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Caracterización experimental del funcionamiento de un expositor horizontal estático de baja temperatura usando refrigerantes con un PCA inferior a 150

9 abril 2019

Javier Blanco Castro, Director Técnico de Frost-trol, presentó en la última edición de Tecnofrío, celebrada en Madrid los días 19 y 20 de septiembre, el estudio titulado “Caracterización experimental del funcionamiento de un expositor horizontal estático de baja temperatura usando refrigerantes con una PCA inferior a 150”.  El mismo ha sido realizado conjuntamente con José Díaz, del Departamento de I+D+I de Frost-trol, S.A.

Javier, ¿cuál es el objetivo de este experimento?

Con este estudio, pretendíamos caracterizar la eficiencia de un expositor horizontal de baja temperatura diseñado para trabajar con R-290 variando la carga de refrigerante y la temperatura de regulación del mueble.  Hemos realizado un “drop-in” directo con dos refrigerantes sintéticos de nueva generación, R-454C y R-455A, analizando el comportamiento del mueble con estos refrigerantes.

¿Cuáles son las características del R-290, propano?

Hay que tener en cuenta que el objetivo de la normativa F-gas es reducir entre un 80-95% las emisiones de carbono hasta el año 2030.  En frigoríficos y congeladores (sistemas herméticamente sellados para uso comercial) y en centrales frigoríficas compactas, con una capacidad igual o inferior a 40 kW, la normativa prohibe el uso de refrigerantes con un PCA>150 a partir del año 2022.  Así, el R-290 es un sustituto para otros refrigerantes de gran impacto ambiental e, incluso, para nuevos refrigerantes con bajo PCA, como R-454C, R-455A, HFO-1234yf o HFO-1234ze.

El R-290 tiene un PCA<3, y está clasificado como un fluido altamente inflamable, grupo A3, y, según normativa, la carga máxima de refrigerante que se puede utilizar en sistemas compactos de comprensión mecánica en refrigeración comercial son 150 gramos, sin restricciones de ubicación.  Para adecuarse a esta limitación de carga, es necesario adoptar soluciones técnicas, teniendo en cuenta que este bajo nivel de carga evita el riesgo de retorno de líquido al compresor, y además no tiene deslizamiento, ya que es un refrigerante puro, lo que facilita el diseño de los intercambiadores.  Resumiendo, las excelentes propiedades termodinámicas del R-290 justifican su uso siempre que se adopten las medidas de seguridad necesarias.

¿En qué condiciones se ha realizado el experimento?

Para los ensayos se seleccionó un mueble expositor de baja temperatura con compresor de velocidad variable diseñado para funcionar con R-290, que posteriormente fue reemplazado por R-454C y R-455A.  El experimento se realizó en una cámara de ensayos de aproximadamente 120m3 instalada en Frost-trol, S.A., de acuerdo con el procedimiento establecido en la norma UNE-EN ISO 23952-2 con una temperatura ambiente de 25ºC y una humedad relativa del 60%.  Estas condiciones ambientales se verifican con un controlador, con una precisión de ±0’1ºC para la temperatura y ±2% para la humedad.  También, y según la normativa UNE-EN ISO 23953, se ubicó un sensor a una distancia de 30 cm. aproximadamente a partir de la parte superior del mueble y a 15 cm. del display de exposición del expositor.

El consumo energético de compresor, ventiladores del condensador, resistencias de desescarche y antivaho se midieron con analizadores de redes, A2000, con una incertidumbre de ±0’5%.  Todos los sensores estaban monitorizados y registrados cada 30 s. durante los ensayos.

Figura 1.  Expositor horizontal de baja temperatura (fuente: Frost-trol, S.A.)

¿A qué conclusiones llegáis en el experimento en relación con el efecto de la carga de R-290 sobre el COP y la energía consumida por el compresor?

Con este análisis hemos llegado a distintas conclusiones.  Por un lado, el incremento de la carga de R-290 no mejora el COP del mueble.  El mejor valor de COP y, por tanto, el de menor energía consumida por el compresor, se obtiene con una carga de refrigerante de 100 g.  Por encima de este punto, el COP del mueble disminuye un 28%, aumentando al mismo tiempo el consumo de energía por parte del compresor.

Figura 2.  Variación del COP y la energía consumida por el compresor en función de la carga de refrigerante

Por otra parte, tal y como se observa en la siguiente figura (3), para una carga de refrigerante de 120 g., la temperatura de salida del refrigerante en el evaporador está próxima a -28ºC.  Teniendo en cuenta que el mueble es estático, estaríamos en el límite entre la carga de refrigerante óptima que requiere el mueble y la carga térmica para la cual ha sido diseñado en función de su volumen, siempre con el objetivo de que el mueble esté dentro de la clase 3L1.

