Cascada NH₃/CO₂: cómo funciona y cuándo usarla

El frigorista industrial español llevaba veinte años montando casi siempre lo mismo en nuevos proyectos de frío negativo: amoniaco en doble etapa, central de tornillos, líneas inundadas, separadores grandes y cientos de kilos de NH₃ en planta. Funciona. Pero acumula tres problemas: termodinámica que se complica por debajo de −30 °C, cargas elevadas de un refrigerante tóxico y, desde 2024, una presión regulatoria y aseguradora que empuja a reducir esas cargas. La cascada NH₃/CO₂ es la respuesta más madura a los tres a la vez. Y por eso se ha vuelto el estándar.

En este artículo desmontamos el sistema: qué le pasa al amoniaco solo en frío negativo, qué aporta el CO₂, cómo se conecta todo, cuándo compensa de verdad y dónde están las trampas. Con dos diagramas propios, tabla comparativa y los errores de proyecto que seguimos viendo en 2026.

¿Qué es un ciclo de refrigeración en cascada?

Un ciclo en cascada son dos ciclos frigoríficos independientes conectados por un intercambiador. El de baja temperatura enfría el producto, y el calor que saca no lo tira al exterior: lo condensa contra el evaporador del ciclo de alta temperatura, que es el que lo lleva al condensador de fuera. Cada ciclo tiene su propio refrigerante, su compresor y su aceite, y los dos fluidos no se tocan nunca.

Se hace en cascada cuando un solo refrigerante no puede cubrir con buena eficiencia todo el salto entre la temperatura del producto y la del ambiente: o por presiones (vacío abajo, presiones excesivas arriba), o por relación de compresión y temperatura de descarga. Repartir el salto entre dos fluidos permite que cada uno trabaje en su zona buena.

La diferencia con una doble etapa es que esta usa un solo refrigerante y dos compresores en serie dentro del mismo circuito; la cascada usa dos circuitos y dos refrigerantes. Están comparadas con números en el artículo de ciclos frigoríficos.

Tres ideas para empezar

1. Una cascada NH₃/CO₂ son dos circuitos separados, no uno solo con dos gases. NH₃ trabaja en la etapa alta, CO₂ en la baja, y un intercambiador en el medio los une sin que se mezclen.
2. La razón de fondo es que el NH₃ se porta mal por debajo de −33 °C: entra en presión de vacío, las tuberías crecen, los compresores se vuelven enormes y la temperatura de descarga sube demasiado. El CO₂ por debajo de −30 °C, en cambio, funciona casi mejor que arriba.
3. Cascada compensa en frío negativo industrial de media-alta capacidad (típicamente más de 100 kW frigoríficos a temperaturas de evaporación de −30 a −55 °C). Para frío positivo solo, no. Para muy pequeñas capacidades, tampoco.

Por qué un solo refrigerante no llega

Cualquiera que haya montado una instalación de amoniaco conoce la cifra: −33,3 °C es el punto de ebullición del NH₃ a presión atmosférica. Por encima de esa temperatura, todo funciona con presiones positivas razonables: 2,3 bar a −15 °C, 11,7 bar al condensar a +30 °C. Por debajo, la presión de evaporación baja del bar absoluto y el evaporador entra en vacío. Esto trae tres problemas reales que se ven en planta:

• Entrada de aire e incondensables. Cualquier microfuga en el lado de baja, que con presión positiva soltaría amoniaco a la atmósfera (y se detectaría rápido por olor), con presión negativa hace lo contrario: mete aire al circuito. Los incondensables se acumulan en el condensador y la presión de condensación sube. Un evaporador en vacío durante meses es una de las causas más habituales de pérdida progresiva de rendimiento.
• Volumen específico altísimo. A −40 °C, el vapor de amoniaco saturado tiene un volumen específico cercano a 1,5 m³/kg. Comparado con los 0,06 m³/kg del CO₂ a la misma temperatura, eso es 25 veces más vapor para mover el mismo kilo. En la práctica significa tuberías de aspiración mucho más grandes, compresores con desplazamientos enormes y problemas de retorno de aceite.
• Temperatura de descarga. El NH₃ tiene una de las temperaturas de descarga más altas del catálogo de refrigerantes. A relaciones de compresión típicas de cascada baja-alta presión (de −40 °C a +35 °C en una sola etapa), la descarga supera los 180 °C. Eso obliga a doble etapa, inyección de líquido, aceites especiales y desgaste prematuro de las válvulas de descarga.

