Evaluación energética de una instalación frigorífica empleando mezclas de bajo GWP basadas en CO2

Abstract

El sector de la refrigeración comercial se encuentra, hoy en día, en auge y expansión por todo el mundo, dadas las crecientes necesidades y exigencias de la población a nivel global. Este sector emplea sistemas frigoríficos que utilizan principalmente la tecnología de los ciclos de compresión de vapor para enfriar los productos que contienen en su interior. Dicho sistema frigorífico necesita de un fluido refrigerante para poder funcionar y cubrir las aplicaciones para las que ha sido desarrollado. No obstante, el uso de estos fluidos se encuentra en el punto de mira. En la actualidad, el sector de la refrigeración comercial está cada vez más limitado debido a las recientes reglamentaciones que se han aprobado durante las últimas décadas. Estas normativas conocidas como la F-Gas, la IEC o la Directiva Ecodiseño, entre otras, imponen una serie de restricciones de carácter medioambiental mediante las que limitan el uso de fluidos refrigerantes con elevado poder de calentamiento global (GWP, siglas en inglés). Por este motivo, los refrigerantes naturales adquieren cada vez más importancia en detrimento de los artificiales, que poseen un elevado poder de efecto invernadero. Sin embargo, no todos los refrigerantes naturales son adecuados, ya que existen aquellos que son inflamables, como el R290 (propano) o tóxicos, como el amoniaco. Esto hace necesario la búsqueda de alternativas y es en este contexto donde adquiere protagonismo el CO2, ya que es un fluido que cumple los requisitos exigidos: no es tóxico ni inflamable y GWP es nulo. El principal problema de este fluido reside en su funcionamiento, ya que posee altas presiones de trabajo y una baja temperatura crítica, lo que restringe su uso a aplicaciones de mayor potencia y magnitudes, y convenientemente en climas no demasiado cálidos. En cambio, la ventaja de las mezclas con otros refrigerantes, de origen natural o artificial, es que mejoran el comportamiento del CO2 incrementando su temperatura crítica y disminuyendo su presión de trabajo, sin perder sus buenas propiedades termodinámicas. Por este motivo, en el presente trabajo se lleva a cabo un estudio comparativo acerca de las mezclas de refrigerantes que mejor sustituyen al CO2 como fluido de trabajo, mejorando también en términos de eficiencia energética. Para ello en un primer lugar, se llevan a cabo simulaciones con el software Matlab de cuatro mezclas (R744/R32, R744/R152a, R744/R290 y R744/R1270) además del CO2 puro. Aquellas con las que se obtienen mejores resultados son las que posteriormente se analizan de manera experimental, junto con el R744 puro, en la instalación frigorífica. Dicho mueble frigorífico comercial posee un sistema de compresión de vapor muy empleado en supermercados, y se ha de adaptar para poder funcionar con las mezclas finales, de manera adecuada. Además, para poder monitorizar el ciclo termodinámico, se colocan transductores por toda la instalación y gracias al empleo del software LabVIEW se registran los principales aspectos del funcionamiento del mueble y de los refrigerantes utilizados. Se espera que los problemas derivados del uso del CO2 se solucionen e incluso se mejore su comportamiento en términos de eficiencia energética. Finalmente, tras el análisis de resultados, se lleva a cabo un estudio de viabilidad económica y un estudio medioambiental, de forma que se analiza su rentabilidad e impacto en el medioambiente. El documento final está formado por los siguientes volúmenes: memoria, planos, pliego de condiciones y presupuesto.

En The commercial cooling sector is currently in constant expansion around the world, given the growing needs and demands of the population at global level. This sector uses cooling systems that mainly use steam compression cycles technology to cool down products contained inside. This cooling system needs a refrigerant to function with a food performance. However, the use of these refrigerating fluids is in the spotlight. Nowadays, commercial refrigeration sector is extremely constrained by the recent regulations approved over the past few decades. These regulations, known as F-GAS, IEC or Ecodesign Directive, among others, impose a series of environmental restrictions limiting the use of high global warming potential (GWP) refrigerant fluids. For this reason, natural refrigerants are becoming increasingly important at the expense of artificial refrigerants, which have a high greenhouse effect. However, not all natural refrigerants are appropriate, as some of them are flammable, such as R290 (propane), or toxic, such as ammonia. That makes necessary the search for alternatives and in this context CO2 stands out over the rest, since this fluid meets the prescribed requirements: it is neither flammable nor toxic and its GWP is non-existent. The main problem of this fluid remains on its thermodynamic behaviour, since it presents high working pressures and a low critical temperature value, what restricts its use to greater power and magnitudes applications and mostly in non-warm climates. However, the advantage of mixing CO2 with natural or artificial refrigerants can be seen in its thermodynamic properties behaviour, since its critical temperature increases and its working pressure decreases, without losing its good performance. For this reason, in this document a comparative study of different refrigerant mixtures is carried out in order to find out the best one to replace CO2 as a working fluid, besides improving the system energy efficiency. In order to achieve this purpose, first of all four mixtures simulations (R744/R32, R744/R152a, R744/R290 and R744/R1270) are carried out with Matlab, in addition to pure R744. Those with better simulation results are the ones analysed in the later experimental tests in the refrigeration equipment, together with the pure R744. This commercial refrigeration unit works with a vapour compression circuit, widely used in supermarkets, and it has to be adapted to be able to adequately work with the final mixtures. Additionally, in order to monitor the thermodynamic cycle, a great number of transducers are set up throughout the installation to be recorded using LabVIEW. The problems derived from the use of R744 are expected to be solved, including an improvement in terms of energy efficiency. Finally, after finishing all the analysis, an economic feasibility study and an environmental study are carried out in order to verify its profitability and environmental impact. The final document consists of the following volumes: report, drawings, specifications statement and budget.