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CENTRALES FRIGORIFICAS R290-CO2 Encuentros Técnicos de AEFYT
Madrid, 21 Febrero de 2018
2
Contenido
ENTORNO ACTUAL
ARQUITECTURA DE SISTEMAS DE CO2
SISTEMA FRIGORIFICO DE R290-CO2-CO2
COMPARATIVA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA
PLANTAS COMERCIALES DE R290-CO2-CO2
CENTRALES R290-CO2-CO2
CENTRALES R290-CO2-CO2
EJECUCIONES ESPECIALES
3
Un entorno cambiante
Entorno normativo.
Reglamento Fgas. (R. UE 517/2014).
- Reducción de cuota de gases fluorados en 2018
- Prohibición de R404A en 2020
Regl. Manipulación de gases fluorados (RD115/2017)
- Revisión de fugas:
< 5 ton.eq. exento
5 a 50 ton eq. cada 12 meses
> 50 ton eq. cada 6 meses
Ecodiseño
- Nuevo requisito de eficiencia para jul-2018 en ud.
condensadoras , centrales y enfriadoras.
- Nuevo lote de enfriadoras de procesos AT.
Proyecto de Nuevo Reglamento de Seg. Inst. Frig.
- Basado en EN371-2016
- Relajación de requisitos para A2L
- Previsto para finales de 2018
Escalada de precio del refrigerante.
0
10
20
30
40
50
60
70
ene. feb. mar. abr. may. jun. jul. ago. sep. oct. nov. dic. ene. feb.
2017
€/kg R404A
R452A
R410A
R407A
R407F
R448A
R134a
R450A
2018
4
Un entorno cambiante
5
Un entorno cambiante
Escalada de precio del refrigerante.
0
10
20
30
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60
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ene. feb. mar. abr. may. jun. jul. ago. sep. oct. nov. dic. ene. feb.
2017
€/kg R404A
R452A
R410A
R407A
R407F
R448A
R134a
R450A
2018
6
Aplicación de refrigerantes según el RSIF y FGas Aplicación en refrigeración comercial (locales de categoría B)
Grupo de seguridad del refrigerante Sistema y ubicación
Grupo 1: HFC, CO2
Grupo 2: NH3, HFO, R32
Grupo 3: HC (R290, R600)
Armarios frigoríficos e islas de congelados con grupo incorporado (B-1)
límite práctico PCA < 150 (Fgas 2022)
< 225 gr ~500W (IEC 60335-2-89)
<150gr~500W (IEC60335-2-89)
Expositores y vitrinas frigoríficas con grupo remoto o conectados a central . (B-1, B-2)
límite práctico HFC < 40kW (F-Gas 2022)
< 2,5kg (1kW HFO) (~2,5 kW R32) (~15 kW NH3)
< 1,5 kg ~2kW
Sistemas indirectos para supermercados (B-3i)
Sin limitación Sin limitación < 5kg (~30kW)
Exp. directa
HFCs
Equipos compactos de cámaras en zonas de acceso restringido (D-1)
Sin limitación PCA < 2500 (Fgas 2022)
< 10kg < 10 kg < 1kg en sótanos
Sistemas partidos o compactos industriales para cámaras frigoríficas (D-2)
Sin limitación PCA < 2500 (Fgas 2022)
Sin limitación < 25 kg < 1kg en sótanos
Sistemas indirectos para industria y cámaras frigoríficas (D-3i)
Sin limitación
Sin limitación
Sin limitación < 1kg en sótanos
Aplicaciones industriales y cámaras frigoríficas (categoría D)
Grupo incorp.
R290
Sistema indirecto
HFC
Exp. directa
CO2
Exp. directa
HFCs
Sistema
R290-CO2
Sistema
R290-CO2
Sistema
NH3
7
Características R290 (Propano) y R744 (CO2)
R404A R134a R290 (propano) R744
Fórmula HFCs H2F4C2 H8C3 (natural) CO2 Natural
Peso molecular 97.6 gr/mol 102 gr/mol 44 gr/mol 44 gr/mol
Temp. ebullición -46.2/-45.5 ºC -26.1 ºC -42ºC -78ºC (sublim.)