La solución histórica fue el amoniaco en doble etapa con interenfriador. Sigue siendo válida hasta unos −40 °C de evaporación si la capacidad es grande y la planta tolera la carga de NH₃. Por debajo de eso, o si se quiere bajar la carga de amoniaco, la cascada gana por puntos.

CO₂: el complemento natural

El R-744 (CO₂) tiene exactamente las propiedades inversas al NH₃ en la zona donde NH₃ flojea. Su curva de saturación se cruza con la del NH₃ en torno a −30 °C: por debajo, las presiones del CO₂ son altas pero manejables; las del NH₃ son ridículamente bajas. Por encima, la cosa se invierte.

Lo que vemos en el gráfico es la base termodinámica de la cascada: cada uno trabaja donde el otro flojea. Concretamente:

• El CO₂ a −40 °C tiene una presión de saturación de unos 10 bar absolutos. Comparada con los 0,72 bar del NH₃ a la misma temperatura, hablamos de presiones 14 veces superiores. Eso, lejos de ser un problema, es una ventaja: implica volúmenes específicos pequeños, tuberías delgadas, compresores compactos y, sobre todo, presión positiva siempre.
• El NH₃ por encima de +30 °C condensa cómodamente contra agua o aire ambiente. El CO₂, por el contrario, no puede condensar por encima de +31 °C porque ahí queda su punto crítico. En verano español, condensar CO₂ directamente contra aire es complicado.

La cascada aprovecha lo mejor de cada uno: NH₃ arriba, conectado al condensador exterior; CO₂ abajo, conectado al producto. El truco está en el intercambiador que los une.

El ciclo, paso a paso

A continuación, el esquema del ciclo en una configuración típica para túnel IQF o cámara de congelados a unos −38 °C de cámara, con −45 °C de evaporación del CO₂.

Lo que se ve en el esquema, traducido a operación:

1. El compresor de CO₂ aspira vapor saturado a unos −45 °C y 8,6 bar absolutos, y lo descarga a unos −3 °C y 31 bar. Es una sola etapa con relación de compresión moderada (≈ 3,6), muy lejos de los problemas de descarga del NH₃ a esta temperatura.
2. El CO₂ caliente entra en el intercambiador cascada, donde condensa cediendo calor al amoniaco. La temperatura de condensación del CO₂ suele estar en el rango de −5 a −10 °C, con un pinch de 3 a 7 K respecto a la evaporación del NH₃ en el otro lado del intercambiador.
3. El CO₂ líquido sale del intercambiador y pasa por la válvula de expansión, perdiendo presión hasta unos 8,6 bar absolutos y entrando al evaporador del producto (cámara, túnel, placas) a −45 °C. Allí absorbe el calor de congelación y vuelve al compresor.
4. En paralelo, el compresor de NH₃ aspira vapor a unos −8 °C y 3,1 bar y lo descarga a unos +95 °C y 12,9 bar. La descarga, aunque alta, se mantiene en rango aceptable porque la temperatura de aspiración (−8 °C) es muy benigna comparada con la de un NH₃ doble etapa convencional.
5. El NH₃ caliente condensa en el condensador exterior (típicamente evaporativo en plantas industriales) a +35 °C, expande, y vuelve al intercambiador cascada para absorber calor del CO₂ y cerrar el ciclo.

Detalle importante: la carga total de NH₃ baja drásticamente respecto a un sistema NH₃ convencional. En un NH₃ inundado tradicional, las cargas típicas son de 5 a 15 kg por kW frigorífico instalado. En una cascada NH₃/CO₂ bien diseñada, el lado NH₃ está confinado a la sala de máquinas (intercambiador, recipientes y tuberías cortas) y la carga baja a 0,3-1 kg por kW. Para una planta de 300 kW de capacidad frigorífica, eso son 90-300 kg de NH₃ frente a los 1.500-4.500 kg de una instalación tradicional. Esto cambia todo: clasificación de la sala, seguros, formación, distancias mínimas a actividad industrial.

