2. –GASES REFRIGERANTES Ing. Luis Bocanegra Ortiz

luiseli2@yahoo.es

2.1 Cualidades de un buen refrigerante 2.2 Clasificación de los Refrigerantes y Designación de los Refrigerantes. 2.3 Comparación y selección de Refrigerantes 2.4 Gases Refrigerantes Ecológicos 2.5 Salmueras mezclas eutécticas 2.1 Cualidades de un buen Refrigerante Una sustancia puede absorber grandes cantidades de calor con un aumento de su calor sensible, si la diferencia de temperatura es grande o si el peso de la sustancia es elevado. Sin embargo, en un cambio de estado, una fracción del peso necesario para absorber cierta cantidad de calor sensible, absorberá una cantidad de calor latente equivalente. En la refrigeración mecánica se requiere un proceso que pueda transmitir grandes cantidades de calor económica y eficientemente, y que pueda repetirse continuamente. Los procesos de evaporación y condensación de un liquido son por lo tanto los pasos lógicos en el proceso de refrigeración. Prácticamente cualquier liquido puede ser usado para absorber calor por evaporación. El agua es ideal en muchos aspectos, pero hierve a temperaturas demasiado altas para usarse en operaciones de enfriamiento normales. Un refrigerante debe satisfacer dos importantes requisitos: 1) Debe absorber el calor rápidamente a la temperatura requerida por la carga del

producto. 2) El sistema debe usar el mismo refrigerante constantemente por razones de economía

y para enfriamiento continuo. No existe el refrigerante perfecto y hay una gran variedad de opiniones sobre cual es

el mas apropiado para aplicaciones especificas. 2.2 Clasificación de los refrigerantes Existen muchos tipos de refrigerantes, algunos de los cuales se usan comúnmente. En las primeras instalaciones de refrigeración se empleaban por lo general el amoniaco, el bióxido de sulfuro, el propano, el etano y el cloruro metílico, los cuales aun se usan en muchas aplicaciones. Sin embargo, debido a que estas sustancias son tóxicas, peligrosas o tienen características no deseadas, han sido reemplazadas por substancias creadas especialmente para usarse en refrigeración.

En trabajos a temperaturas extra bajas, o en instalaciones con grandes compresores centrífugos, se usan refrigerantes especiales, pero para refrigeración comercial normal y para aplicación de aire acondicionado que utilizan compresores de tipo reciprocante se usan casi exclusivamente los refrigerantes 12, 22, 502. Estos refrigerantes son llamados frecuentemente R-12, R-22, y R-502, y aunque originalmente fueron creados por Dupont como refrigerantes Freón, las numeraciones usadas son ahora comunes en todos los fabricantes. Compuestos Halocarbónicos Los grupos Halocarbónicos incluyen a los refrigerantes que contienen uno o mas de los siguientes halógenos: cloro, flúor y bromo.: Designación Numérica Número Químico Fórmula Química 11 Tricloromonofluormetano C Cl3 F 12 Diclorodifluormetano C Cl2 F 22 Monoclorodifluormetano C H Cl F2

R - 1 2 No de átomos de carbono - 1 No de átomos de Fluor No de Hidrógeno + 1 Compuestos inorgánicos: Muchos de los primeros refrigerantes eran compuestos inorgánicos: Designación Numérica Nombre químico Formula química 717 amoniaco NH3 718 agua H2O

729 Aire 744 Dióxido de carbono CO2 764 Dióxido de azufre SO2

Los dos últimos dígitos indican el peso molecular Hidrocarbonados: Muchos hidrocarbonados son adecuados como refrigerantes especialmente para operar en industrias de petróleo y petroquímicas. Designación Numérica Nombre químico Formula química 50 metano CH4 170 etano C2H6 290 propano C3H8

Sigue el mismo principio que el esquema de los halocarbónicos.

