Vol. 23 Núm. 3 (2024): Revista UIS Ingenierías
Artículos

Evaluación técnica y ambiental de sistemas de refrigeración tipo booster con CO2

Daniel Vergara-Teran
Proyectos y Servicios S.A.S
Gustavo Aranda-Gil
Santa Marta Internacional Terminal Company
Carlos Amaris
Universidad Industrial de Santander

Publicado 2024-09-10

Palabras clave

  • Refrigeración,
  • dióxido de carbono,
  • amoniaco,
  • refrigerantes naturales,
  • sistemas de refrigeración tipo booter,
  • análisis energético y exergético,
  • TEWI
  • ...Más
    Menos

Cómo citar

Vergara-Teran, D., Aranda-Gil, G., & Amaris, C. . (2024). Evaluación técnica y ambiental de sistemas de refrigeración tipo booster con CO2. Revista UIS Ingenierías, 23(3), 99–116. https://doi.org/10.18273/revuin.v23n3-2024009

Resumen

El presente estudio muestra la evaluación del rendimiento de cuatro configuraciones de sistemas de refrigeración tipo booster con CO2: convencional, compresor en paralelo, basado en eyector y cascada con NH3/CO2, bajo las condiciones ambientales de la ciudad de Bucaramanga, Colombia. Aplicando un análisis detallado de energía y exergía, así como una evaluación del impacto ambiental a través del Impacto Total Equivalente de Calentamiento (TEWI), se identificó que la configuración basada en eyector es la más eficiente en términos energéticos, exhibiendo una reducción del 13.2% en el consumo anual de energía en comparación con el sistema convencional. La configuración en cascada demostró la menor destrucción de exergía por encima de los 26°C, destacando su potencial en temperaturas ambientales más altas. Además, la configuración basada en eyector logró consistentemente la mayor eficiencia de la segunda ley en todo el rango de temperatura establecido. El análisis del impacto ambiental mostró que la configuración basada en eyector también tuvo el TEWI más bajo, con una reducción del 14.36%. Los resultados subrayan la importancia de seleccionar configuraciones de refrigeración adecuadas en función de las condiciones climáticas locales.

Descargas

Los datos de descargas todavía no están disponibles.