El intercambiador cascada: tipos y cómo se dimensiona

El intercambiador cascada (en inglés, cascade condenser) es a la vez el condensador del CO₂ y el evaporador del amoniaco. Es la única pieza que toca los dos circuitos, y de él depende la eficiencia de toda la instalación y buena parte de su seguridad.

• Placas semisoldadas. Las placas van soldadas por parejas y la junta queda hacia el exterior. Si algo falla, la fuga sale a la atmósfera en lugar de mezclar los dos fluidos. Es la opción más extendida en cascadas medianas.
• Placas en carcasa (plate & shell). Paquete de placas soldadas dentro de una carcasa a presión. Aguanta bien presiones altas y ciclos térmicos, y encaja con un lado amoniaco inundado o en termosifón.
• Carcasa y tubos. La solución clásica, robusta y fácil de inspeccionar, pero más voluminosa y con más carga de refrigerante.

Tres datos de dimensionado que conviene revisar en cualquier oferta:

1. Salto de temperatura (pinch) entre la condensación del CO₂ y la evaporación del NH₃. Los fabricantes de placas trabajan con 2 a 3 K de aproximación; en proyecto, lo razonable es dejar entre 4 y 6 K. Por debajo de 3 K el equipo se dispara de tamaño y el control se vuelve inestable (es el primer error de la lista de más abajo).
2. Presión de diseño de cada lado. En las referencias publicadas por fabricantes, el lado CO₂ se diseña a entre 40 y 52 bar y el lado NH₃ a entre 12 y 22 bar. El lado CO₂ tiene que cubrir también la subida de presión en parada, que se explica en la sección de la sala de máquinas.
3. Materiales. Acero inoxidable o acero al carbono: el cobre y sus aleaciones no son compatibles con el amoniaco.

NH₃/CO₂ en cascada o con CO₂ bombeado: no es lo mismo

Cuando se habla de «NH₃/CO₂» puede ser una de dos instalaciones diferentes:

• Cascada: el CO₂ tiene sus propios compresores. Evapora a una temperatura más baja que la del intercambiador y se comprime hasta condensar en él. Es lo que se ha descrito hasta aquí y lo que permite llegar a −45 o −50 °C sin poner el amoniaco en vacío.
• CO₂ bombeado (salmuera volátil): no hay compresores de CO₂. El amoniaco condensa el CO₂ en el intercambiador, una bomba lo manda líquido a los evaporadores y el CO₂ vuelve medio evaporado al recipiente. Evapora a la misma presión a la que condensa, así que funciona como un glicol, pero aprovechando el calor latente: mucho menos caudal bombeado y tuberías más finas.

En ambos casos el amoniaco se queda en la sala de máquinas y por las cámaras solo circula CO₂, que es lo que permite bajar la carga de NH₃.

Cuándo cascada NH₃/CO₂ es la decisión correcta

La cascada es excelente, pero no para todo. Si solo necesitas frío positivo, sobra una etapa entera. Si tu capacidad es pequeña, la complejidad y el coste fijo de tener dos circuitos no compensan. Esta es la guía rápida de decisión por escenario:

Lo que cambia en la sala de máquinas

Diseñar una cascada no es duplicar una instalación NH₃ y añadir un circuito de CO₂. Hay cinco cambios que afectan al proyecto y al día a día de mantenimiento.

1. Clasificación de la sala según RSIF

El NH₃ es refrigerante del grupo L2 (ligeramente tóxico, ligeramente inflamable) en la clasificación del Real Decreto 552/2019 (RSIF). Eso significa que, aunque la carga sea baja, la sala de máquinas tiene que cumplir la IT IF-07, apartado 6 (salas de máquinas específicas para refrigerantes L2). Esto incluye ventilación dimensionada, detección de NH₃ con dos umbrales, parada de emergencia, alumbrado de emergencia, puertas que abren hacia el exterior y separación física de otras actividades. El CO₂ por su parte es A1: no inflamable, no tóxico, pero asfixiante en altas concentraciones. Necesita su propia detección y ventilación en cámaras.