Azeotropos: Una mezcla azeotrópica de dos sustancias es aquella que no puede ser separada en sus componentes por destilación. Un azeótropo evapora y condensa como una sustancia simple, con propiedades diferentes de las de cada uno de sus componentes. El azeótropo más popular es el refrigerante 502, que es una mezcla de 48.8% de R-22 y 51.2% de R-115. 2.3 Comparación y Selección de Refrigerantes Algunas características termodinámicas y de eficiencia de varios refrigerantes comunes se presentan a continuación:

Las presiones, el efecto refrigerante, el flujo en volumen por unidad de capacidad de refrigeración y el coeficiente de eficacia (CDE) están basados en un ciclo de comprensión de vapor padrón con una temperatura de evaporación de –15°C y una temperatura de condensación de 30°C. Las presiones de operación deben ser bajas para los recipientes y tuberías que contienen los refrigerantes. Por otro lado, presiones debajo de la presión atmosférica, como ocurre en los evaporadores con R-11, tienen la desventaja de arrastrar el aire dentro de los evaporadores cuando ocurren fugas. Una relación de presión baja es deseable desde el punto de vista de cualquier tipo de compresor, sea alternativo, tornillo o centrifugo. El efecto de refrigeración puede ser a primera vista un buen indicador de la eficiencia del ciclo, pero esta propiedad necesita ser considerada en combinación con el trabajo de compresión. El refrigerante 717 (amoniaco), por ejemplo, tiene un efecto de refrigeración mucho mayor que los otros refrigerantes, entretanto el trabajo de comprensión de amoniaco es también alto de manera que su CDE es de la misma orden de magnitud que la de otros refrigerantes mostrados. El flujo de vapor en la aspiración por kilowatt de refrigeración influye en la tasa de bombeamiento y/o tipo de compresor. Los refrigerantes 22, 502, 717 presentan valores comparables, en cuanto el refrigerante 12 es menos denso que estos tres y requiere mayores flujos de vapor. El flujo elevado en volumen del refrigerante 11 lo hace indicado para el uso en compresores centrífugos.

Refrigerante Pev Pco Relación Efecto de Flujo de vapor CDEde Refrigeración en la Succión

(KPa) (KPa) Presión (KJ/Kw) p/Kw deRefrigeración

11 20.4 125.5 6.15 155.4 4.900 5.0312 182.7 744.6 4.08 116.3 0.782 4.7022 295.8 1192.1 4.03 162.8 0.476 4.66502 349.6 1308.6 3.74 106.2 0.484 4.37717 236.5 1166.6 4.93 1103.4 0.462 4.76

El coeficiente de eficacia, de un ciclo de refrigeración padrón usando el R-11 es mas alto que los otros, pero esta ventaja no es suficiente para permitir su utilización en cualquier sistema, excepto los que se utilizan en compresores centrífugos. Los CDE, de los refrigerantes 12, 22, y 717 son aproximadamente iguales, en cuanto al R-502 presenta el mas bajo CDE. Este ultimo presenta algunas ventajas que serán vistas mas adelante. Comparación Física y Química: Dos características importantes de los refrigerantes desde el punto de vista de seguridad son la inflamabilidad y toxicidad. De los refrigerantes nombrados anteriormente, el amoniaco es considerado infamable en una composición de 16 a 25% en volumen con el aire, en cuanto a los otros son considerados no inflamables. Con respecto a la toxicidad, el R-12 es considerado no tóxico en concentraciones hasta el 20%, por volumen para un periodo de exposición de menos de dos horas, en cuanto al amoniaco es apuntado como perteneciente al grupo de los refrigerantes perjudiciales o letales en concentraciones de ½ a 1% para exposiciones de ½ h de duración. Los refrigerantes 11, 22 y 502 están en una clase ligeramente más tóxica que el R-12. El hecho de que el refrigerante se mezcla con el aceite en un sistema, es un factor en su selección. No se espera ninguna reacción química entre el refrigerante y el aceite lubricante del compresor, pero la micsibilidad del aceite y el refrigerante son motivos de preocupación. En compresores alternativos y de tornillo un poco de aceite es arrastrado del compresor por el gas refrigerante de descarga. Este aceite pasa por el condensador y va hacia el evaporador, donde el refrigerante se evapora, dejando al aceite que reducirá la eficiencia de transferencia de calor del evaporador. Varios procedimientos están disponibles para evitar que el aceite llegue al evaporador. Un separador de aceite localizado en la línea de descarga remueve el aceite continuamente y retorna al compresor. El R-12 y el aceite son micsibles, el R-22 es parcialmente micsible y el amoniaco no es micsible con el aceite. El aceite en el evaporador de un sistema con R-12 no es tan perjudicial a la transferencia de calor como ocurre en un sistema con amoniaco, donde él se separa. El aceite puede ser drenado de evaporadores de amoniaco, pero en sistemas con R-12 las velocidades en la línea de succión necesitan ser altas para arrastrar el aceite de vuelta al compresor. La reacción de un refrigerante con el material usado en las tuberías, tanques y compresores en general no influyen en la selección del refrigerante, pero el refrigerante usado frecuentemente determina el material a emplearse en el sistema. Ciertos metales pueden ser atacados por refrigerantes; el amoniaco, por ejemplo, reacciona con el cobre, latón y otras aleaciones de cobre en la presencia de agua, el fierro y acero son por consiguiente usados en sistemas con amoniaco, los halocarbonados pueden reaccionar con zinc, pero no con cobre, aluminio, fierro o acero. Bajo presencia de pequeñas cantidades de agua, sin embargo, los halocarbonados forman ácidos que atacan la mayoría de los metales.

