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Refrigerantes y su Impacto Ambiental

PorRicardo R. Contreras

Universidad de Los AndesFacultad de Ciencias

Departamento de QuímicaLaboratorio de Organometálicos

1. Refrigerantes.

Un refrigerante es cualquier sustancia capaz de absorber calor de otra, v.gr., hielo, agua, aire, etc. Dado que la refrigeración mecánica se basa en la evaporación y la consiguiente condensación del fluido para absorber y disipar el calor.

1. Refrigerantes. Un refrigerante debe cumplir con:

Características físicas para que pueda repetir el ciclo líquido a gas y gas a líquido.Adecuada temperatura y presión de servicio (=> economía, dieño, construcción y operación)Buen efecto refrigerante.

2. Efecto de Refrigeración El efecto de refrigeración de un refrigerante se mide en función de la cantidad de calor que es capaz de absorber desde que entra al evaporador como líquido, hasta que sale como vapor.El efecto de refrigeración se resume como la diferencia entre el calor que contiene el líquido y el calor contenido en el vapor después de pasar por el evaporador.

3. Punto de Ebullición: El punto de ebullición de un refrigerante a la temperatura ambiente es fundamental a la hora escoger el equipo requerido y el tipo de servicio en el cual será utilizado.

Clasificación de Refrigerantes por P.F.:Temperaturas ultrabajas: < -65 ºFTemperaturas bajas: -65 ºF a –20 ºFTemperaturas intermedia: -20 ºF a +20 ºFTemperaturas altas: > +20 ºF

4. Coeficiente de Comportamiento:

El coeficiente de comportamiento (C.C.) de un refrigerante es la medida de su eficiencia en utilizar la energía gastada en el compresor, en relación con la energía absorbida durante la evaporación.Mientras menos energía necesite el refrigerante para comprimirse, mayor será el C.C. Del sistema.

5. Densidad:Si el refrigerante es de alta densidad, al fluir en las tuberías tendrá mayor fricción y, por tanto, una caída de presión. Por esto, los refrigerantes de baja densidad tiene más ventajas y pueden ser un factor importante a la hora de seleccionarlos.

6. Calor específico del líquido: El efecto refrigerante es igual al calor de evaporación menos el calor perdido en enfriar el líquido desde la temperatura al entrar en el evaporador a la temperatura final.Mientras más pequeño sea el calor específico del refrigerante líquido, mayor será el efecto de refrigeración.

7. Temperatura y Presión Crítica.El refrigerante debe tener una temperatura crítica mayor que la más alta temperatura al salir del compresor. De otra manera la condensación no es posible.

La temperatura crítica de la mayoría de los refrigerantes está por encima de la temperatura de condensación.

La presión crítica también debe estar por arriba de la presión de condensación.

8. Punto de Congelación.

Mientras que la mayoría de los refrigerantes tienen un punto de congelación menor que el punto de congelación del agua (-20 ºF a +10 ºF), cuando se requieren temperaturas extrabajas, se debe tener mucho cuidado al escoger el refrigerante.El punto de congelación de un refrigerante debe ser bastante menor que la más baja temperatura obtenida en el evaporador.

9. Estabilidad Química y Efecto de la Humedad

Los refrigerantes deben serEstables ante continuos cambios de presión y temperatura.Estables a la descomposición por contaminación con Aire, aceite o agua.No deben ser corrosivos. Alguno refrigerantes como el amoníaco reaccionan con la humedad formando el hidróxido de amonio de reacciona con las tuberías de Fe, Cu u aleaciones.

10. Relación Refrigerante – Aceite.

Los refrigerantes deben ser químicamente estables en presencia de aceites lubricantes, y no afectar las propiedades fisicoquímicas del lubricante.

11. Otras características

ToxicidadInflamabilidadDetección de fugasOlorCosto y Disponibilidad.