Referencias

  1. P. Gullo, K. Tsamos, A. Hafner, Y. Ge, and S. A. Tassou, “State-of-the-art technologies for transcritical R744 refrigeration systems - A theoretical assessment of energy advantages for European food retail industry,” Energy Procedia, 2017, vol. 123, pp. 46–53, doi: https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.07.283
  2. J. L. Dupont, “The role of refrigeration in the global economy,” 38th Informatory Note on Refrigeration Technologies, 2019. https://iifiir.org/en/fridoc/the-role-of-refrigeration-in-the-global-economy-2019-142028
  3. C. Amaris, F. Barbosa, M. Balbis-Morejon, “Energy Performance Analysis of a Solar Refrigerator Using Ecological Refrigerants,” J. Sustain. Dev. Energy, Water Environ. Syst., vol. 11, no. 2, 2023, doi: https://doi.org/10.13044/j.sdewes.d11.0446
  4. E. Commission, “Regulation (EU) No 517/2014 of the European Parliament and of the Council of 16th April 2014 on Fluorinated Greenhouse Gases and Repealing Regulation (EC) No 842/2006,” 2014.
  5. ISO, “ISO 5149-1:2014 Refrigerating systems and heat pumps — Safety and environmental requirements,” 2014. [Online]. Available: https://www.iso.org/standard/54979.html
  6. K. M. Tsamos, Y. T. Ge, I. Santosa, S. A. Tassou, G. Bianchi, and Z. Mylona, “Energy analysis of alternative CO2refrigeration system configurations for retail food applications in moderate and warm climates,” Energy Convers. Manag., vol. 150, pp. 822–829, 2017, doi: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2017.03.020
  7. M. Goodarzi, A. Gheibi, “Performance analysis of a modified trans-critical CO2 refrigeration cycle,” Appl. Therm. Eng., vol. 75, pp. 1118–1125, 2015, doi: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2014.10.075
  8. Y. T. Ge, S. A. Tassou, “Thermodynamic analysis of transcritical CO2 booster refrigeration systems in supermarket,” Energy Convers. Manag., vol. 52, no. 4, pp. 1868–1875, Apr. 2011, doi: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2010.11.015
  9. P. Gullo, B. Elmegaard, G. Cortella, “Advanced exergy analysis of a R744 booster refrigeration system with parallel compression,” Energy, vol. 107, pp. 562–571, Jul. 2016, doi: https://doi.org/10.1016/J.ENERGY.2016.04.043
  10. P. Gullo, B. Elmegaard, G. Cortella, “Energy and environmental performance assessment of R744 booster supermarket refrigeration systems operating in warm climates,” Int. J. Refrig., vol. 64, pp. 61–79, 2016, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2015.12.016
  11. K. M. Tsamos et al., “Performance investigation of the CO2 gas cooler designs and its integration with the refrigeration system,” in Energy Procedia, vol. 123, pp. 265–272, 2017, doi: https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.07.237
  12. P. Gullo, K. M. Tsamos, A. Hafner, K. Banasiak, Y. T. Ge, S. A. Tassou, “Crossing CO2 equator with the aid of multi-ejector concept: A comprehensive energy and environmental comparative study,” Energy, vol. 164, pp. 236–263, Dec. 2018, doi: https://doi.org/10.1016/J.ENERGY.2018.08.205
  13. P. Gullo, A. Hafner, G. Cortella, “Multi-ejector R744 booster refrigerating plant and air conditioning system integration – A theoretical evaluation of energy benefits for supermarket applications,” Int. J. Refrig., vol. 75, pp. 164–176, 2017, doi: https://doi.org/10.1016/J.IJREFRIG.2016.12.009
  14. Z. Mylona, M. Kolokotroni, K. M. Tsamos, S. A. Tassou, “Comparative analysis on the energy use and environmental impact of different refrigeration systems for frozen food supermarket application,” in Energy Procedia, vol. 123, pp. 121–130, 2017, doi: https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.07.234
  15. P. Gullo, M. Birkelund, E. E. Kriezi, M. R. Kærn, “Comprehensive experimental performance study on a small-capacity transcritical R744 vapour-compression refrigeration unit equipped with an innovative ejector,” Int. J. Refrig., vol. 152, pp. 192–203, 2023, doi: https://doi.org/10.1016/J.IJREFRIG.2023.05.007
  16. T. S. Lee, C.-H. Liu, T. W. Chen, “Thermodynamic analysis of optimal condensing temperature of cascade-condenser in CO2/NH3 cascade refrigeration systems,” Int. J. Refrig., vol. 29, no. 7, pp. 1100–1108, 2006, doi: https://doi.org/10.1016/J.IJREFRIG.2006.03.003