Figura 3.  Variación de temperatura de descarga del compresor y la temperatura de salida del mueble en función de la carga de refrigerante

Para una carga superior a 120 g. (figura 4), la temperatura de salida del mueble oscila entre -36/-38ºC, obteniéndose una temperatura media del producto de -29ºC.

Figura 4.  Variación de la temperatura del producto en función de la carga de refrigerante

 En vuestro estudio también analizáis la variación de la energía consumida por el compresor y la temperatura mínima de producto en función de la temperatura de regulación.

Durante la realización del experimento, las condiciones de temperatura y humedad se han mantenido constantes, 25ºC y 60% HR, con una carga de 150 g. de R-290.  La temperatura de regulación del mueble se ha modificado con el fin de establecer una temperatura que permita mantener el expositor dentro de la clase climática 3L1.  La figura 5 muestra la variación de la energía consumida por el compresor en función de la temperatura de regulación del mueble.

Figura 5.  Variación de la energía consumida por el compresor en función de la temperatura de regulación del mueble

La energía consumida por el compresor varía significativamente en función de la temperatura de regulación.  Si disminuye la temperatura de regulación del mueble, se logran temperaturas de producto inferiores pero el consumo del compresor se incrementa un 10% por cada grado de regulación. También se ha analizado cómo varía la temperatura mínima y máxima de los productos según la temperatura de regulación del mueble, figuras 6 y 7.  Se obtienen menores temperaturas de producto cuanto más bajo sea el punto de consigna.  Sin embargo, este criterio afecta proporcionalmente a la temperatura de los productos durante el desescarche y al consumo energético del mueble.  Este comportamiento está asociado con una mayor acumulación de hielo en el evaporador y, por consiguiente, un mayor tiempo de desescarche hasta alcanzar la temperatura final establecida.  Para una consigna de -21ºC se obtiene un punto de ajuste correcto desde el punto de vista de temperatura del producto y consumo de energía del expositor en condiciones de clase climática 3L1.

Figura 6.  Variación de la temperatura mínima del producto en función de la temperatura de regulación del mueble

Figura 7.  Variación de la temperatura máxima del producto en función de la temperatura de regulación del mueble

Cuando realizáis el “drop-in” con otros refrigerantes de PCA<150, ¿qué resultados obtenéis?

Tras un ensayo inicial con una carga de 150 g. de R-290 y un diseño capilar optimizado para este refrigerante, se realiza el “drop-in” directo en el expositor con R-455A y R-454C, con una carga de 230 g.

Los ensayos indican que con R-455A el consumo de energía aumenta entre 1-3% respecto al R-454C y un 36% respecto al R-290.  Por otra parte, en relación con el comportamiento del ciclo termodinámico, la temperatura de descarga es muy superior con R-455A con respecto a los otros refrigerantes, un 11-13% respecto al R-454C y un 28% en relación con el R-290.  Por tanto, las elevadas temperaturas de descarga afectarían a la fiabilidad del compresor.

Desde el punto de vista energético, estos resultados son diferentes si realizamos el estudio con otras longitudes de capilares.  Por ejemplo, para una longitud de capilar menor, el R-455A consume un 11% más que el R-290, pero este pierde un 7% de COP frente al R-455A.  Además, el R-454C aproxima su comportamiento al R-290.

Figura 8. Variación de la energía consumida por el compresor: “drop-in” directo con refrigerantes con PCA<150

Figura 9.  Variación del COP: “drop-in” directo con refrigerantes con PCA<150

 ¿Cuáles son las conclusiones finales del experimento que fueron presentadas en Tecnofrío?

Resumiendo todo el estudio, los resultados obtenidos indican que para el volumen del expositor analizado, con una carga de refrigerante entre 140-150 g., se garantiza una temperatura de conservación de los productos dentro del rango 3L1 con una temperatura de regulación de -21ºC.  Un incremento de la carga de refrigerante provocaría un deterioro gradual del consumo de energía del compresor y, por tanto, del COP del sistema.

Cuando realizamos el “drop-in” directo con R-455A y R-454C, el consumo de energía del compresor en relación con el R-290 se incrementa un 33% respecto al R-455A y un 36% respecto al R-454C.  Esto indica que es necesario un proceso de optimización del capilar para mejorar el funcionamiento del expositor con estos refrigerantes.

 

 

 

 

 

 

 

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