Análisis exergético y exergoeconómico avanzado para el diseño de un sistema de refrigeración por compresión a vapor de configuración paralela utilizando fluido CO2

Abstract

Los sistemas de refrigeración actuales se encuentran en un proceso de migración de fluidos refrigerantes contaminantes, a aquellos que utilicen refrigerantes medioambientalmente amigables y que contribuyan a la sostenibilidad del planeta. El refrigerante menos contaminante usado actualmente es el CO2, con un potencial de daño al medio ambiente y una contribución al calentamiento global nula. Sin embargo, a pesar de sus excelentes propiedades, el CO2 como tal no puede trabajar en todo el rango de temperaturas ambientales, sin ser necesario su paso a condiciones transcríticas (por encima del punto crítico). Debido a la condición transcrítica del ciclo de refrigeración convencional con CO2, se tiene que trabajar a altas presiones de compresión, lo que reduce el coeficiente de performance (COP, por sus siglas en inglés) en contraste con los valores de COP para los sistemas de refrigeración donde se usan otros refrigerantes más contaminantes. Esto limita la aplicabilidad de los sistemas de refrigeración con CO2 a nivel industrial. Para contrarrestar lo mencionado, se han estudiado diversas modificaciones al sistema de refrigeración convencional con CO2, entre las que destacan la inclusión de un intercambiador de calor interno, la compresión por etapas, el uso de ejectores, subenfriamiento adicional y la compresión paralela. La compresión paralela implica el uso de un compresor paralelo adicional, que incremente la presión del CO2 vaporizado que sale de la válvula de expansión, cuya capacidad refrigerante en los evaporadores es nula. De esta forma, el CO2 que ingresará al evaporador será sólo líquido (saturado, con calor latente para transferir) y este CO2 será el que ingrese después al compresor principal del sistema. A pesar de introducir un equipo adicional que consume energía (compresor paralelo), el COP de este sistema es considerablemente mayor al de un sistema convencional: mejora la transferencia de calor en el evaporador y reduce el consumo energético del compresor principal al trabajar con menor carga de CO2. De la literatura revisada, se ha definido a esta modificación como la de mayor potencial a futuro por sus mejoras notables en COP. En este trabajo, se ha analizado un sistema existente de refrigeración a dos niveles (media temperatura y baja temperatura) con compresión paralela usando CO2. El objetivo del análisis ha sido determinar el equipo menos eficiente del sistema y evaluar su optimización. Parte del análisis realizado implica el modelamiento matemático del sistema, un análisis exergético simple y avanzado y un análisis exergoeconómico. Se resalta el trabajo en un rango de temperaturas de -5 a 40 °C, no desarrollado hasta ahora en la literatura existente. Una de las primeras conclusiones obtenidas es la importancia del análisis exergético avanzado y sus ventajas sobre el simple. Un análisis exergético simple es válido únicamente para determinar dónde están las mayores pérdidas de exergía de un sistema de varios equipos. Si se requiere definir cuál equipo se debe optimizar para reducir la máxima exergía destruida posible del sistema, se requiere un análisis exergético avanzado, pues uno simple puede conllevar a resultados erróneos. Del trabajo realizado, se concluye que para un rango de temperaturas ambiente de -5°C a 40 °C, el equipo con potencial de mejoras en su diseño para reducir las irreversibilidades del sistema y por ende los costos del mismo, es el compresor de alta presión (CHP). Al mejorar el diseño del compresor de alta presión, no sólo se reduce la exergía destruida (total, endógena y evitable) del compresor de alta presión (CHP); sino además la exergía destruida (total, exógena y evitable) del enfriador de gas (GC), al verse impactadas sus condiciones de operación por el compresor de alta presión que se ubica aguas arriba del mismo en el sistema de refrigeración analizado. Se calculó una reducción máxima en la exergía destruida total para el compresor de alta presión (CHP) de hasta el 40% y una reducción máxima en la exergía destruida evitable de hasta el 45%. Para el enfriador de gas (GC), se obtuvo un máximo de reducción de exergía destruida total del 6% y en la exergía destruida evitable un máximo de reducción del 19%