación de amoníaco/co 2 que funciona a una temperatura de evaporación de -63 F [-53 C]. La temperatura del aire en el congelador es de -52 F [-47 C]. El productor de productos del mar solía congelar los camarones en un congelador de gas criogénico con gas de CO 2 atomizado directamente en el producto. Este proceso es muy eficaz debido a una temperatura de congelador muy baja, pero también muy costoso de operar. A menudo, estos congeladores son abastecidos e instalados sin cargo si el cliente contrata la compra de gas con el mismo abastecedor por una cantidad de años. De este modo, el cliente puede obtener equipamiento de congelación sin ninguna inversión. Sin embargo, los costos operativos de este sistema son aproximadamente US$200 por hora, o aproximadamente US$45,000 mensuales. En el verano del 2003, el contrato de abastecimiento de gas termino en una de las líneas criogénicas. El dueño quería algo más económico de operar, no quería hacer una gran inversión y no quería operar y mantener una planta convencional; por lo tanto, un acuerdo de arrendiamiento/financiamiento fue elaborado. El contratista de refrigeración prometió entregar, instalar y hacer funcionar una planta con el paquete de amoníaco/co 2 y congeladores de correa. El dueño se comprometió a pagar mensualmente el 75% de lo que el solía pagar mensualmente por el gas, menos los costos de electricidad de la nueva planta (los cuales son solo alrededor del 15% 28 IIAR 2016 International Technical Paper #2

29 Diseño de sistemas de CO 2 en cascada con amoníaco del costo del gas). Después de cuatro años, el contrato terminaría y la planta sería entregada al dueño sin cargo alguno. El diagrama principal para el sistema se muestra en la figura 4. Componentes y características principales del sistema Un compresor de 6 cilindros para CO 2 : 82 TR a -63 F/20 F [290 kw a -53 C/- 7 C], motor de 200 CV [150 kw] con transmisión VFD ( RPM) Un compresor de 8 cilindros para amoníaco: 113 TR a 13 F/95 F [397 kw a -11 C/35 C], 200 CV [150 kw] motor con transmisión VFD ( RPM) Una bomba de recirculación de CO 2 horizontal de baja temperatura: 36 x 108, 350 psi manométrico DWP [91 cm x 274 cm, 24 bar manométrico], con dos bombas de motor encapsulado de 5 CV (3.7 kw), tasa de recirculación de 3:1. El tanque está equipado con un serpentín evaporador en la parte superior. El serpentín del evaporador está conectado a una unidad condensadora enfriada por aire de 1 TR [3.5 kw] que usa R-134a, lo cual mantiene la presión del CO 2 a aproximadamente 300 psi manométrico (2 F) [21 bar manométrico (-17 C)] cuando los compresores principales no están funcionando. Un congelador continuo principal: 70 TR a -63 F/-52 F, 350 psi manométrico DWP [246 kw a -53 C/-47 C, 24 bar manométrico] para 2,200 libras [1 tonelada] de camarones por hora desde 50 F a -10 F [10 C a -23 C], equipado con descongelamiento con agua. Un túnel de endurecimiento continuo: 10 TR a -63 F/-52 F, 350 psi manométrico DWP [35 kw a -53 C/-47 C, 24 bar manométrico] para 2,300 libras [1.05 toneladas] de camarones glaseados por hora desde 0 F a -10 F [-18 C a -23 C], equipado con descongelamiento por agua. Un ICC de casco y tubo: 115 TR a 13 F [404 kw a -11 C] temperatura de evaporación del amoníaco y temperatura de condensación del CO 2 de 20 F [-7 C]. El ICC opera inundado y tiene un separador de gas y líquido integrado. Tiene paredes dobles de tubería para minimizar el riesgo de mezclar CO 2 y amoníaco en caso de fuga. El CO 2 condensado drena a un recibidor piloto que tiene una International Technical Paper #2 IIAR

30 2016 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, Orlando, FL sonda de nivel. La sonda de nivel controla una válvula de expansión modulada y motorizada para que el líquido rellene la bomba de recirculación de CO 2 de baja temperatura a través de un rectificador de aceite. El rectificador de aceite regresa aceite al compresor de CO 2. En el lado del amoníaco, el enfriador de cascada está equipado con un sistema de retorno automático de aceite al compresor de amoníaco. El enfriador de cascada está diseñado para 580 psi [40 bar] DWP en el lado del tubo (CO 2 ) y para 350 psi [24 bar] DWP en el lado del casco (amoníaco). El lado del amoníaco está equipado con un condensador de placas y marcos enfriado por agua con un flotador de lado de alta en la salida, que expande líquido al enfriador de cascada. El condensador enfriado por agua está conectado a una torre enfriadora. El sistema contiene un total de 2,000 libras [900 kg] de CO 2 y 250 libras [110 kg] de amoníaco. Ambos compresores están equipados con VFDs (variadores de frecuencia) en los motores. Los VFDs permiten el control de capacidad continua que puede mantener las temperaturas dentro de 0.2 F [0.1K]. Además, cuando se opera con un punto de referencia de solo 2 F [1.1K] desde la temperatura de evaporación de desconexión, el control progresivo evita fallas innecesarias. Los serpentines en los congeladores de correa son descongelados con agua durante la limpieza diaria cuando se detiene la producción. Las válvulas solenoides en las líneas de líquido y succión son cerradas y al mismo tiempo una válvula solenoide en una línea de drenaje desde el fondo del evaporador es abierta. La presión de CO 2 en los serpentines se incrementa rápidamente, forzando todo el líquido al drenaje. La línea de drenaje está conectada a la parte superior de la línea de retorno húmedo, en la cual el líquido puede fluir de regreso a la bomba de recirculación de baja temperatura de CO 2 por la fuerza de gravedad. El sistema ha estado funcionando sin problemas desde el arranque en agosto del IIAR 2016 International Technical Paper #2

