CO₂ subcrític o transcrític: quin sistema frigorífic triar

El CO₂, que com a refrigerant s'anomena R744, pot treballar en sistemes subcrítics o transcrítics. La diferència és com evacua la calor: en un subcrític el CO₂ condensa per sota del seu punt crític; en un transcrític la part d'alta supera aquest punt i la calor es cedeix en un refredador de gas (gas cooler), sense condensació convencional.

Cap no és millor en termes absoluts. L'elecció depèn del procés, les temperatures, el clima, la potència, la recuperació de calor i el manteniment disponible.

Què és el R744 i per què es fa servir en fred industrial?

És diòxid de carboni utilitzat com a refrigerant: natural, sense fluor, amb potencial d'esgotament d'ozó nul i PCA de referència 1. Té classificació de seguretat A1 (baixa toxicitat i no inflamable), una capacitat frigorífica volumètrica alta que permet canonades més petites, bon comportament en baixa temperatura i la possibilitat de produir fred i calor amb el mateix sistema.

A canvi, treballa a pressions molt superiors a les dels HFC i necessita components específics. I encara que sigui A1, en concentracions altes desplaça l'oxigen. No convé escollir-lo només per ser natural: la configuració adequada depèn de cada instal·lació.

Què és el punt crític i per què canvia el disseny?

Per sota d'uns 31 °C i 73,8 bar, el CO₂ passa de gas a líquid condensant, com qualsevol refrigerant. Per sobre, desapareix la separació entre líquid i vapor i el fluid entra en zona supercrítica. Això obliga a substituir el condensador per un refredador de gas i a regular activament la pressió d'alta per optimitzar capacitat i eficiència. Per això la temperatura exterior pesa tant en un sistema que evacua calor a l'aire.

Com funciona el CO₂ subcrític en cascada?

En una instal·lació subcrítica tot el cicle queda per sota del punt crític. Per condensar el CO₂ per sota d'uns 31 °C cal un medi fred: el més habitual és una cascada, en què el CO₂ produeix fred en baixa temperatura i un segon circuit (amoníac, un A2L, un hidrocarbur o glicol fred) en recull la calor en un intercanviador que fa de condensador del CO₂ i d'evaporador del circuit superior. Així el CO₂ no condensa contra l'aire exterior i es manté subcrític encara que faci calor.

És molt freqüent en cambres i túnels de congelació, magatzems de congelat i cascades NH₃/CO₂ en indústria alimentària. Té pressions de disseny inferiors al transcrític i permet treure l'amoníac de les zones de treball i deixar-lo confinat a la sala de màquines. A canvi, són dues tecnologies amb controls coordinats, i una aturada del circuit superior fa pujar la pressió del CO₂: fins i tot aturat, el CO₂ confinat absorbeix calor de l'ambient.

Com funciona el CO₂ transcrític?

El compressor descarrega per sobre del punt crític i el refrigerant es refreda al refredador de gas sense canviar de fase. Després, una vàlvula d'alta pressió l'expandeix fins a un recipient intermedi: el líquid alimenta els evaporadors i el gas d'expansió es gestiona amb bypass, compressió paral·lela o ejectors. Regular bé la pressió del refredador de gas i del recipient és clau per a l'eficiència i l'estabilitat.

La configuració més estesa és el booster: una sola central atén mitjana i baixa temperatura, amb els compressors de baixa descarregant a l'aspiració de mitjana, tot amb CO₂ i sense un segon refrigerant. Va néixer als supermercats i avui s'aplica en centres logístics, plataformes de fresc i congelat i indústria alimentària, sobretot quan es pot aprofitar alhora fred, congelació i recuperació de calor.

CO₂ subcrític o transcrític: diferències principals

A quines pressions treballa i què passa en una aturada?

Alguns components transcrítics es dissenyen per a 140–150 bar, i els subcrítics treballen amb límits inferiors. Equips, canonades, vàlvules, soldadures i proves han de ser compatibles amb la pressió de disseny del circuit, inclosa la que s'assoleix en aturada: no n'hi ha prou que una connexió tingui el diàmetre adequat.

Quin sistema consumeix menys energia?

