Trabajo Fin de Grado

Grado en Ingeniera de Tecnologas Industriales

El CO2 en un sistema de refrigeracin de doble etapa de

compresin como alternativa en refrigeracin comercial

MEMORIA

Autor: Sara Gmez Gonzlez

Director: Julio Minguilln Valbuena

Ponente: Rafael Ruiz Mansilla

Convocatoria: Mayo 2016

Escola Tcnica Superior

dEnginyeria Industrial de Barcelona

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Resumen

A lo largo de este proyecto se expone el estudio de un sistema de refrigeracin de doble etapa

de compresin con CO2 como refrigerante, comparndolo con un sistema de referencia que

consiste en el sistema bsico de expansin directa que usa R404A como refrigerante, y que

es uno de los sistemas con mayor implantacin en Espaa hoy en da para refrigeracin

comercial de conservacin de alimentos.

El objetivo de este proyecto se origina en las necesidades medioambientales actuales, que

exigen la progresiva desaparicin de algunos refrigerantes, y consiste en determinar si el

sistema de doble etapa de compresin con CO2 es una buena alternativa a sistemas con

refrigerantes HFC, cuyo uso es muy perjudicial para el entorno.

Este proyecto se desarrolla desde la empresa Carrier Refrigeracin Ibrica, S.A. y

primeramente ilustra de forma terica porqu el CO2 est siendo considerado actualmente

como una alternativa en refrigeracin comercial. Seguidamente, para llegar a alguna

conclusin, se realiza el diseo y el dimensionamiento de dos sistemas de refrigeracin para

una misma instalacin de fro comercial: un hipermercado. Se disea el sistema de tuberas

con ayuda del software propio de Carrier Refrigeracin Ibrica S.A. y se realiza el

dimensionamiento de los componentes de la instalacin a partir de clculos termodinmicos.

De este modo, se puede realizar una comparativa sobre los tres aspectos principales de cada

alternativa: economa, eficiencia e impacto medioambiental, que de un modo u otro van

ligadas entre s.

En lo referente al estudio de la eficiencia, se realiza un anlisis para llegar a la conclusin de

que el consumo energtico de la instalacin que usa CO2 es considerablemente ms bajo

para climas invernales, pero no para altas temperaturas medioambientales.

Para la comparativa econmica, se hace una estimacin del coste de la inversin inicial, de

gastos energtico y de mantenimiento, concluyendo que, pese a que la inversin inicial resulta

ser muy ajustada, los gastos anuales de energa y mantenimiento son ligeramente ms bajos

para el sistema de doble etapa de compresin con CO2, en especial para los costes de

mantenimiento.

Por ltimo, no hay que perder de vista que esta bsqueda de nuevas alternativas se realiza

por la cuestin medioambiental. Para ello, se concluye que efectivamente el impacto de un

sistema de doble etapa de compresin con CO2 es mucho menor que el del sistema de

referencia estudiado, puesto que su influencia en el calentamiento global solo se origina en el

consumo energtico mientras que con el sistema de referencia se le aade el agravante por

fugas.

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Sumario

RESUMEN ___________________________________________________ 1

SUMARIO ____________________________________________________ 3

1. INTRODUCCIN __________________________________________ 5

2. LOS REFRIGERANTES _____________________________________ 7

2.1. Marco histrico y actualidad ........................................................................... 7

2.2. Caractersticas y criterios de seleccin .......................................................... 8

2.3. El CO2 como refrigerante ............................................................................. 10

3. EL SISTEMA DE REFERENCIA _____________________________ 13

4. EL SISTEMA DE R744 _____________________________________ 14

4.1. El sistema transcrtico .................................................................................. 14

4.2. El sistema de doble etapa de compresin ................................................... 15

5. LA INSTALACIN: SISTEMA DE TUBERAS __________________ 18

5.1. Necesidades frigorficas ............................................................................... 18

5.2. Numeracin del sistema de tuberas ............................................................ 21

5.3. Seleccin de material ................................................................................... 22

5.4. Condiciones del sistema .............................................................................. 24

5.5. Engineering Tools: resultados ...................................................................... 25

6. LA INSTALACIN: SELECCIN DE COMPONENTES ___________ 28

6.1. Muebles frigorficos ...................................................................................... 28

6.2. Evaporadores ............................................................................................... 28

6.3. Sala de mquinas del sistema de referencia ............................................... 31

Centrales compresoras R404A ....................................................................... 31

Condensadores R404A ................................................................................... 35

6.4. Sala de mquinas del sistema de doble etapa de compresin .................... 36

Central compresora de R744 .......................................................................... 36

Gascooler........................................................................................................ 40

Desrecalentador .............................................................................................. 41

Subenfriador ................................................................................................... 41

7. LA INSTALACIN: CARGA DE REFRIGERANTE _______________ 42

7.1. Refrigerante en el sistema de tuberas......................................................... 42

7.2. El refrigerante en los intercambiadores ........................................................ 45

7.3. Carga de refrigerante total ............................................................................ 47

Pg. 4 Memoria

8. EFICIENCIA DE LA INSTALACIN ___________________________ 49

8.1. Consumo de la instalacin de R404A .......................................................... 53

8.2. Consumo de la instalacin de R744 ............................................................ 58

8.3. Comparativa de la eficiencia ........................................................................ 63

9. COMPARATIVA ECONMICA: INVERSIN INICIAL ____________ 66

9.1. Coste sistema tuberas ................................................................................ 67

Coste total sistema tuberas R404A ................................................................. 67

Coste total sistema tuberas R744 ................................................................... 69

Comparativa .................................................................................................... 71

9.2. Sala de ventas: mobiliario, material y mano de obra ................................... 72

9.3. Cmaras: evaporadores, material y mano de obra ..................................... 75

9.4. Sala de mquinas: equipo, material y mano de obra................................... 78

Instalacin de R404A ....................................................................................... 78

Instalacin de R744 ......................................................................................... 78

Comparativa .................................................................................................... 79

9.5. Costes de refrigerante y recipiente .............................................................. 80

9.6. Comparativa del coste de la inversin inicial ............................................... 82

10. COMPARATIVA ECONMICA: MANTENIMIENTO Y COSTE

ENERGTICO ____________________________________________ 84

11. IMPACTO MEDIOAMBIENTAL ______________________________ 90

CONCLUSIONES _____________________________________________ 92

AGRADECIMIENTOS __________________________________________ 94

BIBLIOGRAFA_______________________________________________ 95

Referencias bibliogrficas ..................................................................................... 95

Bibliografia complementaria .................................................................................. 95

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1. Introduccin

A lo largo de los ltimos aos, la industria de la refrigeracin ha sufrido varios cambios

motivados principalmente por la concienciacin medioambiental. El marco europeo respecto

a los gases refrigerantes ms usados hoy en da, los HFCs, es cada vez ms restrictivo, lo

que obliga al estudio y anlisis de diversas alternativas. Entre las distintas opciones se estn

considerando ampliamente los refrigerantes naturales, como lo es el CO2. La liberacin de

CO2 a la atmsfera desde un sistema de refrigeracin tiene un efecto despreciable en

comparacin con otras fuentes de este gas que contribuyen al calentamiento global. Sin

embargo, no solo sus buenas propiedades a nivel medioambiental convierten a este gas en

un candidato a refrigerante: a lo largo este proyecto se ilustrar porqu el