Análisis termoeconómico de un ciclo compacto de CO2 con eyector

Abstract

Actualmente, la industria de refrigeración está adoptando una estrategia proactiva de sustitución de gases fluorados por alternativas más sostenibles con bajo potencial de efecto invernadero. El R744 es un refrigerante natural que ha sido ampliamente propuesto para aplicaciones de refrigeración comercial. Su uso en sistemas de cascada o tipo “booster” permite producir simultáneamente frío para aplicación de enfriamiento y congelación. Sin embargo, cuando únicamente se requiere una etapa de evaporación a baja temperatura, el uso del R744 en ciclos de tipo transcríticos es escasa. Los principales motivos son debidos al bajo rendimiento del ciclo (COP, por las siglas en inglés) en climas cálidos, así como las limitaciones técnicas encontradas en los compresores comerciales para alcanzar las relaciones de compresión extremas requeridas por el ciclo. A la luz de estos inconvenientes, y dada la creciente necesidad de equipos para aplicaciones de baja temperatura que utilicen fluidos sostenibles y que puedan operar en climas cálidos, este trabajo propone el uso del R744 en el Ciclo de Refrigeración con Expansión por Eyector (EERC, por las siglas en inglés). Para evaluar la viabilidad de la propuesta, este estudio lleva a cabo una evaluación termoeconómica. Para ello, se ha desarrollado un modelo completo del sistema, incluyendo un eyector bifásico, un compresor comercial de doble etapa, y se han simulado condiciones de evaporación desde -10 ºC hasta -38.5ºC, la cual se reveló como la temperatura más baja alcanzable con este sistema para evitar el punto triple dentro del eyector. La optimización se realizó utilizando el Valor Presente Neto como función objetivo. De este modo, los resultados mostraron que, en comparación con el ciclo transcrítico utilizado como sistema de referencia, el EERC permite utilizar compresores comerciales más pequeños dentro de unos límites operativos más amplios. Además, se alcanzaron mejoras del COP superiores al 22% a la vez que se reducían los costes de inversión y energéticos. Así, se puede concluir que el EERC utilizando R744 es viable para aplicaciones de producción de frio a baja temperatura en climas cálidos.

Refrigeration industry is adopting a proactive strategy to phase out fluorinated greenhouse gases by more sustainable working fluids. R744 is a natural refrigerant widely proposed for commercial refrigeration. Its use in cascade and booster cycles allows a combined cooling and freezing production. However, when single-stage evaporation at low temperature is required, the adoption of R744 in transcritical cycles is scarce. The main reasons are due to the low Coefficient of Performance (COP) achieved, as well as the technical limitations to reach extreme pressure ratios using commercial compressors. In light of this, this study proposes to use the CO2 Ejector-Expansion Refrigeration Cycle (EERC) to overcome these drawbacks. To assess the feasibility of the proposal, a thermoeconomic optimization is conducted for low-temperature refrigeration in warm climates. The analysis has been conducted considering a two-phase flow ejector, a commercial double-stage compressor, and evaporating conditions ranging from -10 ºC to -38.5 ºC, which was revealed the minimum temperature to avoid the triple point inside the ejector. The results showed that, compared to the reference cycle, the EERC allows using smaller commercial compressors within a broader operating envelope, improving the COP above 22% while reducing investment and yearly power costs.