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miércoles, 20 de mayo de 2020

LO MALO Y LO BUENO DEL CO 2 para cuartos fríos

                                         


                         LO MALO Y LO BUENO DEL CO2

Uno de los refrigerantes que más mercado esta obteniendo es el CO2, y por ello es importante conocer profundamente sus características para hacer la mejor elección.

Anteriormente al CO2, se le llamaba anhídrido carbónico, pero algunos años, la unión internacional
de química pura y aplicada realizo cambios en la nomenclatura inorgánica estableciendo el uso del nombre Oxido para los anhídridos de ácidos inorgánicos como ácido carbónico, sulfúrico, nítrico, y por ello ahora se usan términos como dióxido de carbono en lugar de anhídrido de carbónico, trióxido de azufre en lugar de anhídrido sulfúrico, oxido de nitrógeno en lugar de anhídrido nítrico. 

LO MALO

El dióxido de carbono se considera un gas de efecto invernadero, que absorbe y emite radiación infrarroja. La radiación solar en frecuencias de la luz visible pasa en su mayor parte a través de la atmósfera para calentar la superficie de nuestro planeta, parte de esa energía, es absorbida por la superficie y parte es emitida en frecuencias menores de radiación térmica infrarroja hacia fuera del planeta. por miles de años ese equilibrio se mantuvo por lo que la temperatura promedio de la atmósfera se mantuvo inalterable y como sabemos con estaciones muy definidas a lo largo de cada año de acuerdo a la ubicación geográfica.

La radiación solar entrante en la atomosfera debe estar compensada por adiciona saliente, pues si la radiación entrante es mayor que la radiación saliente se produce un calentamiento global y si sucede lo contrario se produce un enfriamiento global. 

Sin embargo, las actividades que han llevado al desarrollo y progreso humano desde la revolución industrial, principalmente con la quema de combustibles fósiles, tala de arboles y quema de bosques están desequilibrando el intercambio de calor causando el denominado " efecto invernadero" o "calentamiento global ".

El "efecto invernadero" es un proceso mediante el cual la radiación térmica emitida por la superficie de la tierra es absorbida por los gases del efecto invernadero atmosféricos (ubicados a la altura de las nubes) y es re irradiada en todas las direcciones. Parte de esta radiación es devuelta hacia la superficie   y la atmósfera inferior, dando como resultado un incremento de la temperatura superficial media respecto a lo que habría en ausencia de dichos gases.

La mayoría de especialistas indican que el aumento en la concentración atmosférica de CO2, y por lo tanto en el efecto invernadero inducido por CO2, es la principal razón del aumento de la temperatura media global desde miados del siglo pasado.

El principal gas de efecto responsable del calentamiento es el CO2 pero también contribuyen el metano, el oxido nitroso, el ozono, y otros gases entre ellos los refrigerantes que usamos en equipos de refrigeración y de aire acondicionado. El CO2 es el mas preocupante, porque ejerce una mayor influencia en el calentamiento que todos los otros gases combinados, y porque tiene una larga vida. Se estima que la masa CO2 emitido a la atmósfera: alrededor de un 50% tardara 30 años en desaparecer, un 30% permanecerá cien o doscientos años y el 20% restante durara varios siglos. Por ello se están tomando medidas correctivas a través del tan comentado protocolo de kioto.

LO BUENO

El CO2  es tan habitual y frecuente en nuestra vida que con muchas de las cosas que consumimos y hacemos en nuestro dia a dia, no sabemos o no nos damos cuenta que funcionan o están hechas con este compuesto:

Se utiliza como agente extintor del fuego porque dificulta el contacto de las llamas con el oxigeno del aire.  En la industria alimentaria, se utiliza en bebidas carbonatadas: gaseosa, cerveza, champagne. También para conservar vegetales en atmósferas controladas y como "hielo seco" para conserva los helados.