Temp. crítica 72 ºC 101.1 ºC 96.7ºC 31 ºC
Calor latente (-10ºC) 166 kJ/kg 199 kJ/kg 375 kJ/kg 231 kJ/kg
Densidad líquido 1187 kg/m3 1327 kg/m3 542 kg/m3 983 kg/m3
Producción frig. Vol. (-10ºC) 2022 kJ/m3 1293 kJ/m3 1846 kJ/m3 6185 kJ/m3
COP ideal (-10/+45ºC) 3.0 3.5 3.5 1.8
COP ideal (-35/+0ºC) 5.7 5.9 5.1
PCA 3922 1430 3 1
Clase de seguridad A1 A1 A3 (inflamable) A1
Límite práctico 480 gr/m3 250 gr/m3 8 gr/m3 70 gr/m3
8
ARQUITECTURA DE SISTEMAS FRIGORIFICOS
Sistemas centralizados de CO2
9
Sistema directo centralizado tradicional (Ubicación tipo 2)
CU
BIE
RTA
SA
LA D
E M
ÁQ
UIN
AS
SALA
S D
E V
ENTA
S
+ PROS • Sistema tradicional y
conocido • Eficiente en MT y BT - CONTRAS • Largos tendidos de
tubería • Perdidas de carga en
tuberías • Alta carga de
refrigerante • Alto riesgo de fugas • Pérdida de eficiencia
en AT • Prohibido en Fgas
2022 para > 40kW.
CÁ
MA
RA
S
Y S
ERV
ICIO
S
R404A
R404A
10
Sistema R134a - cascada CO2 subcrítico (Ubicación tipo 2)
CU
BIE
RTA
SA
LA D
E M
ÁQ
UIN
AS
SALA
S D
E V
ENTA
S
+ PROS • Sistema conocido • Eficiente - CONTRAS • Largos tendidos de
tubería • Perdidas de carga y
sobrecalentamiento
• Gran carga de refrigerante
• Alto riesgo de fugas
R134a CO₂
CÁ
MA
RA
S
Y S
ERV
ICIO
S
R134a
11
Sistema doble cascada: R134a-CO2-CO2 (Ubicación tipo 3)
CU
BIE
RTA
SA
LA D
E M
ÁQ
UIN
AS
SALA
S D
E V
ENTA
S
+ PROS • Sistema conocido • Eficiente - CONTRAS • Largos tendidos de
tubería • Perdidas de carga y
sobrecalentamiento
• Gran carga de refrigerante
• Alto riesgo de fugas
R134a CO₂
CÁ
MA
RA
S Y
SER
VIC
IOS
CO₂
12
Sistema doble cascada: R290-CO2-CO2 (Ubicación tipo 3)
CU
BIE
RTA
SA
LA D
E M
ÁQ
UIN
AS
SALA
S D
E V
ENTA
S
+ PROS • Sistema conocido • Eficiente - CONTRAS • Largos tendidos de
tubería • Perdidas de carga y
sobrecalentamiento
• Gran carga de refrigerante
• Alto riesgo de fugas
R290
CÁ
MA
RA
S Y
SER
VIC
IOS
CO₂
13
Sistema doble cascada: R290-CO2-CO2 (Ubicación tipo 3)
Murales de temp.
positiva
Cámaras de
temp. positiva
Islas de
congelados
Obradores
Vitrinas
refrigeradas
Vitrinas
refrigeradas
Murales de temp.
positiva
Murales de temp.
positiva
Cámara de
congelados Central frigorífica
14
Plantas de CO2
60kW 20kW 300kW CO2
Plantas comerciales de CO2 con condensador incorporado
Conjuntos de compresores semiherméticos
Rack de compresores de CO2
150kW
Plantas especiales de CO2 con condensador incorporado
15
Instalación piloto R134a - CO2 en cascada
16
Plantas comerciales de R290-CO2-CO2
Características
Compresores de R290 confinados en compartimento inferior • Detección de fugas • Ventilación de emergencia • Válvula de seguridad de alivio a BP • Doble circuito de R290 < 5kg
Compresores de CO2 en paralelo en compartimento superior
Inverter en compresores
Ventiladores electrónicos
Doble intercambiador de cascada
• Expansión por válvulas electrónicas
17
R290 COMPRESSORS
CO2 SUBCRITICAL COMPRESSORS
LIQUID CO2
BT CO2 SUCTION
MT CO2 SUCTION
Sistema frigorífico de R290-CO2-CO2
Esquema de principio
COMBINED CONDENSER + GAS COOLER
HOT GAS
18
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
110
0.5 1 1.5 2 2.5
T (ºC)
S (kJ/kgK)
Sistema frigorífico de R290-CO2-CO2
Diagrama TS
CASCADA
CONDENSADOR
El desrecalentador o gas-cooler permite evacuar una parte del calor.
