Amoníaco

El Instituto de Investigación de Energía Eléctrica (EPRI), con sede en EE. UU., descubrió que reemplazar un sistema de aire acondicionado hidrónico tradicional con un enfriador de amoníaco (R717) de baja carga y un circuito de convección de CO2 (R744) puede reducir los costos, el uso de energía y las emisiones de gases de efecto invernadero.

EPRI se asoció con la empresa de servicios públicos Southern California Edison (SCE) y el fabricante japonés de HVAC&R Mayekawa para desarrollar un prototipo y probar el concepto. Los resultados del estudio, "Desarrollo y evaluación de la compresión de vapor de amoníaco acoplada a un circuito de convección de CO2", fueron presentados por Ron Domitrovic, gerente de programa de EPRI en la 14.ª Conferencia de bombas de calor de la IEA en Chicago, del 15 al 18 de mayo.

Según el estudio, se demostró que el concepto era técnicamente factible, y se demostró con éxito la "viabilidad del sistema".

Impulsado por las crecientes restricciones sobre los refrigerantes sintéticos, la investigación de EPRI se centró en cómo los refrigerantes naturales, en particular el amoníaco y el CO2, podrían usarse en aplicaciones comerciales de aire acondicionado.

"Estábamos buscando específicamente reemplazar enfriadores que usan refrigerantes tradicionales y [sistemas de circuito de agua] en grandes edificios para aire acondicionado", explicó Domitrovic. "La idea era imitar lo que se hace a veces en los sistemas de los supermercados, donde podría tener un enfriador de amoníaco acoplado a un sistema de distribución de CO2".

"La idea era imitar lo que se hace a veces en los sistemas de los supermercados, donde podría tener un enfriador de amoníaco acoplado a un sistema de distribución de CO2".

Señaló que para su uso en esta aplicación, el equipo del proyecto estaba buscando presiones y temperaturas elevadas para el circuito de CO2, ya que estos sistemas generalmente se usan para temperaturas mucho más bajas.

El prototipo del sistema de aire acondicionado, que fue desarrollado y probado en el laboratorio de EPRI en Knoxville, Tennessee, consta de un enfriador de amoníaco Mayekawa de 28kW (8TR) para compresión de vapor, un circuito de convección de CO2 y tres unidades remotas de manejo de aire (AHU) para interiores.

Según Domitrovic, el enfriador listo para usar se adaptó con un intercambiador de calor para garantizar la compatibilidad con el enfriamiento de CO2 en lugar de agua.

Como el sistema es el primero de su tipo, no todos los componentes estaban disponibles, explicó.

"No había válvulas de expansión apropiadas, así que usamos válvulas de aguja en su lugar", dijo. "También teníamos una confianza limitada en la capacidad de bombear CO2 en estas condiciones, pero encontramos una bomba [de baja temperatura] que pensamos que también era apropiada para la temperatura y la presión más altas".

También se fabricaron bobinas especiales para las AHU para adaptarse al aire acondicionado con CO2, agregó.

Desde una perspectiva de seguridad, la baja carga de refrigerante, menos de 130 g de amoníaco por kW de capacidad de refrigeración (1 lb/TR), combinada con el hecho de que el enfriador se instaló al aire libre, ayuda a limitar el riesgo de fuga de amoníaco, dijo Domitrovic.

El circuito de CO2 opera a 31–38 bar (450–550 psi) y se utilizaron técnicas para garantizar que el sistema pudiera soportar presiones mucho más altas, agregó.

"Es un sistema relativamente simple y relativamente fácil de instalar", dijo Domitrovic.

En comparación con un enfriador tradicional y un sistema de circuito de agua, el uso de un enfriador a base de amoníaco y un circuito de convección de CO2 ofrece múltiples beneficios, dijo Domitrovic durante su presentación. Los beneficios incluyen costos reducidos, mayor eficiencia, menor GWP y mayor flexibilidad.

Los posibles ahorros de costos provienen de la reducción del gasto en tuberías, instalación y energía, todo lo cual es posible gracias a la mayor capacidad calorífica del CO2 que cambia de fase en comparación con el agua, explicó.

La reducción de los requisitos de bombeo da como resultado una reducción de cinco veces en el uso de energía, agregó.

Si bien el análisis asume poca diferencia entre un enfriador basado en amoníaco o HFC en términos de costo de capital por unidad de capacidad instalada, los investigadores han dicho que el amoníaco de baja carga ofrece una alternativa más económica a los refrigerantes de alto GWP.

"El tamaño más pequeño de las tuberías requeridas para la convección de CO2 ofrece un potencial de ahorro de materiales y costos de instalación que podría ayudar a compensar cualquier prima de capital para este nuevo tipo de equipo", dijo el equipo de investigación.

"El tamaño más pequeño de las tuberías requeridas para la convección de CO2 ofrece un potencial de ahorro de materiales y costos de instalación que podría ayudar a compensar cualquier prima de capital para este nuevo tipo de equipo".

Las ganancias de eficiencia provienen de la alta eficiencia del amoníaco y la alta capacidad calorífica del CO2, que puede transferir diez veces más calor que el agua.

Según Domitrovic, se logró un COP de 2 a 3 con poca optimización del sistema. Esto ofrece la posibilidad de mejorar sustancialmente la eficiencia del sistema en el futuro, agregó.

Si bien el sistema solo fue diseñado y probado para refrigeración, el equipo de investigación ha dicho que el concepto puede ampliarse para incluir calefacción con consideraciones adicionales, como acomodar CO2 a alta presión para la convección de calor.