Sistemas de amoníaco para aplicaciones HVAC/R

Miriam Solana. HVAC/R Technical Knowledge Specialist en Carel Industries

16/09/2022

Resulta interesante el hecho de que el uso principal de uno de los refrigerantes más antiguos, el amoníaco, sea como fertilizante1. Esta sustancia se utiliza también para otros fines en muchas industrias, por ejemplo en el sector textil para la fabricación de fibras sintéticas. No olvidemos tampoco su papel en los productos de limpieza del hogar. En cualquier caso, la manipulación del amoníaco se debe llevar a cabo con ciertas precauciones, ya que es una sustancia ligeramente inflamable, tóxica y corrosiva.

Las características del amoníaco han propiciado su uso particular en nuestro sector. De hecho, su historia como refrigerante (R-717) y el desarrollo de sus tecnologías difieren de la historia y las características de todos los demás refrigerantes. Por un lado, el R-717 está ampliamente disponible en el mercado a un precio muy bajo y tiene buenas propiedades termodinámicas, como un alto calor latente de vaporización, siendo uno de los refrigerantes con mayor eficiencia energética tanto para sistemas de media como de baja temperatura. Por otro lado, su uso se ha limitado a algunas aplicaciones, principalmente en refrigeración industrial y conservación de alimentos, donde está restringido el acceso de las personas.

La evolución de las tecnologías, como el desarrollo de componentes de baja carga y la mejora de los dispositivos de seguridad, así como la creciente necesidad de encontrar sustitutos a los refrigerantes fluorados, están extendiendo el uso de este refrigerante natural a cada vez más aplicaciones HVAC/R. Actualmente, estos son los principales tipos de sistemas que se pueden utilizar con R-717 y que se han implementado con éxito en el mercado:

La descripción de cada uno de estos sistemas se detalla a continuación.

Sistema de refrigeración por absorción y adsorción de vapor

El sistema de refrigeración por absorción de vapor basado en amoníaco-agua es uno de los sistemas de refrigeración más antiguos. Aprovecha el fenómeno de que las sustancias absorben calor cuando cambian de estado líquido a gas, como el ciclo de compresión de vapor. Sin embargo, en este caso, el ciclo se basa físicamente en la capacidad de algunas sustancias de absorber otra sustancia en la fase de vapor.

Un sistema de refrigeración por absorción simple consta de un absorbedor, una bomba, un generador y una válvula reductora de presión. Estos componentes reemplazan al compresor de un sistema de refrigeración por compresión de vapor.

El resto de los componentes del ciclo son los mismos: condensador, evaporador y válvula de expansión. En el sistema de refrigeración por absorción, se utiliza amoníaco como refrigerante y el agua es el absorbente.

En la siguiente figura se muestra el diagrama de un sistema de refrigeración por absorción de vapor. Empezando por el evaporador, el vapor de amoníaco típico a baja presión circula a través de un intercambiador de calor y entra en el absorbedor, donde es absorbido por el agua fría. La absorción del vapor de amoníaco por el agua reduce la presión en el absorbedor y aumenta la temperatura de la solución. En el absorbedor se utiliza un fluido refrigerante secundario (normalmente agua, de nuevo) para extraer el calor de la solución de agua- amoníaco, necesario para incrementar la capacidad de absorción del agua. A continuación, la bomba de líquido bombea la mezcla generada en el absorbedor hacia el generador incrementando la presión hasta 10 bares. En el generador, una fuente externa, como gas, vapor o energía solar, calienta la mezcla. Durante el proceso de calentamiento, el vapor de amoníaco se libera de la mezcla de dos maneras: la solución de amoníaco débil regresa al absorbedor a baja presión después de pasar a través de la válvula reductora de presión, mientras que el vapor de amoníaco a alta presión del generador se condensa en el condensador después de pasar a través del deflegmador. La función del deflegmador es reducir la concentración de vapor de agua en la salida del generador. El amoníaco líquido del condensador va hacia la válvula de expansión a través del recipiente y, a continuación, hacia el evaporador.

La refrigeración por adsorción es muy similar a la refrigeración por absorción. La diferencia radica en que el refrigerante o las moléculas de vapor adsorbidas se absorben en la superficie de un sólido en vez de en un líquido, lo que implica que las características de funcionamiento son significativamente diferentes. Entre los adsorbentes más comunes que se utilizan en este tipo de sistemas se encuentra la zeolita, la alúmina, el gel de silicio y el carbón activo.