No hi ha un guanyador universal. El consum depèn de la temperatura exterior, les temperatures d'evaporació, la sortida del refredador de gas, les càrregues parcials, el perfil anual, la recuperació de calor i el control. Als mesos frescos el transcrític treballa a prop o per sota del punt crític i rendeix molt bé; a l'estiu, si no hi ha estratègia, l'eficiència cau. Compressió paral·lela, ejectors, refredament adiabàtic, subrefredament i pressió flotant corregeixen bona part d'aquesta penalització.

En climes com el de Lleida o Saragossa, amb estius molt càlids, un transcrític funciona, però cal dissenyar-lo per a aquest clima (ubicació del refredador de gas, hores càlides reals, adiabàtic, ejectors) i no copiar una configuració pensada per al nord d'Europa. Danfoss ha publicat un estudi de simulació amb dades climàtiques reals que ho il·lustra: la comparació sempre s'ha de fer per al clima, la potència i el perfil de cada projecte, amb una simulació energètica anual i no amb un punt nominal.

Es pot recuperar calor d'un sistema de CO₂?

Sí, i és una de les seves grans bases. La descàrrega d'un transcrític surt a temperatura alta i pot produir aigua calenta sanitària o de neteja, calefacció, preescalfament d'aigua de procés o calor per al desglaçament. El seu valor real depèn que la demanda de calor coincideixi en el temps amb la de fred, de la temperatura que calgui, de la distància al punt de consum i de l'acumulació. Una indústria que fa servir aigua calenta cada dia n'hi treu molt més profit que una altra amb demanda ocasional.

És segur el CO₂?

És A1 i no inflamable, però no està lliure de riscos: és incolor, no dona un senyal olfactiu fiable, és més dens que l'aire i s'acumula a les zones baixes, on pot causar asfíxia. Hi suma pressions elevades, risc de cremades per fred en descàrregues i expansió de líquid atrapat. Per això necessita detectors de CO₂ a l'altura adequada, alarmes, ventilació d'emergència, descàrregues conduïdes a lloc segur, vàlvules ben dimensionades i personal format. Com que no és un gas fluorat, no l'afecta la reducció d'HFC del Reglament F-Gas, però sí el RSIF (RD 552/2019), la normativa d'equips a pressió i la de prevenció de riscos.

Quan escollir subcrític, transcrític o una altra opció?

L'estudi ha de comparar solucions completes, no refrigerants solts, i basar-se en el cost total durant la vida útil: inversió, energia, manteniment, recuperació de calor i risc d'una aturada.

Projectes d'Isofred amb CO₂

Totes dues mostren la mateixa lògica: l'amoníac confinat a la sala de màquines per a les temperatures positives i el CO₂ en congelació. Pots veure aquests i altres casos als nostres projectes i a fred industrial per a logística.

Quins errors es repeteixen més amb el CO₂?

• Escollir-lo només perquè és un refrigerant natural, o confondre baixa toxicitat amb absència de risc.
• No estudiar què passa amb la pressió durant una aturada o un tall elèctric.
• Dimensionar amb una única temperatura exterior i ignorar el clima local.
• Instal·lar components sense prou pressió de disseny.
• No calcular el consum anual ni l'aprofitament real de la calor.
• Copiar una configuració de supermercat en una indústria amb un altre perfil de càrrega.
• Comparar només el preu inicial.

Preguntes freqüents

Quina diferència hi ha entre CO₂ subcrític i transcrític? En el subcrític el CO₂ condensa per sota del seu punt crític, normalment en cascada amb un altre refrigerant. En el transcrític la descàrrega supera aquest punt i la calor s'evacua en un refredador de gas, sense condensació convencional.

Quin consumeix menys? Depèn del clima, les temperatures, la configuració i la recuperació de calor. Cal simular el consum per al perfil anual real de la instal·lació.

El CO₂ és inflamable? No. És A1. Però desplaça l'oxigen, s'acumula a les zones baixes i pot causar asfíxia en concentracions altes.

L'afecta el Reglament F-Gas? No com als HFC, perquè no és un gas fluorat. La instal·lació sí que ha de complir el RSIF, la normativa d'equips a pressió i la resta de normes de seguretat.

Serveix el transcrític en climes càlids? Sí, amb un disseny adequat: compressió paral·lela, ejectors, subrefredament o refredament adiabàtic milloren molt el seu rendiment a l'estiu.

Nota tècnica: la configuració òptima depèn del procés, les temperatures, la potència, el clima, les hores de funcionament i la capacitat de manteniment. Aquest article és informatiu i no substitueix un càlcul frigorífic ni un projecte conforme al RSIF.