Modelación de sistemas de refrigeración basados en R744 (CO2) para supermercados en Chile.

Abstract

La presente investigación se basa en la necesidad de Chile de incluir soluciones rentables y amigables ambientalmente ante los refrigerantes empleados (R404A) en sistemas de refrigeración para supermercados. Como solución, se presentan los sistemas transcríticos con R744 que presentan bajos desempeños a temperaturas ambientes por encima de 15°C. Dada la variabilidad climática de Chile, una adecuada evaluación es necesaria. Este estudio tiene como objetivo evaluar varios sistemas transcríticos para sustituir los sistemas convencionales de expansión directa (DXS-R404A) en 18 ciudades representativas de cada región de Chile, a través de un análisis multidimensional (energético, ambiental y económico), basado en la modelación robusta de sistemas. El estudio considera un supermercado mediano con 2,500 m2 de área de ventas con una demanda de refrigeración de 140 kW y 40 kW en los evaporadores de media (MT) y baja temperatura (LT), respectivamente. Tomando como referencia el sistema convencional con R404A (DXS), se proponen los siguientes sistemas transcríticos: Booster (BB); Booster en Paralelo (BP); BP con evaporadores MT sobrealimentados (Ov) (BP+MT-Ov); BP con Multi-eyectores (BP+ME+MT-Ov); y BP con Multi-eyectores y ambos evaporadores MT y LT sobrealimentados (BP+ME+MT-Ov+LT Ov). Cada sistema es evaluado mediante la integración de los modelos de cada equipo, donde los equipos críticos son evaluados con modelos semi-empíricos y los no críticos mediante modelos termodinámicos. Como aporte científico, se modificaron y crearon modelos semi-empíricos basado en principios físicos para los compresores a pistón y scroll, gas cooler/condensador, y multi eyectores, complementado con un sistema de control para estos. Se descubre la mejor forma de modelar el condensador con R744 en 3 zonas discretizando la zona sobrecalentada en 8 subzonas, mientras que el gas cooler es discretizado con un modelo de 4 zonas, delimitadas por los cambios en las propiedades termo-físicas del refrigerante. El modelo del sistema Booster es validado con 2.4% de error en el COP, logrando reducir los errores de los modelos termodinámicos existentes en 3.5%. Se revela que en Chile, los sistemas transcríticos reducen el consumo anual del sistema convencional en un: 5% (BB), 8% (BP), 15% (BP+MT-Ov), 20% (BP+ME+MT-Ov) y 21% (BP+ME+MT-Ov+LT-Ov), acompañadas de reducciones ambientales del DXS en un 77% y un 86%. Sin embargo, comparado con el DXS, con el sistema BB y BP nunca se logra recuperar la inversión inicial, mientras que con los sistemas BP+MT-Ov, BP+ME+MT-Ov y BP+ME+MT-Ov+LT Ov, la inversión se recupera en 7.4, 7.4 y 6.7 años, respectivamente. No se cumple la hipótesis inicial dado que no se encontraron sistemas transcríticos con un período de recuperación de inversión menores a 3 años. Pero si se considera un tiempo menos optimista, de 8 años, se identifican las siguientes soluciones: desde Magallanes hasta Ñuble, el sistema BP+MT-Ov; entre el Maule y Coquimbo, el BP+ME+MT-Ov; desde Atacama hasta Arica y Parinacota, el BP+ME+MT-Ov+LT-Ov. Con el análisis exergoeconómico, se identificaron las posibles mejoras para reducir los elevados costos exergoeconómicos de los sistemas transcríticos: adquirir los compresores a un menor precio, mejorar el diseño del gas cooler/condensador, aumentar el rendimiento de los eyectores y aumentar la temperatura de evaporación de los evaporadores.