08 MYM Diseño de Sistemas de Co2 en Cascada - IIAR Colombia 2015

8/16/2019 08 MYM Diseño de Sistemas de Co2 en Cascada - IIAR Colombia 2015

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DISENO DE SISTEMAS DE

CO2-CASCADA NH3

Por

Ole ChristensenM&M Refrigeration, Inc.

Traducido por Ricardo Mardones

CO2 NH3


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Diseño sistemas CO2/NH3- Cascada

• Antecedentes

• Ventajas Sistemas en Cascada CO2/NH3

– Costo Operativo

– Costo Inicial

– Carga de Refrigerante y posibles fugas – Servicio y Mantenimiento

• Diseño de Sistemas

– Aplicaciones – Presiones y temperaturas

– Compresores

– Intercambiador de calor de la cascada – Evaporadores y descongelación

– Tanques, tuberías y válvulas – Manejo aceite• Estudio, Ejemplo

– Almacenamiento de Refrigerados

– Aplicación IQF


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Instalaciones Industriales Amoníaco/CO2 Sistema Cascada

Vision General

• Situación de los refrigerantes

• Restricciones de carga de Amoniaco

• Daños provocados por el amoniaco

• Costo Energía

• Bajo Costo inicial

• Costo del refrigerante

• Baja temperatura a costos razonables

• Menor espacio requerido


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Concepto Básico

NH3 circuitoCO2 circuito

t -67F


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COSTO - OPERATIVO


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Ventajas – Costo Operativo


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Ventajas – Costo Inicial – Compresor de Baja pequeño

0.3

3.0

30

300

-67 -58 -49 -40 -31

Temperatura Evaporación ( o

F)

C a p a c i t y ( T R

)

CO 2

NH 3

Temperatura de Condensación 14°F


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Ventajas – Costo Inicial

• Bajos Costos – Compresor (lado baja temperatura)

– Tuberías de succión, descarga, válvulas, aislamiento.

– Tanques separadores de líquido (+ aislamiento)

– Refrigerante

• Altos Costos

– Intercambiador de Calor cascada CO2/NH3 en vez de Inter-

cooler – Tuberías de líquido, válvulas, aislamiento etc

– Diseño de alta presión de algunos componentes


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Ventajas – Carga de Refrigerante - Fugas

• Baja carga de refrigerante Amoníaco• Amoníaco confinado en la sala de maquinas

• CO2 no daña el producto

• CO2 no es toxico ni inflamable

• De todas Formas!! – Largo tiempo de exposición al CO2 esta limitado al 1% de

concentración.

– Corto tiempo de exposición al CO2 esta limitado a un 3% de

concentración.

– 10 –

20% de concentración de CO2 es dañino y puede causar dañofatal.

– Detectores de CO2 son requeridos


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Mantenimiento y Servicio

• No se requiere unidad de recuperación o de drenaje de agua.• No olor

• No es necesario purgas de Aceite en el lado de CO2

• Siempre presión de operación positiva

• De Todas Forma!!

– Cuidado con el entrampe de liquido. Si la temperatura de este sube en7°F la presión se incrementa sobrepasando los limites de presión dela tubería!

– Se debe ser cuidadoso con la combinación de CO2 liquido/gas. Si latemperatura del cuarto es de 68°F (por ejemplo) la presión del CO2

es de 812 Psi

– Hacer adecuado vacío para remover la humedad después de haberhecho servicio a un componente en el lado de CO2


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Diseño de Sistemas – Aplicación – Congelación


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Instalaciones Industriales Amoníaco/CO2 Sistema CascadaDiseño de Sistema – Aplicación – Almacén Congelados

AmoniacoSurge Drum

NH3 CompresorTornillo

Evap. Condenser

CP-Receiver(Economizer)

NH3/CO2 Cascade

Heat Exchangers

CO2

VPR-55°F

CO2VPR-30°F

Blast Freezer Freezer

NH3 Screw11 / 95°F

CO2 HPR20°FCO2 Recip

-55/ 20°F

CO2 Recip-55/ 20°F

CO2 Recip-30/ 20°F

CO2 Recip-30/ 20°F

D r i e r

CoolerDock

O i l R e c t i f i e r

O i l R e c t i f i e r


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Diseño de Sistemas – Temperatura - Presión

• Temperatura de succión determinada por diseño – CO2 triple punto (mínimo teórico) = - 70°F

– Temperatura practica menor de evaporación= - 65°F

• Temperatura de condensación del lado deamoniaco determinada por la localización delProyecto.

• Cual es la temperatura intermedia y la diferenciaentre la condensación del CO2 y la temperaturade evaporación del amoniaco?


