28th Annual Meeting International Institute of Ammonia...

Technical Papers28th Annual Meeting

International Institute of Ammonia Refrigeration

March 19–22, 2006

2006 Ammonia Refrigeration Conference & ExhibitionReno Hilton Resort and Casino

Reno, Nevada

ACKNOWLEDGEMENT

The success of the 28th Annual Meeting of the International Institute of AmmoniaRefrigeration is due to the quality of the technical papers in this volume and thelabor of its authors. IIAR expresses its deep appreciation to the authors, reviewers,and editors for their contributions to the ammonia refrigeration industry.

Board of Directors, International Institute of Ammonia Refrigeration

ABOUT THIS VOLUME

IIAR Technical Papers are subjected to rigorous technical peer review.

The views expressed in the papers in this volume are those of the authors, not theInternational Institute of Ammonia Refrigeration. They are not official positions ofthe Institute and are not officially endorsed.

EDITORSM. Kent Anderson, President

Chris Combs, Project CoordinatorGene Troy, P.E., Technical Director

International Institute of Ammonia Refrigeration1110 North Glebe Road

Suite 250Arlington, VA 22201

+ 1-703-312-4200 (voice)+ 1-703-312-0065 (fax)

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2006 Ammonia Refrigeration Conference & ExhibitionReno Hilton Resort and Casino

Reno, Nevada

© IIAR 2006 389

Resumen

Los sistemas en cascada amoníaco-CO2 presentan una buena alternativa tanto en la parte técnicacomo en la parte económica para las aplicaciones de bajas temperaturas en los sistemas de dosetapas de compresión. El presente trabajo tiene como objetivo realizar un análisis termodinámico enun sistema en cascada utilizando el refrigerante CO2 como la primera etapa y el amoníaco como elrefrigerante de la segunda etapa para una aplicación de un sistema de congelación rápida,comparándolo con un sistema tradicional de dos etapas de compresión utilizando amoníaco comorefrigerante. La finalidad es presentar una alternativa confiable para el diseño de sistemas decongelación rápida y la difusión de este tipo de sistemas en cascada para una mejora en la seleccióndel sistema a utilizar en la industria alimenticia.

2006 IIAR Ammonia Refrigeration Conference & Exhibition, Reno, Nevada

Trabajo técnico #1

Los sistemas en cascada amoníaco-CO2, desde un análisis termodinámico y sus

aplicaciones en la refrigeración industrial

Juan Manuel Quintanar QuintanarA. Blasquez E. Refrigeración Industrial, S.A. de C.V.

México D.F.

Trabajo técnico #1 © IIAR 2006 391

Cuadro Metodológico

Los sistemas en cascada amoníaco-CO2, desde un análisis termodinámico y sus aplicaciones en la refrigeración industrial – Juan Manuel Quintanar Quintanar

392 © IIAR 2006 Trabajo técnico #1

Introducción

El uso del dióxido de carbono (CO2, R744) en sistemas de refrigeración no es nuevo,

en 1850 Alexander Twinnig propuso y patentó el uso del CO2 como refrigerante en

Inglaterra. El CO2 está en los grupos de los refrigerantes “naturales” como el

amoníaco, hidrocarburos (propano y butano) y el agua. Todos estos refrigerantes

tienen desventajas; la toxicidad del amoníaco, la flamabilidad de los hidrocarburos

y el rango de uso del agua solo hasta 32°F (0°C) que limita su aplicación.

En la refrigeración industrial a nivel mundial una de las aplicaciones más

importantes en la industria alimentaría es la congelación y un factor importante

son los tiempos de congelación a los que son sometidos los productos, por lo que

un método de generación de frió más utilizado es la compresión mecánica la cual

utiliza principalmente amoníaco como refrigerante debido a sus propiedades

termodinámicas. Sin embargo, existe una alternativa que ha sido estudiada desde

algún tiempo atrás; es el uso de otro refrigerante que por generar una ventaja en

su uso a bajas temperaturas es factible, este es el CO2.

Propiedades de CO2

Dióxido de carbono (CO2) como un refrigerante (R-744)

Las reglas del Protocolo de Montreal han ido adelante para reducir

clorofluorocarbonados (CFC’s) como refrigerantes en países industrializados, debido

al daño en la capa de ozono por dichos gases. Además, hydroclorofluorocarbonados

(HCFCs) son solamente una solución interina en países industrializados hasta el año

2020 y ciertas reglas nacionales internas en dichos países prescriben una fecha de

retirada progresiva más temprana (por ejemplo, al final del año 1999 para R22 en

Alemania).