12. Refrigerantes. ClasificaciónGrupo Refrigerante Fórmula

I Amoniaco NH3

II Dióxido de Carbono CO2

III Dióxido de azufre SO2

Etano CH3CH3

Etileno CH2CH2

Propano CH3CH2CH3

Isobutano CH(CH3)3

IV

hidrocarburos

Butano CH3(CH2)2CH3

12. Refrigerantes. ClasificaciónG ru p o F a m ilia R e fr ig e ra n te F ó rm u la

C lo ro m e ta n o C H 3C l

C lo ro e ta n o C H 3C H 2C l

D ic lo ro m e ta n o C H 2C l2

D ic lo ro e te n o C H C lC H C l2

H id ro c a rb u ro s

C lo ra d o s

T ric lo ro e te n o C H C lC C l2

S e rie d e m e ta n o s

F re ó n 1 1 T r ic lo ro m o n o f lu o ro

m e ta n o

C C l3F

F re ó n 1 2 d ic lo ro f lu o ro m e ta n o

C C l2F 2

F re ó n 1 3 m o n o c lo ro tr if lu o ro m e ta n o

C C lF 3

F re ó n 1 4 te tra f lu o ro m e ta n o

C F 4

F re ó n 2 1 d ic lo ro m o n o flu o ro m e ta n o

C H C l2F

V

H id ro c a rb u ro s F lu o ra d o s

F re ó n 2 2 m o n o c lo ro d if lu o ro m e ta n o

C H C lF 2

12. Refrigerantes. ClasificaciónG ru p o F a m il ia R e f r ig e ra n te F ó rm u la

S e r ie d e e ta n o s

F re ó n 1 1 3 T r ic lo ro t r i f lu o ro e ta n o

C C l2 F C C lF 2

F re ó n 1 1 4 d ic lo ro te t ra f lu o ro e ta n o

C C lF 2 C C lF 2

S e r ie d e lo s B r o m u ro s

K u le n e 1 3 1 B r o m o t r i f lu o ro m e t a n o

C B rF 3

F re ó n 2 1 d ic lo ro m o n o f lu o ro m e ta n o

C H C l2 F

V

H id r o c a r b u r o s F lu o r a d o s

F re ó n 2 2 m o n o c lo ro d i f lu o ro m e ta n o

C H C lF 2

7 4 .2 % F re ó n 1 2

V I

A z e ó tr o p o s

C a r re n e 7

2 5 .8 % d if lu o ro e t a n o

O x id o n it ro s o N 2 O

F o rm a t o d e m e t i lo H C C O C H 3

E t i la m in a C H 3 C H 2 N H 2

V I I

O tr o s

M e t i la m in a C H 3 N H 2

12. Refrigerantes. ClasificaciónBióxido de carbono (CO2):

Su uso requiere de equipos muy pesados, en virtud de la excesiva presión que se requiere => alto costo.Es inodoros, incoloro.Es difícil detectar fugasNo es tóxico, sin embargo en grandes concentraciones causa muerte por sofocamiento.No es inflamable.Es químicamente estable (no es corrosivo).

12. Refrigerantes. ClasificaciónAnhídrido Sulfuroso (SO2):

IncoloroNo es inflamableSus fugas no perjudican los alimentos, al contrario los conservan.Combinado con aceites, produce un lodo que obstruye las tuberías.Es químicamente estable.Es muy tóxico, irrita membranas, mucosas y ojos.

12. Refrigerantes. ClasificaciónHidrocarburos

Incoloros

Muy inflamables y explosivos

No son tóxicos, pero si anestésicos

No son corrosivos

Son miscibles en aceites

13. Refrigerantes Clorofluorados, CFCs ó Freones:

Los CFCs, o freones, en un principio los desarrolló Thomas Midgley en la década de 1930 como unos sustitutos estables, no tóxicos y no inflamables del amoníaco gaseoso utilizado hasta elmomento en la refrigeración.


No son tóxicos, ni irritantes, o inflamables.En condiciones normales, no son corrosivos.Son incoloros, inodorosSon Químicamente estables.No afectan a los lubricantes ni son afectados ellos, aunque sean más o menos miscibles.Mientras mayor sea el número de hidrógenos, más inflamables serán.Tienen buenas cualidades térmicas.