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Instalaciones Industriales Amoníaco/CO2 Sistema CascadaDiseño de Sistemas – Temperatura - Presión

0

50000

100000

150000

200000

250000

300000

350000

0 5 10 15 20

U S D

DT [°F]

Diferencia de Temperatura optima Sistema de Cascada-

Condensador - Costo Inicial

Cascade cooler

Compressor

SUM

Minimum


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Diseño de Sistema – Temperatura - Presión

0

50000

100000

150000

200000

250000

300000

0 5 10 15 20

U S D

DT [°F]

Optima diferencia de temperatura en condensador CascadaCosto Operativo

Capital cost

Electrical cost

SUM

Costo Energía = 0.05 USD/kWh; Tiempo de depreciación= 5 años; Operación 7000 horas/año; Tasa Interés= 5%

Minimo


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Diseño de Sistemas – Temperaturas y Presiones

0

1

2

3

4

5

6

7

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35

C O P

Alta Etapa Temperatura Evaporacion[°F]

COP Para compresor de alta y baja

COP-LT-NH3 COP-HT COP-LT-CO2

BT Temp. Evaporación. = -40°

F; BT-NH3 Temp. Condensación. = AT Temp.Evaporación BT-CO2 Temp. Condensación = AT Temp. Evaporación + 9°F


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Diseño de Sistemas Temperaturas - Presiones

Temperatura intermedia optima para sistemas de dos etapas de NH3 Pi = ( Pe x Pc )½

1.620

1.640

1.660

1.680

1.700

1.720

1.740

1.760

1.780

1.800

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35

C O P

TEMPERATURA EVAPORACION ALTA[°F]

SISTEMA TOTAL COP

COP-Casc COP-TwoSt

BT Temp. Evaporación. = -40°F; BT-NH3 Temp. Condensación. = AT Temp.Evaporación. BT-CO2 Temp. Condensación. = AT Temp. Evaporación. + 9°F


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Diseño de Sistemas - Compresores

• Características del circuito de CO2: – Alta Presión de Succión

– Baja razón de compresión

– Alto diferencial de presión

• Condición optima para operación de reciprocante• Rendimiento de reciprocante es un 10 a 15% mejor

que el tornillo a estas condiciones.

• Reciprocante disponibles para CO2 hasta 170 TR a -

40°F con 580 Psi como presión de diseño.• Capacidad para tornillos pequeños de CO2 es ~ 200

TR a -40°F para una presión de diseño de 450 Psi

• Rendimiento de reciprocante a cargas parciales mejor

que los tornillos.


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Diseño de Sistemas – Cascada Intercambiador de Calor

• Intercambiador de Calor en Cascada sirve de: – Evaporador para el lado de NH3. – Condensador para el lado de CO2.

• Tipo de Intercambiadores disponibles: – Placas

• Alta Eficiencia; Baja Carga de NH3; Bajo riesgo de mescla; Poco espacio

• Alto Precio

– Casco y Tubo• Bajo costo (pequeñas capacidades); bajo riesgo mescla

• Espacio requerido; Alta carga de NH3. – Tubo y Placa

• Alta Eficiencia; Valor razonable; Baja carga NH3; Poco espacio

• Alto riesgo de mezcla


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Diseño Sistemas – Evaporadores y Descongelación

• Evaporadores CO2: – Enfriadores de Aire

– Congeladores de Placa

– Enfriadores de Liquido

• La mayor eficiencia posible si el diseño es optimizado para CO2

• En general los mismos principios de descongelación que para NH3• Descongelación con gas caliente de CO2 requiere 700 psig !

• Los mas comunes métodos de descongelación para evaporadoresusando CO2 son:

– Eléctrico

– Agua – Aire

– Glicol Caliente


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Diseño de Sistemas – Tanques y Tuberías

• Tanques de CO2 en general son dimensionados como los de NH3 excepto por la

presión de diseño• Tanques deCO2 para la separación de liquido/gas podrían ser menores en

dimensión.

– Wmax CO2 = 0.45 x Wmax NH3

– VCO2 = 0.1 x VNH3

– ACO2 / ANH3 = 0.22

– DCO2 / DNH3 = 0.47

• Revisar si es necesario acumular refrigerante líquido

• Tubería de CO2:

– Menor diámetro en tuberías de succión húmedas y secas.

– Mayor diámetro en tuberías de liquido

– Diámetros menores en tuberías de descarga.