Otra desventaja ambiental respecto a estos refrigerantes es su comportamiento como

el efecto invernadero, gases en la atmósfera y éste también solicita sustitutos de CFC

y HCFC, los hidrofluorocarbonados recién creados (HFCs). Para esta razón, estos

nuevos refrigerantes son puestos en una canasta con cinco otros gases cubiertos por

el protocolo de Kioto sobre el efecto invernadero.

Esta situación ha llevado al uso de aumento de los refrigerantes “viejos” amoníaco e

hidrocarburos. Aunque ambos son con respecto al medio ambiente benigno, pueden

presentar un cierto grado de peligro local debido a su inflamabilidad y/o toxicidad.

Por lo tanto, dióxido de carbono (CO2), un refrigerante “viejo” usado en la

refrigeración industrial y marítima, fue propuesto para ser usado como un

refrigerante alternativo, principalmente debido a su no flamabilidad.

Como muestra la tabla 1, CFCs y HCFCs, amoníaco, los hidrocarburos y CO2 tienen

un potencial (ODP) de reducción de ozono del cero y un potencial de calentamiento

del planeta insignificante (GWP). En cuanto a HFCs, su ODP es cero y su GWP se

extiende unos cientos. El NH3 es inflamable a concentraciones elevadas.

Con respecto de los refrigerantes “viejos”, solamente CO2 puede competir con los

HFC’s ininflamables. Si CO2 ejerce un impacto en conjunto muy importante sobre el

calentamiento del planeta (de la orden de 63% del efecto combinado de todos gases

que tienen el efecto invernadero) son debidos a las grandes cantidades emitidas por

muchas aplicaciones industriales. Sin embargo, contrario a HFCs, su GWP es

insignificante cuando al CO2 lo aplican como un refrigerante.

Como muestra la figura 1 las fases de dióxido de carbono (R-744) y la tabla 2,

vemos las condiciones para el punto crítico y el triple punto donde encontramos las

tres fases del refrigerante, condición crítica y limitante para el dimensionamiento de

las condiciones de operación del sistema.



El CO2 es comúnmente usado en sistemas híbridos o en sistemas en cascada en la

refrigeración industrial, por que sus presiones pueden ser una limitante para la

disponibilidad de los componentes del sistema.

En la figura 2, observamos el diagrama de presión - entalpía para el CO2 donde

podemos encontrar las presiones y condiciones críticas del refrigerante así como el

amplio rango de operación para un sistema de refrigeración.

Los sistemas en cascada pueden ser diseñados para diferentes aplicaciones,

expansión directa, sistemas recirculados o como sistemas secundarios.

Una de las características que distinguen a estas aplicaciones es la utilización del

sistema de producción de frío por compresión mecánica, a través del uso extensivo

de amoníaco como refrigerante en la etapa alta y al CO2 como primera etapa de

refrigeración.

La relación entre instalaciones industriales que utilizan amoníaco u otros tipos de

refrigerantes, se inclina de manera muy considerable a las primeras. Las plantas de

producción de frío que utilizan el amoníaco son por lo general de gran tamaño,

funcionan a bajas temperaturas y exigen ser sistemas flexibles en relación a

modificaciones y ampliaciones futuras, sin embargo, la aplicación de sistemas en

cascada es una alternativa que puede ser usada en aplicaciones comunes en

instalaciones industriales.

Aplicaciones en donde la parte de seguridad, costos de operación, aplicación,

ubicación, etc. nos presenta un panorama en donde refrigerantes secundarios como

el agua y las salmueras son empleadas por la industria para satisfacer las

necesidades de frío. Controlando los sistemas con un refrigerante como el amoníaco

(NH3) en un lugar seguro como el cuarto de máquinas y mandando los refrigerantes

secundarios a las cámaras y áreas de proceso donde se encuentran el mayor número

de personas. Sin embargo, para las aplicaciones a bajas temperaturas la utilización



de este tipo de sistema no es tan viable por los altos costos de operación que éstas

representan.

El presente trabajo pretende realizar un análisis termodinámico de dos métodos

de producción de frió, en dos etapas de compresión, uno utilizando amoníaco en

las dos etapas y otro utilizando en la primera etapa un sistema de R-744 y en la

segunda etapa un sistema con amoníaco (R-717) realizando comparaciones

utilizando los diagramas de presión entalpía de las aplicaciones y soluciones

técnicas y económicas que sirvan como soporte para el diseño de futuros sistemas,

a manera de herramienta de análisis de proyectos, llegando a conclusiones que den

un mejoramiento en este tipo de aplicaciones.