31 Diseño de sistemas de CO 2 en cascada con amoníaco Conclusión Con todos los beneficios de usar CO 2 como refrigerante, no hay duda que el CO 2 no es solo un refrigerante del pasado si no que también uno del futuro. Para aplicaciones de baja temperatura, se pueden lograr ahorros operacionales substanciales. Cuando los costos iniciales son más bajos, la elección es obvia. También, la oportunidad de reducir radicalmente las cargas de amoníaco y eliminar el amoníaco de las áreas de trabajo/proceso/almacenamiento es un tremendo beneficio. Más de un centenar de sistemas de cascada amoníaco/co 2 han sido instalados alrededor del mundo, de los cuales los más antiguos han estado en operación por más de 5 años. Esto prueba que el concepto del sistema es confiable y seguro. Todos los usuarios conocidos de estos sistemas están satisfechos con la operación y el desempeño. Hasta ahora, solo unos pocos de estos sistemas han sido instalados en EEUU, pero los crecientes precios de la electricidad, las regulaciones más estrictas con el uso del amoníaco y la inminente fecha de término para el uso de R-22 deberían incrementar rápidamente el número de instalaciones en los EE.UU. durante la próxima década. International Technical Paper #2 IIAR

32 2016 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, Orlando, FL Referencias ASHRAE ASHRAE 15: Safety Code for Mechanical Refrigeration. American Society of Heating, Refrigeration, and Air-Conditioning Engineers, Inc. (ASHRAE). Christensen, A Kaskadeanlegg med CO 2 i lavtemperaturtrinnet. Kulde Skandinavia 4. Danfoss. DIR-CALC versión 1.13 (programa de cálculo). Pachai, A.C CO 2 Carbon Dioxide: Facts and Data A Compilation of CO 2 Information. Pauta interna de la empresa York. Saulnier, J.M New Distribution Center in Bethlehem Widens US Cold s Northeast Presence. Quick Frozen Foods International. UNEP The Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone Layer (como haya sido modificado en Londres en 1990, Copenhagen en 1992, Vienna en 1995, Montreal en 1997 y Beijing en 1999). Programa de las Naciones unidas para el medio ambiente (PNUMA). York. COMP1 versión (programa de cálculo). 32 IIAR 2016 International Technical Paper #2

33 Diseño de sistemas de CO 2 en cascada con amoníaco Figura 1: COP a plena carga para sistemas convencionales y de cascada CO 2/Amoníaco DT cascada=9f 1 etapa, economizador abierto 2 etapas, enfriador intermedio abierto Temperatura de evaporación ( F) International Technical Paper #2 IIAR

34 2016 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, Orlando, FL Figura 2: Comparación de COP, 50% Carga parcial CO2/Amoníaco DT cascada=9f 1 etapa, economizador abierto 2 etapas, enfriador intermedio abierto Temperatura de evaporación ( F) Figura 3: capacidad del compresor vs temperatura de evaporación CO 2 y amoníaco Capacidad (TR) Temperatura de condensación a 14 F Temperatura de evaporación ( F) 34 IIAR 2016 International Technical Paper #2

35 Diseño de sistemas de CO2 en cascada con amoníaco Figura 4: Sistema de cascada de amoníaco/co2 típico, aplicación de congelación Figura 4: Sistema de cascada de amoníaco/co2 típico, aplicación de congelación Figura 5: Sistema de cascada de amoníaco/co2 típico, aplicación de congelación y enfriamiento Figura 5: Sistema de cascada de amoníaco/co2 típico, aplicación de congelación y enfriamiento NOTE TO DESIGNER: CROP THE ABOVE IMAGE TO REMOVE THE BOTTOM SECTION THAT International Technical Paper #2 IIAR 2016 CONTAINS A COMPANY LOGO. 35

36 2016 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, Orlando, FL Figura 6: Efecto de ΔT en el costo inicial del compresor y ICC Enfriador de cascada Compresor SUM Dólares estadounidenses Diferencia de temperatura (F) 36 IIAR 2016 International Technical Paper #2

37 Diseño de sistemas de CO 2 en cascada con amoníaco Figura 7: ΔT óptimo considerando el capital y los costos operativos Dólares estadounidenses Costo capital Costo eléctrico Suma Diferencia de temperatura (F) International Technical Paper #2 IIAR

38 2016 IIAR Industrial Refrigeration Conference & Exhibition, Orlando, FL Figura 8: COP, compresores de alta y baja etapa Etapa alta- temperatura de evaporación ( F) Figura 9: COP total vs temperatura de evaporación de etapa alta Cascada Etapa Etapa alta- temperatura de evaporación ( F) ura 10: Sistema de rectificación de aceite 38 IIAR 2016 International Technical Paper #2