2.4 Gases Refrigerantes Ecológicos. Ciencia del Ozono En 1974, dos destacados científicos, los doctores Rowlan y Molina, propusieron la teoría de que la capa de ozono que protege a nuestro planeta de los rayos ultravioletas provenientes de la energía solar, estaba siendo afectada por gases emanados desde la tierra. Fue en la década de los 80’s cuando investigaciones de otras instituciones científicas y expediciones a los lugares mas afectados, confirmaron la hipótesis. Al fenómeno generado por estos descubrimientos se decidió llamar la ciencia de ozono o ciencia atmosférica. Una de las sustancias, los clorofluorocarbonos (CFC’s), debido a su gran estabilidad alcanzan los niveles altos de la atmósfera reaccionando con el ozono estratosférico, el cual se encuentra a mas de 10km sobre la superficie de la tierra. Ello origina que una mayor cantidad de rayos ultravioleta penetren en la atmósfera, afectando algunos sistemas biológicos. Protocolo de Montreal El 16 de setiembre de 1987, se firma en la ciudad de Montreal, Canadá, el documento que lleva este nombre. El objetivo dicho acuerdo es la regularización a la producción y consumo de sustancias agotadoras de la capa de ozono. El protocolo fue firmado por las autoridades respectivas de cada país siendo hasta ahora mas de 100 naciones quienes lo respaldarán. Dentro de los mecanismos del protocolo de Montreal, se encuentra estipulado que se dará un tratamiento especial a los países que consuman menos de 300gr per capita anual de CFC’s, concediéndoles 10 años más de plazo para la aplicación de las regulaciones. Los países que excedan de este nivel tienen como fecha límite para eliminar los CFC’s el 31 de diciembre de 1995. Programa de Eliminación GRUPO I: Anexo A GRUPO I: Anexo B GRUPO I: Anexo C

CFC 11 CFC 111 HCFC’s CFC 12 CFC 112 Hidroclorofluorcarbonos CFC 113 CFC 211 CFC 114 CFC 212 CFC 115 CFC 213 CFC 214

Otras sustancias se encuentran resumidas en el grupo II, incluyendo: tetracloruro de carbono, metilcloroformo, bromuro de metilo y halones (sustancias para eliminación Del fuego). En los países industrializados, los HCFC’s serán eliminados en el año 2015 en la fabricación de equipos nuevos y en el 2030 para servicio de equipo ya existente.

