ESTUDIO DE CAMBIO DE GAS REFRIGERANTE R22 EN UNIDADES ENFRIADORAS MEDIANTE SIMULACIÓN EN ECOSIMPRO

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1 ESTUDIO DE CAMBIO DE GAS REFRIGERANTE R22 EN UNIDADES ENFRIADORAS MEDIANTE SIMULACIÓN EN ECOSIMPRO (1) Jesús Prieto Urbano, (1) Mª Carmen Molina, (2) Carlos Gavilán, (1) Jesús Olmedo (1) Iberdrola Ingeniería y Construcción; (2) Iberdrola Generación Nuclear Resumen El proyecto se basa en el estudio termodinámico del circuito de refrigeración de unidades de enfriamiento empleando el software EcosimPro, con el objetivo, mediante análisis del rendimiento teórico de dichas unidades de enfriamiento con diferentes gases de refrigeración, de encontrar el gas refrigerante sustitutivo más adecuado para las Unidades Enfriadoras analizadas. Este estudio se lleva a cabo debido a la normativa de la Comunidad Europea, Reglamento nº 2037/2000, según la cual, a partir del año 2010, queda prohibido importar, producir, vender y/o usar R-22 virgen, estando el uso de R22 reciclado permitido hasta el 1 de Enero del año INTRODUCCIÓN El Sistema donde se encuentran las Unidades Enfriadoras objeto del estudio, tiene como función principal suministrar un caudal de agua a una temperatura de 7.2ºC, la cual es distribuida por el Sistema a un determinado número de unidades de ventilador-serpentín para mantener las condiciones de humedad y temperatura adecuados en distintos cubículos de la Central Nuclear de Cofrentes. El caudal de agua, es refrigerado en un evaporador de tipo inundado, instalado en el conjunto enfriador objeto del estudio del presente documento. Por el lado tubos del enfriador, circula un caudal constante de agua, la cual cede calor al lado carcasa del evaporador, por donde circula el fluido refrigerante, produciendo la evaporación de éste y el consecuente enfriamiento del caudal de agua. El conjunto enfriador, posee en la actualidad como fluido refrigerante, el fluido R-22, el cual es un refrigerante de tipo HCFC. Para este tipo de refrigerantes, la normativa al respecto indica que a partir del 1 de enero del 2004, se prohíbe fabricar todo tipo de equipos con HCFC, permitiendo a los que poseen este refrigerante, fabricados con anterioridad a dicha fecha, seguir funcionando con R22. El 1 de enero de 2010 queda prohibido por la UE (Ref. 1), importar, producir, vender y/o usar R-22 virgen. Con esta nueva normativa, está permitido el uso de R-22 regenerado hasta el año Por consiguiente, por cuestiones legislativas, es necesario un cambio de fluido refrigerante en dichos equipos, empleando en el ciclo, fluidos refrigerantes cuyos gases no dañen la capa de ozono y posean características de refrigeración similares, como son los fluidos HFC. 2. DESCRIPCIÓN DEL MODELO El modelo de enfriador se realiza con la herramienta de cálculo EcosimPro. En el estudio, se ha desarrollado un modelo, mediante el cual se han analizado los diferentes gases refrigerantes por medio de diferentes experimentos a partir del mismo modelo. Los gases refrigerantes estudiados para la comparativa, han sido seleccionados entre la

2 variedad de posibles sustitutivos de R22, debido a su comportamiento similar al gas para el que fue diseñada la Unidad. El modelo analizado con R22, sirve para ajustar los parámetros de funcionamiento y rendimiento real de las unidades enfriadoras. Una vez ajustados dichos valores a los de funcionamiento del equipo, se realiza el estudio de operación de la máquina con los gases sustitutivos seleccionados, R507 y R434A, con el objetivo de analizar que gas obtiene mejor comportamiento. En la Figura 1 se puede observar el modelo creado para el refrigerante R22. Figura 1. Modelo desarrollado en EcosimPro Con el modelo desarrollado y usando los datos de diseño de las Unidades operando con el gas refrigerante R22, se ajustan los parámetros de los equipos principales del sistema: condensador, válvula de expansión y evaporador. En el condensador, se produce el intercambio de calor entre un caudal constante de agua (lado tubos) y el gas refrigerante (lado carcasa), en dicho intercambio, el refrigerante cede calor al caudal de agua, cambiando su estado vapor a estado líquido, y consecuentemente elevando la temperatura del caudal de agua. El refrigerante, en estado líquido a la salida del condensador, se dirige al siguiente punto característico del sistema de refrigeración, la válvula de expansión, donde el fluido se expansiona, provocando de este modo, el salto de la presión de condensación a la presión de evaporación dentro del ciclo térmico del equipo estudiado. La función de la válvula de expansión es que el flujo de refrigerante que circula a través del evaporador, lo haga a menor temperatura que el fluido que circula por el lado tubos del evaporador, y de este modo, poder absorber en el evaporador el calor necesario para el cambio de fase del refrigerante y por tanto la refrigeración del caudal de agua, siendo esta refrigeración el objetivo del sistema, como se explicó en el apartado anterior.

