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CAPÍTULO N°1 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL CO2 INTRODUCCIÓN En la naturaleza se producen varias sustancias que pueden utilizarse eficazmente como refrigerantes en sistemas de refrigeración por compresión de vapor. Estas sustancias de origen natural incluyen amoníaco (NH3) y dióxido de carbono (CO), y se han denominado "refrigerantes naturales". Debido a que ocurren en la naturaleza, estas sustancias son, por definición, ambientalmente neutras cuando se usan en sistemas de refrigeración. A diferencia de los refrigerantes halocarbonados clorados CFC y HCFC, los refrigerantes naturales tienen cero Potencial de agotamiento del ozono (ODP) y cero o exrremely bajo potencial de calentamiento global (GWP). Además de los beneficios medioambientales que favorecen el uso de NH3 y C02, existen importantes beneficios económicos. Ambos fluidos son abundantes en nuestro medio ambiente y se producen en gran cantidad para uso comercial en una serie de industrias, tales como; NH3 en la agricultura y las industrias químicas, C02 en las industrias de bebidas.

Los costos a granel para un contratista en 2013 fueron $ 0.80 $ / lb para NH3 '0.60 $ / lb para C02, 7.50 $ / lb para R-507 y $ 14.00 $ / lb para R-22. Este último se observa para demostrar los efectos de la reducción de la producción y / o los impuestos sobre el gas F en algunos países europeos sobre cualquier refrigerante que no se produce de forma natural. Los sistemas de refrigeración se

cargan en volumen más que en masa, haciendo que el coste de una carga de refrigerante sea aún más alto aún para refrigerantes sintéticos que son casi 1,5 veces más densos, C02 se ha utilizado en ciclos de refrigeración desde Alexander Twinning recibió una patente británica para un sistema C01 en 1850. En la década de 1930, el amoníaco y, posteriormente, halocarbon refrigerantes superó C02 en popularidad. Ahora que los refrigerantes de halocarbono han sido eliminados gradualmente por las regulaciones ambientales - y el aumento de las regulaciones de seguridad en el lugar de trabajo han hecho el uso de amoníaco más oneroso - el C02 ha llegado a un amplio uso en los sistemas de refrigeración industrial y comercial. Las propiedades únicas de C07 hacen su aplicación como refrigerante algo diferente a NH3 en lo que respecta a selección de materiales, diseño de componentes y sistemas, puesta en marcha y operación, seguridad, etc. Historial de operación reciente para almacenes frigoríficos públicos, vitrinas de supermercados y venta minorista Ha demostrado que el uso de energía de los sistemas C02 modernos puede ser igual o mejor que los sistemas convencionales de halocarbono o amoníaco. GENERAL El término C02, tal como se utiliza a lo largo de este texto, se refiere al compuesto puro, seco, que contiene menos de 10 partes por millón (o ppm) de humedad. Puede usarse para refrigeración en fases sólidas, líquidas o de vapor y tiene el número de refrigerante R-744. La forma más básica de refrigeración de C02 es un ciclo abierto en el que el C02 líquido es rociado sobre el producto a refrigerar y formará hielo seco y sublime a -109 ºF (-78ºC) con el co? Vapor disipando a la atmósfera inmediata. Otra forma de un ciclo abierto es la generación de hielo seco "nieve", descomprimiendo el líquido C02, que luego se comprime en briquetas o bloques más grandes para enfriar como una versión de temperatura más baja de cubitos de hielo o bloques. Estos procesos de ciclo abierto no están cubiertos en este manual. C02 también puede emplearse como un refrigerante en una serie de diferentes tipos de sistemas de ciclos cerrados, incluyendo tanto subcríticos como transcríticos. Para cualquier tipo de sistema C02, tanto el punto crítico como el punto triple deben ser considerados. El ciclo clásico de refrigeración que todos conocemos es subcrítico, es decir, toda la gama de temperaturas y presiones aplicadas en el ciclo - entre la ebullición del líquido en el evaporador, la compresión y condensación de vuelta al líquido en el condensador - están por encima del punto triple y Debajo de la critica! punto. Un sistema transcrítico hierve todavía refrigerante líquido en el evaporador por encima del punto triple. Sin embargo, el vapor se comprime por encima de la critica! Y en lugar de un condensador, el gas de descarga comprimido se enfría en un punto por encima ya la izquierda del domo clásico del diagrama de PH y sólo vuelve a volverse a un líquido cuando la presión cae por debajo de la cúpula.