En la medicina: agente de insuflacion en cirugías  laparoscopicas, agente de contraste en radiología de vasos sanguíneos, en láser de CO2, tratamiento de heridas craneales y ulceras, tratamientos estéticos, tratamientos de problemas circulatorios. Como hielo seco se utiliza para el transporte a larga distancia de especímenes biológicos, para la criopreservacion, para el almacenaje de plaquetas de sangre sin necesitar el uso de congeladores electromecánicos.

En agricultura: se puede utilizar como abono: las plantas no pueden absorberlo por las raíces pero se pueden añadir para bajar el PH, evitar los depósitos de cal y hacer mas disponibles los nutrientes del suelo. como agente de insensibilidad de cerdos o gallinas, los que antes de ser sacrificados son expuestos al CO2. no queda ningún tipo de residuo en la carne.

En el cine, televisión y espectáculos: se usa para crear niebla artificial y apariencia de agua hirviendo, en efectos especiales.

También en refrigeración se utiliza como "hielo seco" para conservación de algunos productos congelados y como fluido refrigerante en maquinas frigoríficas por compresión de vapor.  

UTILIZACIÓN EN REFRIGERACIÓN Y CUARTOS FRÍOS 

El daño a la capa de ozono y el calentamiento global han llevado a que el mundo de los refrigerantes usados en los equipos de refrigeración y de acondicionamiento de aire tomen un nuevo rumbo a través de los llamados "refrigerantes ecológicos". dentro de los esta el CO2 que presenta como una novedad y por ello muchas personas creen que se trata de un  nuevo refrigerante pero no es así.

Hacia el año 1750 el CO2, es identificado como una sustancia distinta del aire porque el escocés Joseph Black observo que el carbonato de calcio presente en la piedra caliza, al calentarse, producía un gas llamado "aire fijo". Ese aire fijo ó anhídrido carbónico era mas denso que el aire y que no servia para lograr mantener el fuego. Posteriormente se encontró que el  anhídrido carbónico, ahora dióxido de carbono se produce durante la respiración animal y en la fermentación.

Hacia el año 1772, el químico ingles Joseph Pretiriese publico un documento en el que describe un proceso de goteo de ácido sulfúrico sobre la tiza para producir dióxido de carbono, ese gas lo hizo pasar por agua contenida en un recipiente y agitando el recipiente para exista mas contacto entre agua y gas, obtuvo agua con minúsculas partículas de gas distribuidas en su seno. Sin darse cuenta habían inventado el agua carbonatada.

La aplicación del bióxido de carbono en sistemas de refrigeración data desde hace muchos años:


  • El CO2 fue licuado (a presiones elevadas) en 1823 por Humphry Davy y Michael Faraday.
  • En 1834 Charles Thilorier describe lo que es de dióxido de carbono solido luego de destapar un recipiente a presión que contenia CO" liquido. 
  • En 1850, Alexander Twining fue la primera persona que propone al CO2 como refrigerante y lo menciona en una patente británica de ese año. 
  • En 1867, Thaddeus S.CA Lowe experimento con el CO2 en globos con uso militar, también diseño una maquina de hielo usando CO2, y hacia 1878 construyo una maquina para transportar carne congelada en barcos. 
  • Paso el tiempo y los sistemas de refrigeración con CO2 tuvieron cierto arraigo entre los años 1925 y 1933 porque era la opción preferida para el uso en los barcos en lugar del NH3 o amoniaco.
  • Entre 1929 y 1935 aparecen los refrigerantes clorofluorocarbonados (CFC) y la aplicación del CO2 como refrigerante disminuyo bruscamente, porque esos nuevos fluidos refrigerantes tenían buena capacidad de refrigeración, no eran tóxicos ni inflamables y principalmente tenia muy bajas presiones de trabajo para cualquier rango de temperatura. 
DIAGRAMA DE FASES 

Es importante conocer el comportamiento del CO2 y por ello resulta interesante compararlo con un fluido con el cual estamos muy familiarizados: el agua 

Condiciones del punto triple del  agua: 

Presión= 611.73   Pa = 0.00611 Bar = 0.089 psia
Temperatura = 273.16 °k= 0.0098°C (se considera 0.01.°C)

Condiciones del punto crítico del agua:

Presión = 22.1 MPa =221 bar = 3.205.3 psia 
Temperatura = 674.4 °k= 374.2°C

Se observa que a presión atmosférica podemos pasar de solido a liquido y luego a vapor conforme a aumenta la temperatura, porque su punto triple esta por debajo.