3 El refrigerante de salida del evaporador debe estar en estado vapor, ya que en el circuito, este vapor se dirige al compresor, el cual tendría problemas de funcionamiento si tuviera una entrada de refrigerante con mezcla líquido-vapor. Este punto es crítico desde el punto de vista de mantenimiento, puesto que ciertos gases refrigerantes sustitutivos no garantizan este punto, y es necesario instalar un calentador a la salida del evaporador, para asegurar la entrada de vapor en la aspiración del compresor Análisis del Modelo Para el estudio del modelo y posterior análisis de los diferentes refrigerantes sustitutivos, se seleccionan como datos de partida, las condiciones del agua que circula por los tubos de condensador y de evaporador, es decir: presión, temperatura y caudal. El caudal de agua supone una constante en el funcionamiento de los equipos, siendo el caudal de refrigerante, una variable controlada por el lazo de control del Sistema, el cual, garantiza que la temperatura del caudal de agua de salida del evaporador, es de 7.2ºC en todo momento. Para el lado del ciclo refrigerante, el cual circula por las carcasas de condensador y evaporador, las principales variables del análisis, con las que se ajusta el rendimiento real de los equipos mediante iteración, son las siguientes: Caudal de refrigerante. Presión de entrada al condensador. Temperatura de entrada al condensador de vapor sobrecalentado. Apertura (%) de la válvula de expansión manual del sistema. Para cada refrigerante se obtienen unas condiciones diferentes, y mediante el presente estudio se analiza la viabilidad de las diferentes alternativas, en cuanto a viabilidad técnica y eficiencia del equipo. 3. RESULTADOS DEL MODELO Una vez ajustado el modelo a los valores de diseño de los equipos, mediante la operación del modelo con gas refrigerante R22, es decir, con el gas que fue diseñado el equipo en su origen, se realiza el cambio de refrigerante, con el objetivo de analizar el comportamiento de dichos equipos con los gases refrigerantes sustitutivos, en lugar del gas R22. Mediante el modelo se obtienen todos los parámetros del ciclo, siendo los presentados en las tablas siguientes los más importantes de cara al análisis comparativo entre gases. En la Tabla 1 se muestran los resultados comparativos de los valores de diseño para los tres refrigerantes estudiados T salida condensador (P40) ºC (K) (313.80) (313.77) (313.8) T salida evaporador (P39) ºC (K) 7.2 (280.35) 7.25 (280.4) 7.27 (280.42) T condensación (Refrigerante) ºC (K) (319.77) (319.4) (319.22) P condensación (Refrigerante) kpa 1,800 2,044 2,158 T evaporación (Refrigerante) ºC (K) 2.56 (275.71) 5.15 (278.3) 4.98 (278.13) P evaporación (Refrigerante) kpa Tabla 1. Resultados termodinámicos del modelo para los diferentes gases refrigerantes operando en la misma unidad enfriadora.

4 Las parámetros recogidos en la tabla anterior, se obtienen por iteración de las variables del sistema, con el objetivo de obtener como resultado el valor de la temperatura de salida del evaporador de 7.2ºC. Las variaciones de temperatura de evaporación del gas y principalmente presiones, se deben a las diferentes características térmicas de los gases, que para temperaturas similares corresponden presiones distintas. En la Tabla 2 se muestran los valores de diseño de presión para condensador y evaporador del equipo enfriador. Unidades Condensador Evaporador Presión tubos PSI (kpa) 150 (1,034) 150 (1,034) Presión carcasa PSI (kpa) 150 (1,034) 300 (2,068) Tabla 2. Valores de diseño de los principales componentes de la Unidad Enfriadora. Se observa que para los refrigerantes R22 y R434A no hay problemas de sobrepresiones en ningún equipo del sistema en operación. El refrigerante R507A, por su elevada presión a la temperatura de condensación, superaría el valor de presión de diseño en el condensador. Las presiones de condensación calculadas, únicamente pueden ser disminuidas disminuyendo la temperatura de condensación. Sin embargo, si se disminuye la temperatura de condensación, el refrigerante no puede ceder el calor necesario al caudal de agua que circula por los tubos, por lo que no condensaría completamente provocando un funcionamiento ineficiente del sistema. En la Tabla 3, se muestra una comparativa entre los diferentes valores para los tres refrigerantes analizados, calores intercambiados en compresor, condensador y evaporador por kg de refrigerante, y la potencia resultante en cada caso. Calor condensador kj/kg 184, , ,455 Potencia calorífica condensador kw ,086 1,090 Calor evaporador kj/kg 148,663 93,918 96,437 Potencia calorífica evaporador kw Trabajo de compresión kj/kg 35,450 23,495 25,017 Potencia compresor kw Tabla 3. Resultados de Calor y Potencia intercambiada en la Unidad Enfriadora. Las potencias caloríficas en condensador y evaporador son similares para los tres refrigerantes, puesto que se produce un intercambio de calor similar, para el calentamiento del flujo de agua del condensador y para la refrigeración del flujo de agua en el evaporador, en cada refrigerante, ya que son los valores ajustados del sistema. La potencia del compresor necesaria para el aumento de presión entre la salida del evaporador y la entrada al condensador, aporta mayor información del comportamiento de cada gas, puesto que los refrigerantes R434A y R507A, requieren elevar su presión en mayor medida que el R22 para el proceso de condensación, moviendo mayor carga de refrigerante. Respecto a la potencia del compresor, supone un dato fundamental en la sustitución del gas refrigerante, puesto que es la que decide si es necesaria la sustitución del actual