Un sistema de C02 subcrítico de una sola etapa es simple, pero también tiene limitaciones debido a su rango de temperatura operacional y alta presión de condensación. El siguiente mapa muestra dónde las condiciones ambientales locales favorecen un sistema subcrítico o transcrítico. CO2 PROPIEDADES El CO2 es un gas ligeramente tóxico, inodoro e incoloro con una acidez ligeramente picante. Es un constituyente pequeño pero vitalmente importante del aire para la regulación respiratoria y está naturalmente presente en nuestra atmósfera. · En los últimos doscientos años, el contenido de COJ de la atmósfera ha aumentado de 280 PPM en 1800 a 295 PPM en 1900 a 368 PPM en 2000. El promedio mundial de C02 de abril de 2013 es de 396,72 PPM por NOAA. Como punto de referencia, los niveles de COJ en la atmósfera han sido más de 1.000 PPM hace 150.000 millones de años. Uno de los mayores productores de C02 son las centrales eléctricas. C02 se teoriza para ser una de las principales causas del calentamiento global de hoy, lo que plantea preocupaciones sobre el uso de COJ como un refrigerante. Sin embargo, cuando se usa COJ como refrigerante, el gas ya existe dentro de un flujo de desechos de gas natural, principalmente en la producción de NHJ. Luego se captura, se refina y se uti- liza para cargarse en un ciclo cerrado de refrigeración. El gas C02 es 1,5 veces más pesado que el aire en la presión atmosférica y, si se libera a la presión, caerá. La figura 1.3 muestra la relación presión / temperatura para C02, R404a, R134a y NH3. Los puntos destacados de las propiedades de CO / s en comparación con los otros refrigerantes incluyen: • mayor presión de funcionamiento a una temperatura determinada • gama más estrecha de ternperaturas operativas • punto triple a una presión más alta • crítica a una temperatura muy baja Mientras que los puntos triples y críticos no suelen afectar el uso de refrigerantes, no es el caso con C02, como se muestra en el diagrama de PH que es la figura 1.4. El lado izquierdo del gráfico, sombreado en azul brillante, destaca el área donde C02 existe como un sólido solamente. El área amarilla refleja sólo líquido. El área de color rosa claro es sólo vapor. El área de color rojo sobre la línea roja es el área supercrítica donde C02 existe como un fluido denso (ni líquido ni vapor). Las zonas de transición líquidas se muestran en amarillo graduado y las zonas de transición sólidas se muestran en azul graduado.

Debajo de la línea horizontal de triple punto, el C02 sólido sublima directamente en un vapor al absorber calor. Por encima de la línea de triple punto, la forma de energía específica más baja de C02, un sólido, se fundirá en un líquido subenfriado, ya que absorbe el calor. Cuando el líquido C02 absorbe suficiente calor ya no será subenfriado y evaporará en un vapor.

Al igual que el amoníaco y la mayoría de los refrigerantes de halocarbono, si C02 es liberado a la presión atmosférica, absorberá calor a una temperatura extremadamente baja, de -109 ºF / -78 ºC. Esto crea la posibilidad de quemaduras por heladas y, en el caso singular de C02, la formación de sólidos que pueden bloquear tuberías y fragmentos de metal. Las propiedades termodinámicas y termofísicas detalladas de C02 se incluyen en los capítulos 2 y 3. Las altas presiones de condensación exhibidas por co2 han limitado históricamente la aplicabilidad de este refrigerante a las temperaturas de succión en el rango de -25 ºF (-3,7 ºC) a -65 ºF (-53,9 ºC). Sin embargo, desde el año 2000, el C02 se ha utilizado en aplicaciones industriales de hasta 32 ºF (O ºC). Para estas temperaturas más altas Las aplicaciones C02 se usan típicamente como refrigerante secundario volátil. Compresores de presión más alta están disponibles recientemente que permitirán la compresión de C02 a estos niveles de temperatura más altos. Una de las ventajas más importantes de C02 es que permanece