Cl

ClF

Cl

��

Cl

ClF

F

��

F

ClF

F

��

F

FF

F

��

��

Cl

ClF

H

��

F

ClF

H

��

F

FF

H��

��

H

ClF

H

��

ClF

F

FCl

Cl

��

��

��

ClF

F

FF

Cl

��

��

R-11 R-12 R-13 R-14

R-21 R-22 R-23 R-31

H

HF

H

��

��

H

HCl

H��

��

40 R-41

R-113

R-114

CFCs

HCFs

R-114R-114

R-113R-113

R-134aR-134a

FH

H

FF

F

��

��

13. Refrigerantes CFCs, Halones y otros:R e frig e ra n te N o m b re Q u ím ic o F ó rm u la

G ru p o 1

C F C -1 1 T ric lo ro flu o ro m e ta n o C C l3F

C F C -1 2 D ic lo ro d iflu o ro m e ta n o C C l2F 2

G ru p o 2

H a lo n 1 2 1 1 B ro m o c lo ro d iflu o ro m e ta n o C F 2C lB r

H a lo n 1 3 0 1 B ro m o tr iflu o ro m e ta n o C F 3B r

H a lo n 2 4 0 2 D ib ro m o te tra flu o ro e ta n o C 2F 4B r2

G ru p o 3

C F C -1 1 3 1 ,1 ,2 -T ric lo ro tr if lu o ro e ta n o C 2F 3C l3

C F C -2 1 1 H e p ta c lo ro flu o ro p ro p a n o C 3F C l7

C F C -2 1 7 C lo ro h e p ta flu o ro p ro p a n o C 3F 7C l

G ru p o 4

T e tra c lo ru ro d e ca rb o n o te tra c lo ro m e ta n o C C l4

G ru p o 5

M e ti l C lo ro fo rm o 1 ,1 ,1 -tr ich lo ro e th a n o C 2H 3C l3

G ru p o 6

M e ti l B ro m u ro B ro m o m e ta n o C H 3B r

13. Refrigerantes Clorofluorados, CFCs ó Freones

Un gas refrigerante se comprime a líquido normalmente por un motor eléctrico y entonces circula por una espiral metálica de pequeño diámetro arrollada alrededor del espacio a ser enfriadoCuando se le permite al líquido expandirse a gas de nuevo, absorbe calor y enfría ese espacio.


El papel de los CFCs se ha extendido mucho en los últimos sesenta años. Además de su continua utilización en los frigoríficos y en los aparatos de aire acondicionado, se ha empleado también como:

Solventes.Propelentes de aerosoles para productos tales como laca del pelo y desodorantes.Agentes espumantes para aislamiento en la industria de la construcción y embalajes para alimentos precocidos.


Los CFCs más comunes y más utilizados son el Freón-11 CFCl3 y el Freón-12, ambos se producen por la acción del fluoruro de hidrógeno sobre tetracloruro de carbono como se representa en la ecuación:

Cl

ClCl

Cl

��

�� + HF ��

Cl

ClF

Cl

��

��

+ HCl100 ºC

[SbF 5]


La cloración de metano produce una mezcla compleja de los productos, mono-, di-, tri- y tetraclorados que pueden ser separados por destilación. Los metanos clorados sirven de punto de partida en la síntesis industrial de los CFs y HCFs :

H

HH

H

��

��Cl2 H

ClH

H

��

+ HCl

+ HCl

H

ClCl

H

��

��

Cl2 ��

+ HCl

H

ClCl

Cl

��

Cl2 ��

+ HCl

Cl

ClCl

Cl

��

Cl2 ��

Cloruro de metilo Cloruro de metileno Cloroformo Tetracloruro de carbono


La investigación desarrollada en el campo de los refrigerantes ha llevado a obtener otros tipos de compuestos como los HCFCs, compuestos parcialmente halogenados como el Refrigerante-22 CHClF2 o los HFC compuestos parcialmente halogenados que no contienen Cloro, elemento químico que como veremos más adelante ataca la capa de Ozono, entre éstos HFC tenemos al Refrigerante-134a CH2FCF3 .