  17. W. Bingming, W. Huagen, L. Jianfeng, X. Ziwen, “Experimental investigation on the performance of NH3/CO2 cascade refrigeration system with twin-screw compressor,” Int. J. Refrig., vol. 32, no. 6, pp. 1358–1365, 2009, doi: https://doi.org/10.1016/J.IJREFRIG.2009.03.008
  18. J. Alberto Dopazo, J. Fernández-Seara, J. Sieres, and F. J. Uhía, “Theoretical analysis of a CO2–NH3 cascade refrigeration system for cooling applications at low temperatures,” Appl. Therm. Eng., vol. 29, no. 8–9, pp. 1577–1583, Jun. 2009, doi: 10.1016/J.APPLTHERMALENG.2008.07.006.
  19. O. Rezayan, A. Behbahaninia, “Thermoeconomic optimization and exergy analysis of CO2/NH3 cascade refrigeration systems,” Energy, vol. 36, no. 2, pp. 888–895, Feb. 2011, doi: https://doi.org/10.1016/J.ENERGY.2010.12.022
  20. A. Messineo, “R744-R717 Cascade refrigeration system: Performance evaluation compared with a HFC two-stage system,” in Energy Procedia, vol. 14, pp. 56–65, 2012, doi: https://doi.org/10.1016/j.egypro.2011.12.896
  21. C. Amaris, K. M. Tsamos, and S. A. Tassou, “Analysis of an R744 typical booster configuration, an R744 parallel-compressor booster configuration and an R717/R744 cascade refrigeration system for retail food applications. Part 1: Thermodynamic analysis,” Energy Procedia, vol. 161, pp. 259–267, 2019, doi: https://doi.org/10.1016/j.egypro.2019.02.090
  22. K. M. Tsamos, C. Amaris, Z. Mylona, S. Tassou, “Analysis of Typical Booster Configuration, Parallel-Compressor Booster Configuration and R717/R744 Cascade Refrigeration System for Food Retail Applications. Part 2: Energy Performance in Various Climate Conditions.,” Energy Procedia, vol. 161, pp. 268–274, 2019, doi: https://doi.org/10.1016/j.egypro.2019.02.091
  23. ACRlatinoamerica, “Weston estrena dos nuevos proyectos de CO2,” 2021. https://www.acrlatinoamerica.com/2021113010149/noticias/empresas/weston-estrena-dos-nuevos-proyectos-de-co2.html
  24. ACAIRE, “Acaire inició formación en sistemas de refrigeración con CO2 transcrítico con la unidad móvil de CO2 única en sudamérica,” 2022. https://acaire.org/2022/03/26/acaire-inicio-formacion-en-sistemas-de-refrigeracion-con-co2-transcritico-con-la-unidad-movil-de-co2-unica-en-sudamerica/
  25. O. A. Gelvéz-Arocha, J. E. Quiroga Méndez, D. E. Barajas-Merchán, and M. L. Gómez-Sarmiento, “Estudio experimental de las estrategias de control On-Off y control continuo en un sistema de refrigeración,” Rev. UIS Ing., vol. 11, no. 1, pp. 73–82, 2012.
  26. J. Köhler, C. Richter, W. Tegethoff, C. Tischendorf, “Experimental and theoretical study of a CO2 ejector refrigeration cycle,” in Vortrag, VDA Winter Meeting, 2007.
  27. S. Elbel, P. Hrnjak, “Experimental validation of a prototype ejector designed to reduce throttling losses encountered in transcritical R744 system operation,” Int. J. Refrig., vol. 31, no. 3, pp. 411–422, 2008, doi: https://doi.org/10.1016/J.IJREFRIG.2007.07.013
  28. AIRAH, “Methods of calculating Total Equivalent Warming Impact (TEWI),” 2012. [Online]. Available: https://airah.org.au/Common/Uploaded files/Archive/Resources/Best_Practice_Guideline/Best_Practice_Tewi_June2012.pdf
  29. XM, “Factor de Emisión del Sistema Interconectado Nacional, para inventario de Gases de Efecto Invernadero,” Noticias del Mercado, 2023. https://www.xm.com.co/noticias/5548-resultado-de-calculo-de-factor-de-emision-del-sistema-interconectado-nacional-para
  30. F. Liu, “Review on Ejector Efficiencies in Various Ejector Systems,” in International Refrigeration and Air Conditioning Conference, 2014, p. 11. [Online]. Available: http://docs.lib.purdue.edu/iracc/1533
  31. Danfoss, “Compressors-for-refrigeration,” Danfoss, 2024. https://www.danfoss.com/es-mx/products/dcs/compressors/compressors-for-refrigeration/#tab-product-range
  32. Bock, “Bock compressors for Stationary applications,” 2024. https://vap.bock.de/stationaryapplication/Pages/Index.aspx
  33. D. Vergara-Teran, G. Aranda-Gil, “Evaluación técnica y ambiental de sistemas de refrigeración por compresión mecánica tipo booster utilizando CO2 como refrigerante natural en la ciudad de bucaramanga,” trabajo de grado, Universidad Industrial de Santander, 2024.
  34. F. Fazelpour, T. Morosuk, “Exergoeconomic analysis of carbon dioxide transcritical refrigeration machines,” Int. J. Refrig., vol. 38, no. 1, pp. 128–139, 2014, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2013.09.016