Factores Ambientales de Algunos Refrigerantes

ODP Factor de destrucción del ozono GWP Factor de calentamiento global GWP,TEWI o COP? GWP : Global warning potencial TEWI : Total equivalent warning impact COP : Coeficiente de performance

TEWI = GWP x M + () ()

GWP = GWP del fluido relativo al CO2 (GWP CO2 = 1) M = Masa total del refrigerante liberado (Kg.) = Cantidad de CO2 liberado en la generación de electricidad (KgCO2 / Kw-h) ( = 0 para hidráulicas) = Energía consumida por el sistema durante su vida útil (Kw-h)

Refrigerante ODP GWPCFC 11 1.000 1.000CFC 12 1.000 3.000

CFC 113 0.800 1.400CFC 114 1.000 3.900CFC 115 0.600 7.500

R 500 0.740 2.280R 502 0.310 5.000

HCFC 22 0.055 0.360HCFC 123 0.020 0.020HCFC 124 0.022 0.100HFC 143a 0.000 0.760HFC125 0.000 0.840

HFC 134a 0.000 0.250HFC 32 0.000 0.130

HFC 152a 0.000 0.030

Mezclas Quase-Azeotropicas (blends) Dentro de las mezclas que se perfilan como las más comerciales, tenemos al MP39 y MP66. Ambos para reemplazar al R-12. El MP39 es la alternativa en el uso de media temperatura, es decir en sistemas donde Tevap - 23°C (-10°F) y el MP66 en aplicaciones para Tevap -23°C

Temperatura glide” (Pto. de deslizamiento) Las mezclas de gases o “blends’’ generalmente no son mezclas azeotropicas, cambiando su composición a medida que cambian de estado (evaporación o condensación). Esto causa un cambio en la temperatura mientras esta evaporando o condensando a presión constante, este fenómeno se puede observar en evaporadores de expansión directa y condensadores y es llamado temperatura “glide’’ En el evaporador el punto de ebullición se incrementa entre 4 a 5°C entre la entrada y salida del evaporador para las mezclas MP. En el condensador la temperatura de condensación decrece 4 a 5°C entre la entrada y salida del condensador. Efecto de Fugas en el comportamiento del sistema El problema principal de las mezclas quasiazeotropicas radica en el fraccionamiento que sufre durante los cambios de estado, y si se produjera una fuga durante este proceso, el gas residual probablemente tendría otra composición. Pruebas experimentales han demostrado que fugas y recargas sucesivas afectan la eficiencia del sistema. Un método de solución para este problema seria una carga nueva de gas refrigerante.

P

h

Ponto deorvalhoPonto de bolha

ToTb

To

Tb

Refrigerantes Secundarios: Salmueras Los refrigerantes secundarios (también llamados fluidos de transferencia de calor o salmueras) pueden ser divididos en los siguientes grupos: a) Agua b) Salmueras c) Compuestos halocarbonados d) Alcoholes y glicoles e) Especiales

Cuando la temperatura del refrigerante secundario no requiere ser menor que 3 a 5°C y si existen las precauciones para no llegar a temperaturas de 0 a 3°C se puede usar agua como refrigerante. Si la temperatura del refrigerante es menor de 0 a 3 °C es necesario usar un refrigerante secundario con punto de congelamiento mucho menor que la temperatura a la que la salmuera va a ser usada con la finalidad de que el hielo no se forme en el evaporador. El refrigerante secundario de esta naturaleza es generalmente conocido como “salmuera’’, aunque esta descripción es correcta cuando es aplicada a soluciones con sal común (NaCl) en agua. Campo de Aplicación: Podemos mencionar las siguientes aplicaciones: a) Congelamiento de hielo en bloques y otros productos por inmersión en

salmuera.

b) Acumulación de frío por congelamiento de hielo

Las salmueras más usadas son soluciones acuosas: Cloruro de Sodio NaCl Cloruro de Calcio CaCl2 Propileno Glicol C3H6 (OH)2 Etileno Glicol C2H4 (OH)2