Se observa también que su punto critico está a muy alta presión y temperatura, siendo difíciles de alcanzar a condiciones normales de uso. 

El gráfico también muestra que la curva de saturación que separa las fases sólido-líquido tiene ligera pendiente hacia la izquierda. 

Es comportamiento exclusivo del agua porque cualquier otra sustancia que exista la naturaleza tendrá pendiente hacia la derecha como veremos para el CO2. Gracias a esa propiedad es que solo se puede "patinar" sobre el hielo hídrico".

Condiciones del punto critico del co2: 

Presión = 518  KPa = 5.18 bar = 75.13 psia    
Temperatura = 216.55 °K = - 56.56°C (se considera -56.6°C)

Condiciones del punto critico del co2: 

Presión = 7.382 MPa = 73.82 bar = 1.070 psia 
Temperatura = 304.1°K = 31°C

Se observa que a presión atmosférica podemos pasar directamente de solido a vapor (proceso de sublimación) conforme aumenta la temperatura, porque su punto triple está por encima. Nos indica también que debe tenerse cuidado al manipularlo en los equipos porque fácilmente pasa de liquido a solido (hielo seco) en aplicaciones de baja temperatura. 

Su punto critico esta a alta presión pero su temperatura está muy cercana a la temperatura ambiente, siendo fácil de alcanzar  a condicione normales de uso.

Debido a esa prioridad que se puede trabajar en los equipos frigoríficos cumpliendo un ciclo termodinámico con el proceso de condensación debajo del punto critico (condición subcrítica) así como con el proceso de condensación sobre el punto critico ( condición supercritica o transcritica) que como explicación gráfica se puede mostrar así:

Para países con temperatura ambiente tales altas y relativamente altas, que aproximadamente están comprendidos entre los paralelos 40° latitud norte y 35° latitud sur conviene trabajar por ciclos  subcríticos  para no sobrepasar los 31°C de la temperatura de condensación del CO2 o refrigerante R-744 según nomenclatura de la ASHRAE.  

Úntese que el condensador  en un ciclo transcritico realmente es un enfriador  de refrigerante y que la condensación propiamente y que la condensación propiamente dicha se realiza en el dispositivo de expansión.

Como referencia mostramos esquemáticamente el uso del CO2 o R-744 como refrigerante secundario "enfriado" por otro refregente para poder ser bombeado como liquido es una aplicación donde el evaporador se convierte en un enfriador.  ello solo se usa en aplicaciones de media /alta temperatura.

También, como referencia mostramos esquemáticamente el uso del CO2 o R-744 como refrigerante secundario " en cascada" con otro refrigerante para cumplir un ciclo termodinámico subcritico.

En este caso el evaporador de R-744 se usa para aplicaciones de media/baja temperatura.

Cuando se usan compresores en paralelo o "racks" de compresores que permiten variar la capacidad del sistema o uno de los compresores es "inverter" o "digital" es mejor utilizar válvulas de expansión electrónicas en lugar de válvulas de expansión termostaticas porque modulan el flujo de refrigerante y se acomodan a las variaciones de carga térmica lográndose  gran ahorro de energía en su conjunto.

Los supermercados están aprovechando muy bien estos sistemas de refrigeración pudiendo combinar ambos sistemas explicados. 

El CO2 es tan habitual y frecuente en nuestra vida que muchas de las cosas que consumimos y hacemos en nuestro día a día están hechas con este compuesto.

Nótese que el condensador en un ciclo debido a esa propiedad es que xse 

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