en una presión positiva a lo largo de su rango de temperatura de operación. Incluso a -65 ºF (-53.9 ºC) C02 tiene presiones asociadas de 47.5 psig (479.2 kPa / 4.8 barg) mientras que NH3 está en un vacío profundo. Esto es resaltado por la línea horizontal de "presión / vacío positivo" en la Figura 1.3. Debido a las propiedades físicas de C02, las pérdidas de temperatura de la tubería a igual capacidad son menores que el amoníaco, especialmente a temperaturas más bajas. Consulte la figura 1.5 que compara una línea de succión monofásica (seca) de 4 "(DN 100) para el amoníaco con la misma para C0 2 a una caída de presión específica equivalente y una caída de temperatura específica.Esto es especialmente importante en sistemas grandes donde puede haber Ser 1.000 equivalente Pies o más de tubería, accesorios y válvulas desde el evaporador hasta la sala de máquinas. Si bien esta presión más alta es beneficiosa en el lado de baja temperatura del sistema de refrigeración, presenta rápidamente un desafío para temperaturas más altas; Especialmente la prensa de condensación y la prensa de desescarche de gas caliente. Si bien estas presiones son mucho más altas de lo que la industria de refrigeración está acostumbrada, están fácilmente dentro de la capacidad de sistemas mecánicos que ya están en uso en otras industrias. C02 es considerablemente más denso que un NH3 'Esta particular característica de C02 ofrece una serie de beneficios potenciales. Por ejemplo, un compresor de refuerzo requerido para satisfacer una capacidad específica (toneladas de refrigeración o kW) con NH3 a -45 ºF (-42,8 ºC) tendrá típicamente un requisito de barrido de volumen ocho veces mayor que un compresor que proporcione el mismo efecto de refrigeración con C0 2. Consulte la Figura 1.6, que es una extensión de la capacidad listada en la Figura 1.5. Esta diferencia de volumen se refleja en otras partes del sistema de refrigeración, tales como los requisitos de dimensionamiento para tuberías de retorno y succión en húmedo. Esto puede deducirse de la figura 1.5. Aunque, en teoría, los tamaños de los recipientes y del intercambiador de calor pueden hacerse más pequeños sistemas de C02 comparados con los utilizados en los sistemas ÑH3, esto generalmente no se manifiesta en la práctica. El tamaño del recipiente tiende a estar dominado por los requisitos de retención y almacenamiento de líquidos y la característica predominante en un tamaño de intercambiador de calor más frío es el coeficiente de transferencia de calor del aire. Sin embargo, dependiendo de los requisitos del proyecto en particular, existe el potencial de ahorros significativos en costos de capital usando C02 en lugar de NH3 ". Además, existen otras condiciones potencialmente significativas, como la facilidad de conversión para proyectos de rehabilitación y la reducción de la salud y seguridad Riesgo de no tener NH3 en las áreas de producción. CO, cambia directamente de un líquido a un sólido por debajo de su punto triple a -69,8 ºF (-56,6 ºC) a 60,44 psig (417 mPa). En el caso de una fuga de líquido, un poco de hielo seco C02 puede

disminuir la velocidad al bloquear el punto de fuga. Sin embargo, si hay necesidad de liberar CO2 líquido, debe tenerse especial consideración para evitar que el C02 sólido bloquee las salidas de alivio necesarias y para soportar adecuadamente la tubería de salida. INFLAMABILIDAD C02 no quemará ni apoyará la combustión. Aire con un CO2, contenido de más de un 10% se extinguirá -una llama abierta.

SEGURIDAD - EFECTO SOBRE LOS SERES HUMANOS El COz no puede usar la irritación de la piel, los ojos y el sistema respiratorio exhibidos por NH3. Sin embargo, en altas concentraciones; Puede afectar la función respiratoria, llevando a la asfixia e incluso a la muerte. Consulte el Capítulo 4 para obtener más información sobre la seguridad del CO2.

COMPATIBILIDAD CON MATERIALES El C01 seco es corrosivo para los metales, cauchos y plásticos, pero la presencia de pequeños trazas de agua en C02 forma ácido carbónico y lo hace corrosivo para el acero, especialmente en presencia de aire.