R290
CO2
Condensación de CO2 en cascada de +5 a 10ºC
El R290 puede condensar a más de 65ºC
El R290 posee un alto efecto frigorífico
19
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
110
0.5 1 1.5 2 2.5
T (ºC)
S (kJ/kgK)-50
-30
-10
10
30
50
70
90
110
0.5 1 1.5 2 2.5
T (ºC)
S (kJ/kgK)
Sistema frigorífico de R290-CO2-CO2
Modos de funcionamiento
VERANO: funcionamiento en cascada INVIERNO: funcionamiento subcrítico con condensación directa
20
-50
-30
-10
10
30
50
70
90
110
0.5 1 1.5 2 2.5
T (ºC)
S (kJ/kgK)
Sistema frigorífico de R290-CO2-CO2
Diagrama TS - Desescarche por gas caliente a baja presión
CASCADA
CONDENSADOR
R290
CO2
En el desescarche a baja presión, el gas caliente es expandido a la presión de evaporación, y se utiliza el calor sensible para descongelar el evaporador.
21
Sistema frigorífico de R290-CO2-CO2
Esquema de instalación con desescarche por gas a baja presión
R290
R744 R744
22
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
0 10 20 30 40 50
CO
P c
en
tral
+ c
on
de
nsa
do
r
Temperatura ambiente ºC
DX R134a - cascada CO2
CO2 booster transcrítico
CO2 compresor paralelo
CO2 transcrítico con eyector
R290 - cascada CO2 doble asp.
Comparativa de eficiencia energética
0
50
100
150
200
250
300
350
-19
-17
-15
-13
-11 -9 -7 -5 -3 -1 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49
Ho
ras
de
com
pre
sor
Sevilla
Estrasburgo
23
Hipótesis del estudio: Potencias frigoríficas: - A temperatura positiva: 100kW - A temperatura negativa: 30 kW
Temperatura de evaporación - Temperatura positiva: -8ºC (CO2), -10ºC (R134a) - Temperatura negativa: -32ºC (CO2) - Sobrecalentamiento: 10K
Saltos térmicos en intercambiadores - DT1 en condensador de aire: 10K, subenfriamiento: 3K - DT2 en enfriadores de CO2 (gas cooler): 1K - DT en intercambiadores de cascada: 5K
Rendimiento componentes - Rendimiento isentrópico de compresores: 60% Compresores semihernéticos - Rendimiento isentrópico de eyector: 15% Referencia: Elbel and Hrnjak (2008)
Presiones de diseño - Alta presión de CO2 transcrítico: 75bar < valor óptimo < 120 bar. - Presión de recipiente de CO2 transcrítico: 40 bar Valor óptimo - Presión de recipiente de CO2 cascada: 40 bar Valor óptimo
24
• Condensador y gas-cooler integrado
• Alto rendimiento, similar a sistemas transcríticos avanzados
• Bajas presiones: PS = 60 bar • Tropicalizadas a alta temperatura • Alta seguridad y fiabilidad • Componentes de mercado
Plantas comerciales de R290-CO2-CO2
Características
de 20 a 60 kW
25
26
• R134a confinado en central • R744 en circuito MT y BT • Alto rendimiento, similar a
sistemas transcríticos avanzados • Bajas presiones: PS = 60 bar • Alta seguridad y fiabilidad • Componentes de mercado
Centrales de compresores de R134-CO2-CO2
Características
de 50 a 150 kW
27
Características: Refrigerante: R744 – R134a Compresores CO2: 4x 4NSL30K Compresores R134a: 2x3x 6FE40Y Presión nominal de funcionamiento CO2 : 34 bar Presión de diseño PS : 55 bar Potencia frigorífica en evaporador: 354 kW (Tev = -35ºC, sh=6K, sc=5K) Potencia frigorífica compresores CO2: 4x 75 kW (Tev= -35ºC, sh= 10K) Potencia de enfriamiento de gas CO2: 70kW (Temp. enfri. 39ºC) Potencia de condensación de CO2 necesaria: 2x 180 kW (Tcd = 5ºC) Potencia frigorífica en compresores R134a: 2x 200 kW (Tev 0ºC, Tcd: 45ºC) Potencia absorbida total (compr + vent.) 220 kW COP compresores 1.50
Ejecuciones especiales Ejemplo de central de congelados de 300kW
28
MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN
“Siendo natural y sincero, puedes crear una revolución sin pretenderlo.” Christian Dior