2. Aceites y miscibilidad

NH₃ y la mayoría de los aceites no son miscibles, lo que obliga a separadores de aceite de gran eficiencia y a sistemas de retorno de aceite cuidadosos. Habitualmente se usan PAO sintéticos (Polyalfa-Olefinas) o aceites minerales muy ligeros. En el lado CO₂, la elección es distinta: los POE (polioléster) son los aceites estándar, miscibles con CO₂ y diseñados para resistir las presiones de trabajo. No se pueden mezclar: si un aceite migra del circuito CO₂ al NH₃ (lo cual no debería ocurrir nunca porque son circuitos independientes, pero a veces pasa por error de mantenimiento), hay incompatibilidad química y formación de geles.

3. Presión de diseño del lado CO₂ en parada

Una cascada en marcha tiene el CO₂ a presiones manejables (30-40 bar). Pero en parada larga, si la sala se calienta, el CO₂ se calienta también. Si llega a +20 °C, su presión de saturación supera los 57 bar. Si llega a +30 °C, supera los 72 bar (y a +31 °C entra en supercrítico). Por eso el lado CO₂ se diseña habitualmente para una presión de trabajo de 40 bar en operación y de 52-60 bar de diseño (PED), con válvulas de seguridad y, en cascadas grandes, un sistema auxiliar de refrigeración de mantenimiento o un depósito tampón con capacidad suficiente para mantener la presión por debajo del límite en caso de parada prolongada.

4. Formación específica del personal

La certificación F-Gas no cubre amoniaco (el NH₃ no es gas fluorado), pero el RSIF exige formación específica para refrigerantes del grupo L2. Adicionalmente, el operador debe conocer las particularidades del CO₂: comportamiento al pasar la barrera del triple punto (formación de hielo seco si la presión cae por debajo de 5,18 bar), procedimientos de vaciado, evacuación y carga distintos de los de un HFC, riesgo de asfixia en cámaras frías.

5. Procedimiento de evacuación y carga

El CO₂ es muy sensible a la humedad. Una entrada residual de agua se convierte en hielo a las temperaturas de operación y obstruye válvulas, filtros y deshidratadores. Por eso el vacío en el lado CO₂ tiene que llegar como mínimo a 500 micrones (idealmente menos), mantenerse durante varias horas y verificarse con prueba de pérdida. El procedimiento de evacuación de un circuito CO₂ se parece más al de un sistema HFC bien hecho que al de un sistema NH₃, donde la humedad importa menos.

Comparativa rápida con las alternativas

Si la decisión es entre tipos de central de CO₂ (transcrítica con paralelo o eyectores, subcrítica, bombeado), lo tienes en tipos de centrales de CO₂: cuándo y para qué.

Para un proyecto de frío industrial nuevo en 2026, las opciones realistas son cuatro. Cada una con sus pros y sus contras:

Lo que la tabla no dice y conviene tener en cuenta: el transcrítico CO₂ funciona muy bien en supermercados y en climas atlánticos, pero en el interior peninsular, con veranos de +40 °C, la eficiencia se desploma porque el CO₂ no puede condensar y el ciclo se vuelve transcrítico (mucha potencia para muy poco frío). En esos climas, la cascada NH₃/CO₂ mantiene un COP estable porque siempre condensa por debajo del crítico gracias al amoniaco.

¿Cascada o amoniaco de baja carga?