La aplicación que tomaremos como parámetro para el presente análisis es una

aplicación de congelación con un túnel espiral, que demanda una capacidad de 90

T.R. a –40°F en la succión, con un sistema recirculado con un rango de recirculación

de 4:1 por bombas, en un sistema en dos etapas de compresión.

Sistema en cascada CO2 - amoníaco

Primero determinaremos las condiciones de operación del sistema, considerando una

aplicación de baja temperatura, con un túnel de congelación con una temperatura de

succión de –40°F y una temperatura de condensación de 90°F, con una presión de

condensación para el CO2 de +5°F, ya que depende de la presión superior a 330 psi.

Es muy importante considerar para determinar dicha presión el momento de paro

del sistema y la presión que se requiere para deshielar el evaporador. Esto debido

a que cuando el sistema es detenido, la presión empieza a incrementar por el

intercambio de temperatura con el aire ambiente. Por lo que se determina que la

presión media no debe generar un problema cuando el sistema es detenido. Cuando

utilizamos CO2 se pueden emplear varios métodos de deshielo al igual que con un



sistema convencional como un externo como son paro de ciclo, natural, eléctrico,

agua o con un sistema interno como el gas caliente que presenta una mayor

eficiencia especialmente a bajas temperaturas. Por lo que debemos tener cuidado

con la presión de operación del deshielo que aproximadamente a la presión de

saturación 45 bar está en 10°C. Por lo que las válvulas de seguridad deberán

incrementar un 10 % su rango para poder trabajar en 53 bar aproximadamente.

Condiciones de operación

• Aplicación: Planta de alimentos congelados

Frigoscandia FMC - spiral freezer

Procesamiento de carne

• Sistema: Cascada CO2 / R717

• Temperaturas CO2 : –40ºF / +5ºF

• Temperaturas R717: +2ºF / +90ºF

• Capacidad a –40 F: 90 T.R.

• Tipo de sistemas: Para CO2 recirculado 4:1

Para NH3 inundado

Diagrama de flujo

En la figura 3 vemos el diagrama de flujo prototipo para un sistema en cascada NH3

– CO2 con una aplicación de baja temperatura.

Componentes

Sistema de CO2 primera etapa:

• Túnel de congelación (TC).- Tipo espiral para 8000 lbs de carne procesada, con

un requerimiento en refrigeración de 90 T.R. a una temperatura de succión en el

evaporador de –40°F y un sistema recirculado por bombas con una tasa de

recirculación de 4:1 operando con dióxido de carbono (R-744) como refrigerante.



• Recirculador por bombas (RC).- Un recirculador por bombas horizontal con dos

bombas, una en operación y otra en stand by, con un control de nivel electrónico

compuesto con una sonda inmersa en una columna y un control que gobernara

las bombas y la línea de alimentación de líquido al recipiente.

• Compresor (CT).- Compresor tipo tornillo para operar con R-744 como

refrigerante, con un enfriamiento de aceite tipo termosifón, motor de

acoplamiento directo y de alta eficiencia y control de los parámetros de

operación en forma automática por medio de un microprocesador.

• Condensador (CD).- Condensador de placas tipo cerrado de placas de acero

inoxidable soldadas por láser para operar con gas refrigerante R-744 (CO2) y

R-717 (amoníaco líquido), para condensar en un paso, con estampado A.S.M.E.

• Válvulas y controles.- Válvulas de paso, solenoides, de expansión y accesorios

como manómetros mirillas y válvulas de seguridad para trabajar con CO2 y unas

presiones de operación de 350 psi.

Sistema de NH3 segunda etapa:

• Evaporador (ENF).- Enfriador de placas tipo cerrado de placas de acero

inoxidable soldadas por láser para operar con gas refrigerante R-717 (amoníaco

líquido), con estampado A.S.M.E.

• Recipiente acumulador de succión (ACS).- Un recipiente acumulador de succión

para la separación de fases líquida vapor y la succión del compresor de tornillo.

• Compresor (CT).- Compresor tipo tornillo para operar con R-717 como

refrigerante, con un enfriamiento de aceite tipo termosifón, motor de

acoplamiento directo y de alta eficiencia y control de los parámetros de

operación en forma automática por medio de un microprocesador.

• Condensador (CD).- Condensador evaporativo para operar con gas refrigerante

R-717, trabajando a una temperatura de condensación de 90°F y 70°F de

temperatura de bulbo húmedo.

• Recipiente de alta presión (RAP).- Recipiente de alta presión recibidor de líquido

con la capacidad de almacenar refrigerante para suministrar refrigerante

amoníaco para el enfriamiento de aceite de los compresores tornillo enfriamiento.




como manómetros mirillas y válvulas de seguridad para trabajar con CO2 y unas

presiones de operación de 500 psi.

