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.

This research is about the need for Chile to include profitable and environmentally friendly solutions to the common refrigerants used (R404A) in refrigeration systems for supermarkets. To solve this, it is presented the transcritical systems with R744, which generates low performance at ambient temperatures above 15°C. Given the climatic variability of Chile, a suitable assessment is required. This study aims to evaluate several transcritical systems to replace conventional systems with direct expansion (DXS-R404A) in 18 cities that represents each region of Chile, through a multidimensional analysis (energetic, environmental and economic), based on the detailed modeling of the systems. The study case considers a medium supermarket with a sale area of 2,500 m2 and a cooling demand of 140 kW and 40 kW in the medium (MT) and low temperature (LT) evaporators, respectively. As reference, it is used the DXS-R404A and as alternatives, it is proposed the following five transcritical systems: Booster (BB) and its combinations in Parallel (BP), with overfed MT evaporators (BP+MT-Ov), with Multi-ejectors (BP+ME+MT-Ov), and with Multi-ejectors and both MT and LT overfed evaporators (BP+ME+MT-Ov+LT-Ov). Each system is evaluated though the integration of the models of each component, where the critical ones are described with a semi empirical model while the non-critical with thermodynamic models. As a scientific contribution, semi-empirical models based on physical principles were created and modified. Those models describe the reciprocating and scroll compressors, gas cooler/condenser and multi-ejectors, complemented with a control system for them. It is discovered the best way to model the condenser in 3-zones by discretizing the superheated zone in 8 subzones, while the gas cooler is discretized with a 4-zones model, delimited by the changes in the refrigerant thermo-physical properties. The Booster system model is validated with an error of 2.4% in the COP, reducing the errors of the simple thermodynamic models by 3.5%. In Chile, transcritical systems reduce the annual energy consumption of the conventional one by: 5% (5 BB), 8% (BP), 15% (BP+MT-Ov), 20% (BP+ME+MT-Ov) and 21% (BP+ME+MT-Ov+LT-Ov). The transcritical configurations reduce the DXS emissions by 77% and 86%. However, compared to DXS, the initial investment is never recovered with the BB and BP system, while with the BP+MT Ov, BP+ME+MT-Ov and BP+ME+MT-Ov+LT-Ov, the investment is recovered in 7.4, 7.4 and 6.7 years, respectively. Despite the initial hypothesis is not satisfied because there was no transcritical system with a payback period lower than 3 years, some alternatives are presented by considering a less-optimistic payback period of 8 years: form Magallanes to Ñuble, the BP+MT-Ov system; between Maule and Coquimbo, the BP+ME+MT-Ov; from Atacama to Arica and Parinacota, the BP+ME+MT-Ov+LT-Ov. The exergoeconomic analysis showed the possible improvements to reduce the exergoeconomic cost of transcritical systems: to purchase the compressors at a lower price, to improve the gas cooler/condenser design, to improve the ejectors efficiency and to increase the evaporation temperature of the evaporators.