ESTUDIO DE FLUIDOS FLUORADOS DE BAJO POTENCIAL DE CALENTAMIENTO ATMOSFÉRICO PARA APLICACIONES DE BAJA TEMPERATURA EN REFRIGERACIÓN COMERCIAL

Abstract

La refrigeración es uno de los sectores del conocimiento que más aplicaciones tiene en el mundo. La tecnología de refrigeración más extendida es la de los sistemas por compresión de vapor. A lo largo de la historia estos sistemas han contribuido dos efectos negativos para el medio ambiente: la destrucción de la capa de ozono (que en la actualidad ha sido solucionado) y la emisión de gases de efecto invernadero (GEI) a la atmósfera. Una parte de las emisiones de GEI están relacionadas con los sistemas de refrigeración. Estas emisiones se deben principalmente a dos factores: las fugas de refrigerantes (emisiones directas) y la eficiencia energética de los sistemas (emisiones indirectas). Siendo las emisiones de GEI causantes en gran medida del cambio climático. Muchos de los refrigerantes que han sido usados en sistemas de refrigeración presentan altos valores de potencial de calentamiento atmosférico (PCA) y esto determina que estas sustancias contribuyan en gran medida al calentamiento global. En el caso de la refrigeración comercial el más extendido es el R404A, con un PCA de 3922. En los últimos años la Unión Europea expidió el Reglamento nº 517/2014 el cual establece que las sustancias fluoradas con PCA>150 deben ser reemplazadas en la mayor parte de los sistemas de refrigeración comercial. Es por ello por lo que el presente trabajo analiza y evalúa alternativas de reemplazo para el R404A. Inicialmente se realiza una revisión del estado del sector de la refrigeración comercial, y de los fluidos refrigerantes que han sido usados hasta la actualidad. Como consecuencia, se determina que las alternativas más viables son el R454C y el R455A. Con el fin de analizar los rendimientos teóricos, se simula el comportamiento de los refrigerantes en un ciclo termodinámico de compresión de vapor básico, utilizando el programa REFPROP v.9.1 para el cálculo de las propiedades termofísicas de los refrigerantes. La simulación se realiza bajo varias condiciones de operación y analizando la posibilidad de trabajar con intercambiador intermedio (II). La simulación muestra un decrecimiento tanto de los caudales másicos como de las capacidades frigoríficas de las alternativas con relación al R404A, mientras que los valores del COP son mayores. Por otro lado, la temperatura de descarga se mantiene bajo el límite permitido para los ensayos sin II, pero se incrementa peligrosamente al trabajar con II. Posteriormente, se realiza el análisis experimental en un banco de ensayos. El banco de pruebas está dotado de una serie de instrumentos de medición de temperatura, presión, caudal y consumo eléctrico que son monitorizados y almacenados en un ordenador. De los análisis experimentales, se determina que las alternativas presentan similares capacidades frigoríficas al R404A, pero también incrementa el rendimiento energético con relación a este fluido, por lo que los hace buenos candidatos para reemplazarlo. Así mismo, en ninguna condición al trabajar sin II la temperatura de descarga supera el límite establecido para evitar daños en el compresor. Por otro lado, el R454C y el R455A presentaron ligeros incrementos en la capacidad frigorífica y en la eficiencia energética al trabajar con II. Sin embargo, las temperaturas de descarga se incrementan en gran medida y podrían superar la temperatura límite sobre todo en altas tasas de compresión, por lo que no es recomendable utilizar el II. Debido a que el R454C y el R455A presentan bajos valores de PCA (que les permite cumplir con la normativa nº 517/2014), mayores valores de eficiencia energética que el R404A, y que se adaptan apropiadamente a su sistema, se convierten en buenas alternativas a corto plazo. Como consecuencia, se recomienda la utilización de estos refrigerantes para reducir las emisiones de CO2 equivalentes en sistemas de refrigeración comercial en aquellas aplicaciones que su carga no sobrepase la cantidad máxima permitida para r