5 compresor. En la Tabla 4 se observa, el valor de la potencia absorbida y de la potencia eléctrica que se necesita por parte del motor para el funcionamiento del ciclo. Potencia absorbida compresor kw Potencia eléctrica motor kw (H.P.) 258 (346) 268 (359) 277 (371) Tabla 4. Resultados de potencia eléctrica requerida por gas refrigerante. El motor disponible actualmente en el sistema, tiene una potencia de 375H.P. Con los resultados obtenidos para los tres refrigerantes y el dato de potencia del compresor existente, se concluye que el compresor actual es capaz de asumir el cambio de refrigerante sin necesidad de ser sustituido. Es importante notar, que la potencia eléctrica demandada por los refrigerantes sustitutivos es mayor que la demandada por el R22, y en el caso del refrigerante R507A se aproxima al valor máximo de potencia del motor actual. En la Tabla 5 se muestra una comparativa de los valores de coeficiente de rendimiento. Coeficiente de rendimiento (COP) Tabla 5. Resultados de coeficientes de rendimiento por gas para la Unidad Enfriadora estudiada. El coeficiente de rendimiento de una máquina enfriadora, viene impuesto por la relación entre el calor absorbido en el evaporador y el trabajo de compresión del compresor. Este valor proporciona información sobre la eficiencia y el coste de operación del ciclo. Comparando los valores de los refrigerantes sustitutivos del R22 analizados, se observa que el R434A posee un COP mayor que el COP del R507A, y consecuentemente se trata de un refrigerante con una mayor eficiencia y un menor coste de operación para las Unidades Enfriadoras objeto del presente estudio. 4. CONCLUSIONES Como se ha visto en los apartados anteriores, hay una serie de condicionantes a la hora de realizar un cambio de refrigerante en una máquina enfriadora, puesto que no todos los refrigerantes poseen el mismo comportamiento. A modo de resumen, en la Tabla 6 se comparan los requisitos observados y la viabilidad de cada uno de los refrigerantes estudiados para los mismos, así como una comparativa entre los dos posibles refrigerantes sustitutivos. CONDICIÓN Presión carcasa Condensador Presión tubos Condensador Presión carcasa Evaporador Presión tubos Evaporador Potencia eléctrica Compresor Eficiencia R434A R507A Viabilidad Comparativa con R507A Viabilidad Comparativa con R434A OK MEJOR X PEOR OK = OK = OK MEJOR OK PEOR OK = OK = OK MEJOR OK OK MEJOR OK PEOR PEOR

6 Propiedades refrigerante OK PEOR OK MEJOR Tabla 6. Viabilidad de los gases sustitutivos para el cambio y su comparativa. De la comparativa entre las propiedades de los refrigerantes, el R434A es peor opción en cuanto al tipo de refrigerante, puesto que es un refrigerante mezcla, de tipo zeótropo, que implica que una pequeña fuga del mismo, en cualquier punto del sistema provocaría tener que proceder a una reposición total del refrigerante. Dicho inconveniente no ocurre con el refrigerante R507A, el cual es un gas mezcla de tipo azeótropo, que implica un comportamiento similar al de un gas refrigerante puro, por lo que la reposición de refrigerante por fuga sería únicamente una reposición de la cantidad de gas fugado. En cuanto al resto de parámetros considerados en el estudio, el R434A resulta ser un gas con un comportamiento más parecido al R22 y se trata de un gas más eficiente en las unidades enfriadoras estudiadas. En resumen, y aunque las propiedades intrínsecas del gas R434A son inferiores a las del R507A, por el resto de características estudiadas, la selección del gas más idóneo para llevar a cabo la sustitución del gas R22 es el R434A, obteniendo una pérdida de rendimiento menor, y un sistema que funciona, según el modelo desarrollado, en unas condiciones similares a las actuales. El R507A es un refrigerante que tiene un buen comportamiento, pero que tiene la única limitación de obtener una presión de condensación demasiado elevada por encima de la presión de diseño del condensador, con los problemas que esta condición ocasiona en el componente. Adicionalmente el R507A es viable con el actual compresor, aunque el valor de potencia eléctrica demandada es muy próximo al máximo actual AGRADECIMIENTOS Agradecer a D. Raul Avezuela el apoyo prestado en este trabajo.