Sistema de compresión de etapa única

Esta configuración consta de los mismos componentes de un sistema de refrigeración tradicional, junto con una bomba y un separador de líquido, como se muestra en el siguiente diagrama:

Al analizar este diagrama, se puede observar que el refrigerante líquido a alta presión circula desde el condensador hasta la válvula de expansión, que regula la presión y lleva el refrigerante líquido al separador de líquido. Desde allí, el refrigerante en estado líquido es bombeado al evaporador y, después, de vuelta al separador. Esto garantiza que el compresor no reciba nada de líquido. El refrigerante en forma de vapor a baja presión asciende y regresa al compresor antes de repetir el ciclo completo de nuevo.

Sistema de compresión de doble etapa

Esta es la siguiente evolución en sistemas de refrigeración industrial, apto para aplicaciones de refrigeración de baja temperatura, proporcionando una gran eficiencia y temperaturas de descarga del compresor reducidas. En este tipo de sistema, existen dos etapas de compresión, como su propio nombre indica.

También hay un depósito, denominado enfriador intermedio, entre el recipiente y la válvula de expansión.

Al analizar el siguiente diagrama, se puede observar que hay una batería dentro del depósito, a través de la cual pasa el flujo de refrigerante principal antes de entrar en la válvula de expansión principal. El refrigerante continúa su camino a través del separador, el evaporador, y de vuelta al separador.

Otro fluido refrigerante sale de la línea principal y es rociado en el depósito a través de una válvula de expansión para producir un efecto de enfriamiento: a medida que se rocía y se evapora en el depósito, enfría la batería sumergida, lo que subenfría el fluido refrigerante principal en el interior de la batería antes de que este llegue a la válvula de expansión principal. El vapor refrigerante extraído del separador circula hasta el compresor de la etapa inferior para incrementar su presión. Desde allí, circula hasta el interior del enfriador intermedio, que ayuda a que el refrigerante se condense. El refrigerante vapor es extraído del enfriador intermedio y circula hacia el compresor de la etapa superior, antes de entrar en el condensador y repetir el ciclo completo.

Sistema en cascada

En esta configuración existen dos grupos de compresores, uno en un circuito de alta temperatura y otro en un circuito de baja temperatura. Un intercambiador de calor entre los dos circuitos, denominado condensador en cascada, actúa como condensador para el circuito de alta temperatura y como evaporador para el de baja temperatura.

Los dos refrigerantes pueden ser iguales o diferentes para cada circuito. Una práctica común es utilizar R-717 para el lado de alta temperatura y R-744 para el de baja temperatura. Esto implica utilizar menos amoníaco, y el sistema es más eficiente en comparación con un sistema solo de amoníaco de doble etapa.

Sistema de amoníaco de baja carga²

Sistema optimizado

Este sistema consta de un sistema de refrigeración industrial tradicional, optimizado con componentes de baja carga, tales como evaporadores, controles, intercambiadores de calor, compresores y condensadores que han sido diseñados específicamente. Un sistema optimizado de baja carga diseñado correctamente utiliza menos de 2.7 kg. de amoníaco (de 0.06 kg/kW a 1.3 kg/kW3) y, por lo tanto, utiliza menos recipientes, acepta diámetros de tuberías inferiores y no utiliza bombas. Sin embargo, sigue necesitando un cuarto técnico.

Sistema compacto

El sistema compacto de amoníaco elimina las enormes cantidades de existencias de amoníaco y tuberías al mudarse a sistemas autónomos más pequeños, que se colocan frecuentemente en el exterior de la cubierta/suelo, evitando cualquier peligro derivado de las fugas. Estos sistemas autónomos tienen una carga de amoníaco de alrededor de 0.6 kg/kW, y combinan frecuentemente el compresor, el sistema de válvulas del evaporador y los sistemas de control en un sistema compacto portátil de fácil instalación.

Sistema en cascada

La idea principal es aislar la carga de amoníaco, que por lo general es de entre 0.5 y 0.8 kg/kW, en el cuarto técnico, y utilizar CO2 como refrigerante secundario que se puede bombear a las cámaras frigoríficas del edificio. El sistema puede requerir equipos adicionales para bombear el CO2, junto con compresores extra y otros componentes para el lado de CO2.

Referencias

¹. https://www.britannica.com/science/ammonia

². Shecco, World guide to low-charge ammonia (2019)

³. https://www star-ref co uk/smart-thinking/benefits-of-low-charge-ammonia-refrigeration-systems/