La refrigeració és un dels sectors de coneixement que més aplicacions té al món. La tecnologia de refrigeració més estesa són els sistemes de compressió de vapor. Al llarg de la història, aquests sistemes han contribuït mitjançant dos efectes negatius per al medi ambient: l'esgotament de la capa d'ozó (en l'actualitat està sent ja poc a poc solucionat) i l'emissió de gasos d'efecte hivernacle (GEH) a l'atmosfera. Una part de les emissions de GEH estan relacionades amb els sistemes de refrigeració. Aquestes emissions es deuen principalment a dos factors: les fugues de refrigerants (emissions directes) i l'eficiència energètica dels sistemes (emissions indirectes). Per ésser les emissions de GEH les causants en gran mesura del canvi climàtic. Molts dels refrigerants que han estat emprats en sistemes de refrigeració presenten alts valors de potencial d'escalfament atmosfèric (PEA) i això determina que aquestes substàncies contribueixin en gran mesura a l'escalfament global. En el cas de la refrigeració comercial, el més estès és el R404A, amb un PEA de 3922. En els últims anys, la Unió Europea va aprovar el Reglament nº 517/2014, el qual estableix que les substàncies fluorades amb PEA>150 han de ser reemplaçades en la major part dels sistemes de refrigeració comercial. És per això que el present treball analitza i avalua alternatives per reemplaçar al R404A. Inicialment es realitza una revisió de l'estat del sector de la refrigeració comercial, i dels fluids refrigerants que han estat usats fins a l'actualitat. Com a conseqüència es determina que les alternatives més viables són el R454C i el R455A. Per tal d'analitzar els rendiments teòrics se simula el comportament dels refrigerants en un cicle termodinàmic de compressió de vapor bàsic utilitzant el programa REFPROP v.9.1 per al càlcul de les propietats termofísiques dels refrigerants. La simulació es realitza sota diverses condicions d'operació i tenint en compte la possibilitat de treballar amb un intercanviador intermedi (II). La simulació mostra un decreixement tant dels cabals màssics com de les capacitats frigorífiques de les alternatives amb relació al R404A, mentre que els valors del COP resulten majors. D'altra banda, la temperatura de descàrrega es manté sota el límit permès per als assajos sense II, però s'incrementa perillosament quan es treballar amb II. Posteriorment, es realitza l'anàlisi experimental a un banc d'assajos. El banc de proves inclou sensors de mesura de temperatura, pressió, consum i cabals. Dels resultats experimentals es pot determinar que les alternatives de baix PEA presenten similars capacitats frigorífiques al R404A, però addicionalment incrementem el seu rendiments energètic amb relació al HFC. Així mateix, sense II, no supera el límit establert de temperatura de descàrrega a cap condició. Per tant, aquests refrigerants poden ser bons candidats per reemplaçar al R404A en sistemes de refrigeració comercial. D'altra banda, el R454C i el R455A presenten lleugers increments en la capacitat frigorífica i en l'eficiència energètica en treballar amb II. No obstant això, les temperatures de descàrrega s'incrementen en gran mesura i podrien superar la temperatura límit en altes taxes de compressió, de manera que no és recomanable utilitzar el II per evitar danys en el compressor i pels mínims beneficis energètics que aporta. Donat que R454C i el R455A presenten baixos valors de PEA (que els permet complir amb la normativa europea per al control i reducció de gasos fluorats d'efecte hivernacle), majors valors d'eficiència energètica que el R404A i s'adapten apropiadament als seus sistemes, es converteixen en bones alternatives a curt termini. Com a conseqüència, es recomana la utilització d'aquests refrigerants per reduir les emissions de CO2 equivalents dels sistemes de refrigeració comercial en aquelles aplicacions que la seua càrrega no sobrepasse la quantitat

Refrigeration is a sector of knowledge with a relevant number of applications around the world. The most widespread refrigeration technology is the vapor compression system. Throughout history, these systems are having a negative contribution to the environment through two negative effects: the ozone layer depletion (which is being solved today) and the emission of greenhouse gases (GHGs) into the atmosphere. A significant part of GHG emissions are related to the operation of refrigeration systems, mainly due to two factors: the accidental leakage of refrigerants (direct emissions) and the energy used by these systems (indirect emissions). GHG emissions are largely responsible for climate change. Many of the working fluids used in refrigeration systems have high values of global warming potential (GWP) and, therefore, these substances have a significant contribution to the increase of the global mean temperature. In the case of commercial refrigeration, the most commonly fluid is R404A, with a GWP of 3922. In the recent years, HFC refrigerants are being controlled by the European Regulation No. 517/2014, which states that fluorinated gases with GWP above 150 should be replaced in most of the commercial refrigeration applications. Due to this situation, the present study analyzes and evaluates the feasibility of low GWP alternatives to R404A. First, the state of art of the commercial refrigeration sector is reviewed, and the main properties of the refrigerants have been proposed to date are presented. As a result, it is determined that the most viable alternatives are R454C and R455A. The behaviour of the refrigerants in a basic thermodynamic vapour compression cycle is simulated to analyse the theoretical performance, using the REFPROP v.9.1 program to calculate the thermophysical properties of the refrigerants. The simulation is carried out considering several operating conditions and analysing the possibility of working with intermediate heat exchanger (IHX). The simulation shows a decrease in both the mass flow rate and the refrigeration cooling capacity of the alternatives in comparison to R404A, while the COP is always higher for the new mixtures. Besides, the discharge temperature for the tests without IHX is below the limit, but it increases when working with IHX. Then, the experimental analysis is carried out in a refrigeration test bench. The test bench is also equipped with sensors for a continuous measurement and display of the temperature, pressure, flow and electrical consumption in different parts of the circuit. The experimental results show that R454C and R455A have similar cooling capacity to that of R404A, but they also have higher energy performance in comparison to this fluid, and therefore they can be considered good candidates to replace it. Likewise, when the IHX is not used, the discharge temperature never exceeds the established safety limit. On the other hand, R454C and R455A showed a slight increase in cooling capacity and energy performance when working with IHX. However, the discharge temperature increases greatly and could exceed the limit temperature, especially at high compression rates, so it is not advisable to use the IHX. Because R454C and R455A have low GWP values (which allows them to comply with European Regulations for the control and reduction of fluorinated greenhouse gases), higher values of energy performance than R404A, and they can be adapted appropriately to its system, they become good alternatives in the short term. Therefore, the use of these refrigerants is recommended to reduce CO2 equivalent emissions in commercial refrigeration systems in applications which refrigerant charge does not exceed the maximum allowed for slightly flammable refrigerants.