Diagramas de Mollier para el NH3

La figura 4 muestra el diagrama de presión – entalpía para el refrigerante amoníaco

en un sistema de cascada amoníaco (NH3) – dióxido de carbono (CO2) con los

valores en la tabla 3.

Diagramas de Mollier para el CO2

La figura 5 muestra el diagrama de presión – entalpía para el refrigerante CO2 en un

sistema de cascada amoníaco (NH3) – dióxido de carbono (CO2) con los valores en

la tabla 4.

Sistema en doble etapa de compresión con amoníaco

Se determinarán las condiciones de operación del sistema, considerando una

aplicación de baja temperatura, con un túnel de congelación a una temperatura de

succión de –40ºF y una temperatura de condensación de 90ºF, con una presión

intermedia de 15ºF utilizando como refrigerante amoníaco (R-717) en un sistema de

doble etapa de compresión.

Donde es muy importante considerar para determinar la presión intermedia se puede

realizar por un cálculo matemático:

(Po/Pd)



También es importante considerar si existen aplicaciones de media temperatura, para

poder adicionar las cargas térmicas generadas por estas a este nivel de presión.

Condiciones de operación

• Aplicación: Planta de alimentos congelados

Frigoscandia FMC - spiral freezer

Procesamiento de carne

• Sistema: R717

• Temperaturas R717 : –40ºF / +15ºF/+90ºF

• Capacidad a –40ºF: 90 T.R.

Diagrama de flujo

En la figura 6 vemos el diagrama de flujo prototipo para un sistema en doble etapa

de compresión con amoníaco con una aplicación de baja temperatura.

Componentes

Sistema de NH3 primera etapa:

• Túnel de congelación(TC).- Tipo espiral para 8000 lbs de carne procesada, con

un requerimiento en refrigeración de 90 T.R. a una temperatura de succión en

el evaporador de –40ºF y un sistema recirculado por bombas con una tasa de

recirculación de 4:1 operando con amoníaco (R-717) como refrigerante.

• Recirculador por bombas (RC).- Un recirculador por bombas horizontal con dos

bombas una en operación y otra en stand by, con un control de nivel electrónico

compuesto con una sonda inmersa en una columna y un control que gobernara

las bombas y la línea de alimentación de líquido al recipiente.

• Compresor primera etapa (TC).- Compresor tipo tornillo (booster) para operar

con amoníaco (R-717) como refrigerante, con un enfriamiento de aceite tipo

termosifón, motor de acoplamiento directo y de alta eficiencia y control de los

parámetros de operación en forma automática por medio de un microprocesador.



• Recipiente intercooler (ACI).- Recipiente sujeto a presión para recibir la descarga

del booster y retirar el recalentamiento del gas y separador de partículas para la

succión del compresor de segunda etapa.

• Compresor segunda etapa(CT).- Compresor tipo tornillo (segunda etapa) para

operar con amoníaco (R-717) como refrigerante, con un enfriamiento de aceite

tipo termosifón, motor de acoplamiento directo y de alta eficiencia y control de

los parámetros de operación en forma automática por medio de un

microprocesador.

• Condesador (CD).- Condensador evaporativo para operar con refrigerante

amoníaco R-717, para operar en condiciones de 90ºF de temperatura de

condensación y 70ºF en temperatura de bulbo húmedo.

• Recipiente de alta presión (RAP).- Recipiente de alta presión recibidor de líquido

con la capacidad de almacenar refrigerante para suministrar refrigerante

amoníaco para el enfriamiento de aceite de los compresores tornillo.


como manómetros mirillas y válvulas de seguridad para trabajar con amoníaco

R-717.

Diagramas de Mollier

La figura 7 muestra el diagrama de presión – entalpía para el refrigerante NH3 en un

sistema de doble etapa con amoníaco (NH3) con los valores en la tabla 5.

Análisis de resultados

Sistema de doble etapa y sistema en cascada NH3-CO2

De acuerdo con el dimensionamiento de los sistemas y obtener resultado del

diagrama presión-entalpía (P-h), para el sistema de cascada NH3- CO2, figura 4 para

el ciclo de CO2 y figura 5 para el ciclo de amoníaco y la figura 7 para un sistema en



doble etapa con amoníaco, se obtuvieron los datos que se muestra como análisis de

resultados (ver tablas 6 y 7).