Temp. C Temp. F 141b 123 11 134a 12 22 502 13 503-101.1 -150.0 29.6 29.4 29.1 20.9 16.9-90.0 -130.0 29.4 29.1 28.5 27.8 11.5 3.5-84.4 -120.0 29.1 28.6 27.7 26.7 4.5 3.1-73.3 -100.0 29.7 28.0 27.0 25.1 23.3 7.6 16.9-62.2 -80.0 29.7 29.5 25.7 24.1 20.2 17.2 22.5 37.7-51.1 -60.0 29.5 29.4 29.1 21.6 19.0 11.9 7.2 43.9 67.3-40.0 -40.0 29.0 28.8 28.3 14.7 11.0 0.6 4.1 73.3 107.8-34.4 -30.0 28.6 28.3 27.7 9.7 5.5 4.9 9.2 91.6 132.8-31.6 -25.0 28.3 28.1 27.4 6.8 2.3 7.5 12.1 101.7 146.7-26.1 -15.0 27.7 27.3 26.5 0.0 2.5 13.2 18.8 123.9 177.1-20.5 -5.0 26.9 26.4 25.3 4.1 6.7 20.1 26.7 149.1 211.6-15.0 5.0 25.8 25.2 23.9 9.1 11.8 28.3 35.9 177.4 250.5-9.4 15.0 24.5 23.7 22.1 15.1 17.7 37.8 46.5 209.1 294.1-3.8 25.0 22.8 21.8 19.8 22.1 24.6 48.8 58.8 244.4 342.8-1.1 30.0 21.8 20.7 18.5 26.1 28.5 54.9 65.6 263.5 369.34.4 40.0 19.5 18.1 15.5 35.0 37.0 68.5 80.5 304.8 426.67.2 45.0 18.1 16.6 13.8 40.0 41.7 76.1 88.7 327.1 457.5

10.0 50.0 16.7 15.0 12.0 45.4 46.7 84.1 97.4 350.4 490.218.3 65.0 11.5 9.0 5.3 64.0 63.8 111.3 126.7 428.1 598.721.1 70.0 9.4 6.6 2.7 71.1 70.2 121.4 137.6 456.826.6 80.0 4.8 1.3 1.6 86.7 84.2 143.7 161.2 519.429.4 85.0 2.3 0.9 3.2 95.2 91.7 155.7 174.035.0 95.0 1.7 4.2 6.8 113.9 108.2 181.8 201.440.5 105.0 4.8 8.1 10.9 134.9 126.4 210.8 231.746.1 115.0 8.4 12.6 15.7 158.4 146.5 242.8 264.951.6 125.0 12.4 17.7 21.1 184.5 168.6 278.1 301.354.4 130.0 14.6 20.5 24.0 198.7 180.5 297.0 320.060.0 140.0 19.3 26.7 30.5 229.2 205.9 337.4 362.6

TABLA DE PRESION - TEMPERATURAS

Números en rojo indican vacío en pulgadas de mercurio

ASHRAE Marca Registrada Reemplaza Tipo Lubricante AplicaciónR507 AZ 50 R 502 Azeotrópico Poliolester Equipos Nuevos

(125/143) HCFC 22 y recargadosR404a R404a R 502 Mezcla Poliolester Equipos Nuevos

(125/143a/134a) HP62 HCFC 22 y recargadosR134a HFC 134a CFC 12 Fluido Poliolester Equipos Nuevos

Puro y recargadosR123 HCFC 123 CFC 11 Fluido Alquilbenceno Compresores

Puro Mineral CentrífugosR 410a AZ 20 HCFC 22 Mezcla Poliolester Equipos Nuevos(32/125) AzeotrópicaR 407c 407c HCFC 22 Mezcla Poliolester Equipos Nuevos

(32/125/134a) 9000 y recargados

ASHRAE Marca Registrada Reemplaza Tipo Lubricante AplicaciónR 402a HP 80 R 502 Mezcla Alquilbenceno Recargas

(22/125/290) HCFC 22 PoliolesterR402 b HP 81 R 502 Mezcla Alquilbenceno Máquinas

(22/125/290) HCFC 22 Poliolester de hieloR401a MP39 CFC 12 Mezcla Alquilbenceno Recargas

(22/152a/124) Poliolester (Tev mayor -10F)R401 b MP 66 CFC 12 Mezcla Alquilbenceno Recargas

(22/125a/124) Poliolester (Tev menor a -10F)

REFRIGERANTES ALTERNATIVOSReemplazos a Largo Plazo

Reemplazos Intermedios