REFERENCIAS 1. Charles R. Tay!or, "Carbon Dioxide-Based Refrigerant Systems," AHSRAE Journal, pp 22-27 (2002). 2. Refrigeration, T. /. (2003). Safety Code far Refrigeration Systems Utilizing Carbon Dioxide. Carshalton, Surrey, United Kingdom: The lnstitute of Refrigeration. 3. ASHRAE Handbook: Refrigeration, 2003. 4. Gas Encyclopedia, Air Liquide, Editor Elsevier, 7976. 5. Schaum's outline of Theory and Problems of Thermodynamics. Second Edition, McGraw-Hi/1, !ne. 6. http//encyclopedia.airliquide.com/Encyclopedia_order.asp 7. NDAA, Mauna Loa, Hawaii atmospheric CD, data. 8. R. A. Berner, A revised Model of Atmospheric C01 over Phanerozoic Time, American Journal of Science, Feb. 2001.

CAPÍTULO N°2 PROPIEDADES TERMODINÁMICAS 2.0 Referencias de Fuentes para las Figuras IP Figuras 2.1, 2.2, 2.3 y 2.4 - Generado por la Prof. Dona ld L. Fenton, PhD., P.E. De la Univ. Del Estado de Kansas. Utilizando REFPROP, Versión 7 (NIST 2010 Database 23). Las ecuaciones de estado utilizadas por REFPROP provienen de: R. Span & W. Wagner (1996), "Una nueva Equación de Estación para el Dióxido de Carbono que cubre la Región Fluida desde TriplePoint hasta 1100 K a Presiones de hasta 800mPa, J Ph ys, Chem. Ref. Data, 25 (6): 1509 1596. Los autores reportan que las presiones de hasta 30mPa y temperaturas de hasta 523 K resultan en una incertidumbre entre 0.03% y 0.05% en densidad. Referencia de entalpía: O Btu / lb de líquido saturado a -40 ºF. Referencia de entropía: O Btu / lb-R) de líquido saturado a -40 ºF. IP Figura 2.5 - Generado en blanco y negro de IST REFPROP, Versión 9.1 por el Dr. Mark O. McLinden de la División de Propiedades Termofísicas - NIST, Boulder CO Mejora del color por IIAR Los datos de área sólida debajo del punto triple se aproximaron de los diagramas de PH previamente publicados atribuidos a: Plank y Kuprianoff, Zeit. F.d.gesammte Kalte-Industrie 1929

Referencia de Entha lpy: 0 Btu / lb de líquido saturado a -40 ºF. Referencia de entropía: O Btu / lb-R) de líquido saturado a -40 ºF

SI Figuras 2.6, 2.7, 2.8 y 2.9 - Generado por la Prof. Dona Id L. Fenton, Ph.D., P.E. De la Univ. Del Estado de Kansas. Utilizando REFPROP, Versión 7 (NlST 2010 Database 23). Las ecuaciones de estado utilizadas por REFPROP proceden de: R. Span & W. Wagner (1996), "Una nueva ecuación de estado para dióxido de carbono que cubre la región fluida desde TriplePoint a 1100 K a presiones de hasta 800mPa, J. Phys , Datos Ref. Chem., 25 (6): 1509 - 1596.

Los autores informan que las prensas de hasta 30mPa y temperaturas de hasta 523 K resu lt en incertidumbre oscila entre 0,03% y 0,05% en densidad.

Referencia de entalpía: 200,00 kJ / kg de líquido saturado a 0 ºC. Referencia de entropía: 1.0000 kJ / kg-K) de líquido saturado a 0 ºC.

SI Figura 2.10 - Generado en blanco y negro de NIST REFPROP, Versión 9.1 por el Dr. Mark O. McLinden de la División de Propiedades Termofísicas - NIST, Boulder CO

Mejora del color por IIAR

Los datos de área sólida por debajo del punto triple se aproximan a los datos publicados anteriormente Diagramas atribuidos a: Plank y Kuprianoff, Zeit. F.d.gesammte Kalte-Industrie 1929

Referencia de entalpía: 200,00 kJ / kg de líquido saturado a O ºC. Referencia de entropía: 1.0000 kJ / kg-K) de líquido saturado a 0 ºC. Nota: Diagramas de PH Combinados para Cifras de Ciclos Las cifras utilizadas en todo el Manual se basan en unidades IP en los ejes inferior e izquierdo con entalpía IP y referencias de entropía a -40 ºF. Los ejes superior y derecho y (va lues) son conversiones directas de IP a SI y son desplazados a escala de los valores de IS en las Figuras 2.5 y R 2.10