De los cuales podemos considerar, que los dos sistemas con las mismas condiciones

de capacidad de 90 T.R. y una temperatura de succión de –40ºF, un sistema

recirculado para el lado de baja temperatura tanto en CO2 como en amoníaco,

podemos determinar que la potencia frigorífica del amoníaco es mayor que si se

utiliza CO2, por lo que esto repercute en el gasto másico de refrigerante a utilizar,

siendo mayor en el caso del CO2, afectando directamente al trabajo de compresión

debido a un requerimiento mayor en el sistema con CO2, por lo que la potencia

aplicada al compresor en este caso también es mayor. Sin embargo, el volumen del

refrigerante que tienen los dos refrigerantes en esas condiciones de –40ºF, favorece

al CO2 dando un menor volumen, por lo que favorece en el tamaño de recipientes,

equipo, tubería y accesorios del sistema.

Conclusiones

De acuerdo con la aplicación de baja temperatura y realizando el estudio de dos

alternativas de sistemas de refrigeración mecánica, podemos concluir:

• Que para aplicaciones de bajas temperaturas –40ºF o menores el sistema

en cascada amoníaco (R-717) – dióxido de carbono (R-744) es una buena

alternativa, pero no sustituto del amoníaco. Debido a las buenas propiedades de

CO2 en esas condiciones, sistemas combinados con estos refrigerantes presentan

una alternativa confiable.

• El CO2 como refrigerante debe tener consideraciones de operación como son

las presiones de trabajo, tiempo de operación, seguridad, diseñó, instalación y

operación del sistema para determinar los puntos críticos del sistema y evitar

problemas futuros.



• En la actualidad nacional se cuenta con pocos elementos disponibles para el uso

con CO2 en la refrigeración industrial, así como literatura para la aplicación y uso

de este refrigerante en sistemas de producción de frió. La disponibilidad de

componentes para trabajar en altas presiones en sistemas de refrigeración es un

limitante para el uso de esta alternativa. Sin embargo a nivel mundial existen

diferentes fabricantes que tienen el interés de suministrar componentes, válvulas,

accesorios, así como equipo para el uso de este refrigerante.

• La solución que presenta el sistema en cascada NH3/CO2 ayuda a las plantas

procesadoras de alimentos a tener equipos más pequeños, de altas capacidades

y bajas temperaturas, reduciendo costos de inversión y teniendo condiciones de

congelamiento buenas tanto en tiempos como en calidades de producto.

• En respecto a seguridad los sistemas en cascada generan una disminución de

refrigerante amoníaco y controlan el uso de éste en el cuarto de máquinas.

Con lo que respecta al CO2, éste presenta menor toxicidad que el amoníaco;

controlando las condiciones de operación y evitando un incremento de presión,

el sistema es seguro.



Bibliografía

1993 ASHRAE Handbook Fundamentals, American Society of Heating Refrigerating

and Air-Conditioning Engineers Inc. Tullie Circle, N.E. Atlanta. 1993 E.U.A.

Refrigeración Industrial. W.F. Stoecker y H. Pérez Blanco, Business News Publishing

Company. Troy Michigan, U.S.A. 1992.

El amoníaco como refrigerante Instituto Internacional del Frió. Versión española. H.

Lamia. Franasco J. Cuesta. AMV Ediciones 2000.

Ammonia/Cabon Dioxide Hybrid Systems: Adventages and Disadvantages. Will

Stoecker. University of Illinois at Urbana-Champaign. International Institute of

Ammonia Refrigeration (IIAR) Annual Meeting Nashville, Tennessee, 2000.

The use of Ammonia/Cabon Dioxide cascade systems for low temperature food

Refrigeration. Andrew B. Pearson. Star Refrigeration, International Institute of

Ammonia Refrigeration (IIAR) Annual Meeting Nashville, Tennessee, 2000.

Introducing a New Ammonia/CO2 Cascade Concept for Large Fishing Vessels. P.S.

Nielsen & T. Lund IIAR - Albuquerque, New Mexico 2003.

CO2 as Refrigerant. Presentación Power Point. 2004. Anónimo.



Figura 1: Fases del CO2

Figura 2: Diagrama P-h para el CO2 (R-744)



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Figura 4: Diagrama P-h para NH3 en sistema de cascada

Figura 5: Diagrama P-h para CO2 en sistema en cascada



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Figura 7: Diagrama P-h para NH3 en un sistema de doble etapa



Tabla 1: Propiedades de los Refrigerantes

Tabla 2: Propiedades del dióxido de carbono y amoníaco



Tabla 3: Valores termodinámicos del diagrama P-h

Tabla 4: Valores termodinámicos del diagrama P-h para el CO2

Tabla 5: Valores termodinámicos del diagrama P-h para el NH3



Tabla 6: Datos del diagrama P-h

Tabla 7: Datos de selección de equipo



Notas:


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