Cascada NH3/CO2

La voluntad de proteger el medio ambiente nos incita en nuestros días a usar fluidos naturales, pues estos fluidos, que siempre han existido en la naturaleza, no tienen ningún impacto ambiental. La tendencia es pues al uso del amoniaco (NH3) y del dióxido de carbono (CO2)

Recordemos que el NH3 es tóxico ( catalogado B2 por la norma EN 378) y que su uso es objeto de una reglamentación específica.

Clasificación de los refrigerantes, según la norma EN 378

Grupo de seguridad

El CO2 no es tóxico ( clasificado A 1) pero, a partir de una cierta concentración en el aire (superior al 3% ), este gas es peligroso a causa del riesgo de asfixia por privación de oxígeno. Valor límite de exposición: TLV = 5000 ppm.

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Para el frigorista, lo primero que salta a la vista cuando descubrimos este fluido es sin duda su fuerte presión de saturación a temperaturas habituales: 22 bares a -15 oC, 34 bares a O oC, 72 bares a 30 oC. Con una progresión media de 1 bar/oC, en el mismo caso el R410A progresa 0,312 bares/oC y el Rl 34a sólo progresa O, 135 bares/oC.

Otra particularidad del CO2 es la de solidificarse si su presión llega a ser inferior a 4,18 bares (-56,6 oC), lo que puede producirse fácilmente en caso de fuga, pero también durante la carga inicial de la instalación.

Todo ello nos invita a admitir que no podemos improvisamos técnico frigorista en las instalaciones con R744 (CO2). Hay que poseer una formación específica, teórica y práctica, ii1 sobre los procedimientos de intervención. Lo mismo para las instalaciones con amoniaco:el técnico no puede cometer torpezas con este fluido tóxico.

Observemos la instalación en cascada representada en la anterior image. Vemos un circuito primario (-30 oC, + 1 oC) con CO2 y un circuito secundario (-4 oC +40 oC) con NH3.

El circuito C02 es del tipo "expansión directa" y enfría una cámara de almacenamiento a -25 oC. La presión de evaporación es de 14 bares (-30 oC) y la presión de condensación es de 35 bares (+1 oC). La condensación del CO2 se lleva a cabo en el intercambiador intermedio que es igualmente el evaporador del amoniaco.

El compresor de pistones semi hermético, de fabricación especial para el CO2 en ciclo subcrítico, es capaz de funcionar con una presión máxima admisible de 42 bares en la descarga y de 27 bares en la aspiración. Dispone de una resistencia de cárter y utiliza un aceite de tipo POE miscible con este fluido. Este compresor está equipado de un variador de velocidad y sólo arranca si el circuito NH3 está operativo.

El evaporador compatible CO2 (PS de 30 bares) dispone de resistencias de desescarche y es alimentado con una válvula de expansión electrónica, ya que no existe una válvula de expansión termostática para este fluido. Esta válvula de expansión está dotada de funciones particulares para el CO2, un punto MOP a -20 oC y un cierre rápido en caso de bajo sobrecalentamiento para prevenir el riesgo de golpe de líquido.

Un intercambiador de calor de placas cumple las funciones:

• De subenfríamiento con el fin de garantizar la alimentación en líquido de la válvula de expansión, pues el CO2 líquido que sale del intercambiador intermedio se sitúa alrededor de -2 oC y el riesgo de evaporación en las tuberías de líquido es evidente.
• De sobrecalentador del vapor aspirado con el fin de obtener una temperatura de aspiración cercana a los -10 oC y así aumentar la temperatura de descarga para mantener la temperatura del aceite correcta para la lubricación del compresor.

Como en los circuitos con HFC, el secador es tambien indispensable con el R744 (CO2).

Observamos válvulas de seguridad y un grupo de mantenimiento de presión.

El grupo de mantenimiento de presión es una seguridad para impedir la subida de presión del CO2 en caso de avería del circuito NH3. Si ello ocurre, la presión del CO2 puede subir y sobrepasar los 70 bares, lo que desencadenaría la apertura de las válvulas de seguridad.

Buena parte de la carga se perdería y provocaría la avería del circuito CO2.

Si el compresor NH3 y el compresor CO2 están parados y la presión en el circuito CO2 se aproxima a la presión de calibración de las válvulas BP (27 b), el presostato A pone en marcha el grupo de mantenimiento de presión, que va a enfriar el CO2. Evidentemente, el circuito CO2 está aislado térmicamente.

Este grupo funciona con un HFC (R404A) y está compuesto con materiales estándar, a excepción del intercambiador de placas que tiene que soportar la presión del CO2. Está situado por encima de un recipiente para que funcione como un termosifón.

En caso de que el grupo no funcione o no baste, las válvulas reaccionan y evacuan la presión hacia el exterior. La tubería debe desembocar en el tejado del edificio a la altura suficiente para no molestar a las personas.

Anotemos aquí que, para evitar el riesgo de encontrarse con válvulas con fugas, ya que no son herméticas tras el funcionamiento, algunos frigoristas instalan una electro-válvula pilotada por un presostato ajustado por debajo de la presión de apertura de las válvulas y evacuan la sobrepresión por golpes, lo que puede evitar su inicio.

El temor de los operadores de instalaciones importantes es el de perder buena parte de la carga de C02 tras una avería eléctrica. Es la razón por la cual la tendencia es a alimentar el grupo de mantenimiento de presión a partir de una fuente de corriente autónoma; esto puede hacerse con un generador.

Este intercambiador es en realidad un evaporador inundado. Este tipo de evaporador da muy buen rendimiento pues, en esta configuración, el coeficiente de intercambio térmico es máximo.

Además, el sobrecalentamiento del vapor aspirado es despreciable, lo que limita la temperatura de impulsión y procura un caudal másico máximo, optimizando así el coeficiente de eficiencia.

Sin embargo, la construcción de este intercambiador exige una mayor calidad para evitar las micro fugas entre los dos fluidos. La mezcla CO2-NH3 puede conllevar la formación de carbonato de amonio y provocar un bloqueo de las válvulas de seguridad. La prueba bajo presión del lado NH3 debe ser igual a la aplicada en el lado CO2.

La válvula de expansión de flotador HP permite inyectar el líquido en cuanto sale condensado, permitiendo así liberar un máximo la superficie de intercambio en el condensador.

El condensador de aire es menos adaptado que el condensador evaporativo para el funcionamiento en verano. Pero como éste último requiere más mantenimiento para prevenir los riesgos de legionella, a veces se prefiere un condensador de aire bien dimensionado.

El compresor NH3 está dotado de un sistema de regulación de potencia de manera a mantener la temperatura de evaporación a -4 oC, incluso si hay poca carga térmica.

El desescarche eléctrico del evaporador CO2 se realiza tras el drenaje por bombeo y parada del compresor. El presostato debe cortar por encima de 4,2 bares para evitar la solidificación del CO2.

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