Los sistemas de amoniaco de baja carga persiguen lo mismo que la cascada, menos amoniaco en planta, pero sin cambiar de refrigerante. En vez de grandes recipientes y líneas inundadas, trabajan con expansión directa, intercambiadores de placas y cargas ajustadas. Hay tres formatos habituales:

• Enfriadoras compactas de NH₃ con glicol o salmuera. El amoniaco no sale del equipo y las cámaras se enfrían con glicol. Son las de menor carga: un fabricante publica una enfriadora de 720 kW a −8 °C con 50 kg de NH₃ en dos circuitos, unos 0,07 kg/kW.
• Unidades de expansión directa (DX) de NH₃ repartidas. Varias unidades pequeñas, cerca de cada servicio, cada una con su carga. El mismo fabricante cita en torno a 0,3 kg/kW, y una instalación de túneles a −35 °C con 50 kg por cada sistema de 120 kW.
• Centrales de NH₃ de baja carga. Una sala de máquinas con DX o recirculación optimizada en lugar de inundado clásico.

Para comparar: una instalación inundada convencional ronda los 5 a 15 kg por kW, y una cascada bien diseñada, 0,3 a 1 kg/kW. En Europa, quedarse por debajo de 50 kg por circuito simplifica el transporte de equipos precargados y rebaja exigencias de diseño, porque la UNE-EN 378 fija los requisitos según la carga de cada circuito.

Lectura de friobase sobre cómo elegir: si la planta tiene un solo nivel de temperatura y no baja de unos −35 °C de evaporación, la baja carga de amoniaco suele ser más sencilla y más barata de mantener que una cascada, porque hay un solo refrigerante, un solo aceite y un solo procedimiento. Cuando hay congelación profunda, varios niveles de temperatura o mucha potencia en un solo punto, la cascada vuelve a ganar. La glicolada añade un salto de temperatura y bombeo, así que pierde algo de eficiencia frente a la DX.

Lo que cuesta y cuándo se paga

Como orden de magnitud para una instalación industrial de unos 300 kW frigoríficos a −38 °C de cámara, el sobrecoste de una cascada NH₃/CO₂ frente a un NH₃ doble etapa equivalente se mueve entre el 20 y el 30 % del CAPEX total. Más circuitos, más compresores, intercambiador adicional, tuberías para mayor presión, válvulas de seguridad de CO₂. Por contra, en OPEX, la cascada típicamente mejora el consumo eléctrico anual entre un 10 y un 18 % respecto al NH₃ doble etapa, dependiendo del perfil de carga y del clima. La amortización energética pura suele estar entre 4 y 7 años.

Pero la economía completa incluye otras dos partidas que casi siempre se olvidan en el cálculo inicial:

• Prima de seguro y responsabilidad civil. Una planta con 100 kg de NH₃ paga primas significativamente menores que una con 3.000 kg. Las aseguradoras lo notan, sobre todo después de los grandes siniestros con amoniaco de la última década.
• Distancias y limitaciones urbanísticas. Una instalación de baja carga de NH₃ a menudo permite ubicar la planta más cerca de zonas habitadas o de otras actividades industriales sensibles. Para algunos proyectos, esto es decisivo.

Cinco errores que se ven todavía en proyecto y montaje

Cinco preguntas que llegan siempre

Lo que haces este mes

Tres acciones concretas si tu próximo proyecto industrial cae en frío negativo:

1. Define las condiciones de proyecto con el cliente antes de hablar de tecnologías. Temperatura de cámara, temperatura de producto a la entrada y salida, carga térmica de pico, perfil de uso (continuo / turnos / estacional). Sin estos cuatro datos, cualquier comparativa entre cascada, NH₃ doble etapa, baja carga o transcrítico es teórica.
2. Pide siempre dos ofertas en paralelo para los proyectos por encima de los 150 kW. Una en cascada y otra en NH₃ tradicional o transcrítico, según el clima. La diferencia de CAPEX y la diferencia de OPEX estimada dan la curva de amortización real para tu caso, no la del catálogo del fabricante.
3. Si entras en cascada por primera vez, haz formación específica al equipo de mantenimiento antes de la puesta en marcha, no después. Los errores frecuentes (vacío insuficiente, deshielo mal proyectado, gestión de paradas largas) salen casi siempre del desconocimiento del comportamiento del CO₂, no del NH₃.

En las próximas semanas friobase va a entrar en detalle en los compresores de tornillo para industrial, en los aceites de NH₃ y CO₂, y en el procedimiento de vacío correcto antes de cargar amoniaco. Si quieres recibir el aviso, suscríbete a la newsletter.