Instalaciones Industriales Amoniaco/CO2 Sistema Cascada


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Diseño de Sistemas – Ejemplo Tubería – 300 TR a-

40 F

Succión Húmeda, 300ft tubería, dos 90

codos, una

válvula

Ø TuberíaReducción

TemperaturaCaída

Presión Velocidad

Pulgadas F PSI ft / sec

NH3 12" 1.01 0.31 54

CO2 6" 0.96 2.85 23

Succión Seca, 100ft tubería, dos 90

codos, una válvula


TemperaturaCaída

Presión Velocidad

Pulgadas F PSI ft / sec

NH3 12" 0.29 0.089 68

CO2 6" 0.33 1 39

Liquido, 300f

Tubería


Temperatura

Caída

Presión VelocidadPulgadas F PSI ft / sec

NH3 2½" 1.4 1.4 3.6

CO2 4" 0.3 1.05 3.5

Descarga , 100ft Tubería


temperaturaCaída

Presión

Velocidad

Pulgadas F PSI ft / secNH3 6" 0.21 0.2 79

CO2 4" 0.14 0.9 29

• En general mismo tipo de material y espesor de paredes como en NH3•Se puede usar tuberias de cobre


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Diseño Sistemas – Válvulas

• Válvulas de servicio CO2, válvulas solenoides, válvulas de retención,

reguladores de presión y filtros básicamente son los mismos que seusan con NH3

• Revisar presiones de diseño y máxima y mínima presiones deapertura

• Válvulas de Seguridad dimensionadas desde C = f x D x L para otrosrefrigerantes ( f = 1.0 for CO2 ).

• Se recomienda usar válvulas de seguridad de calidad que permitaque esta se reasenten rápidamente.

• Válvulas de alivio instaladas en líneas de liquido deben evacuarhacia líneas de succión.

• Se recomienda el uso de válvulas de seguridad de la línea de gassaturado.

• Las válvula de seguridad en la línea de descarga pueden descargaren el manifol instalado para este propósito


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Diseño de Sistemas – Manejo Aceite

• Con el uso de aceite soluble POE un rectificador de aceitedebe ser usado

• Qoil rectifier = Qplant x Oil carry over (ppm) / Oil concentration (%)

I t l i I d t i l A í /CO2 Si t C d


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Caso estudio No 1 – Aplicación Centro de Distribución

Información general – Fase 1 de 4:• 16,258 m2 ( 17,031 m3)• Cuatro Cuartos de Congelados(-20°F)• Dos congeladores (Ambi-Valente)(-20°F /+40°F)

• Dos Áreas de despacho (+40°

F)

¿Porque CO2?• Bajo costo inicial en la instalación del Sistema.• Baja Carga de NH

3

2500 lbs fase 1. 8000lbs total 1-4• No NH3 en cuarto de congelados ni área de despacho• Reducción de los costos operativos.



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Caso studio No 1 – Centro de Distribución

Componentes Principales – Lado CO2:• Dos(2) Compresores de CO2 309TR a -30/20°F• Una(1) Unidad de Recirculación Vertical de 60”Ø con dos (2) bombas de10 H350 psig DWP• Una(1) Unidad de recirculación horizontal 54”Ø para alta temperatura. • Ocho(8) Evaporadores tipo pent-house, 290TR at -30/-20°F

• Once(11) evaporadores, 165TR a +20/+35°

F,•Dos(2) Condensadores de CO2 casco y placa, 595TR a 20°F• Tubería en Techo, dimensionada para todas las fases• Válvulas, reguladores etc. para 600 psig• Actual Carga de CO2 = 25000 lbs

Componentes –

lado NH3:• Dos(2) NH3 compresores 529TR a11/95°F• Un(1) Condensador Evaporativo• Un(1) recibidor presión controlada a 55°F• Actual carga de NH3 = 2500 lbs



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Caso Estudio No 2 – Congelación Camarón

Información Principal:• 2200 lbs de camarón por hora• Un(1) Congelador continuo, -52F temp. aire• Un(1) endurecedor, -52F temp. aire• 82 TR a -63°F temperatura evaporación

• Unidad paquete CO2 / NH3 en cascada.

Porque CO2?•Bajo costo inicial de instalación• Bajo costo operativo



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Caso Estudio No 2 – Congelador de Camarón

82TR @ -63/20F

200HP VFD

113TR @ 13/95F

200HP VFD

1TR R134a

36” HPR with

2 x 5 HP pumps

70 TR belt freezer

10 TR after freezer

-63F evap / -52F air

Water defrost

115TR @ 13/20F


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Sistemas en Cascada- Conclusiones

• Sistemas de Amoniaco/CO2 serán losmas usados en Refrigeración Industrialdebido a: – Bajos Costos operativos en baja

temperatura – Bajo Costo inicial (costo-beneficio)

– Amoniaco confinado a salas de maquina

– Solo CO2 en almacenes de congelado

– Sistema seguro y confiable

– Fácil servicio y mantenimiento.

I t l i I d t i l A i /CO2 Si t C d


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Sistema en Cascada

MUCHAS GRACIAS!

PREGUNTAS???

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