14. Refrigerantes y la Capa de Ozono:

¿Como es que los CFCs, tan valiosos por su estabilidad, pueden ser responsables de la destrucción generalidad del ozono estratosférico? De hecho, tal y como predijo Mario J. Molina y F. Sherwood Rowland en 1974, es su estabilidad la que les hace ser tan peligrosos Los CFCs son virtualmente indestructibles en la troposfera (cerca del suelo) y por eso difunden muy lentamente a la estratosfera pueden ser degradados por la radiación ultravioleta en átomos de cloro libres y diversos radicales. Es este cloro atómico libre el que destruye al ozono.


El 98% de la luz Ultravioleta del sol de absorbe a través de la formación y destrucción del ozono atmosférico. El cambio global entre ozono y oxigeno es del orden de 300 millones de toneladas

por día.

El 98% de la luz Ultravioleta del sol de absorbe a través de la formación y destrucción del ozono atmosférico. El cambio global entre ozono y oxigeno es del orden de 300 millones de toneladas

por día.


Las reacciones anteriores ocurren en la estratósfera, zona de la atmósfera donde se encuantra la mayor concentración de ozono y

que es frecuentemente denominada ozonosfera.

Las reacciones anteriores ocurren en la estratósfera, zona de la atmósfera donde se encuantra la mayor concentración de ozono y

que es frecuentemente denominada ozonosfera.


Efecto de los CFCs (R-11) sobre el ozono estratosférico. Se ha estimado que por cada Cl se degradan 100 millones de moléculas de ozono, que son removidas de la atmósfera en prejuicio de la vida en la tierra.

Efecto de los CFCs (R-11) sobre el ozono estratosférico. Se ha estimado que por cada Cl se degradan 100 millones de moléculas de ozono, que son removidas de la atmósfera en prejuicio de la vida en la tierra.


El agujero de ozono del año 2000 ha sido uno de los más intensos que hasta ahora se ha registrado, alcanzó los 28 millones de Km2, tomada por la NASA el 9/09/2000, los colores azules más intensos representan las mayores reducciones de ozono

El agujero de ozono del año 2000 ha sido uno de los más intensos que hasta ahora se ha registrado, alcanzó los 28 millones de Km2, tomada por la NASA el 9/09/2000, los colores azules más intensos representan las mayores reducciones de ozono


Para evaluar el impacto que tienen sobre el ozono los CFCs, halones y productos similares se introdujo una nueva magnitud: el Potencial Destructor del Ozono (ODP). Se ha determinado en relación con el R-12, al que se ha dado arbitrariamente el valor de la unidad.

Potencial Destructor del Ozono (ODP).

Compuesto ODP Tiempo de vida (años)

R-11 0,9 65

R-12 1,0 120

R-113 0,8 90

R-114 1,0 180

R-115 0,6 380

Halón 1211 3 21

Halón 1301 13 110

R-123 0,02 1,7

R-22 0,055 15,8

R-134a 0,00 15,6

R-225ca 0,025 2,8

14. Estrategias para preservar la capa de ozono

Protocolo de Montreal y sus Enmiendas :

1987 - Documento original: Reducción escalonada de CFCs. Eliminación en un lapso de 5 años.

1990 - Enmienda de Londres: Eliminación total de CFCs adelantada a 1996 en países desarrollados. Reducción escalonada de HCFCs hasta su desaparición para el año 2030 en países desarrollados.

1995 - Enmienda de Viena: Desaparición de HCFCs para el año 2020. Incluye a países en desarrollo en programa de reducción de CFCs y HCFCs:

· 2010 Eliminación de CFCs.· 2015 Congelación de niveles de HCFCs.· 2040 Eliminación de HCFCs

Compromisos de reducción de sustancias destructoras del ozono (Protocolo de Montreal revisado)

Compuesto

Porcentaje de reducción en países desarrollados

Porcentaje de reducción en países en vías de desarrollo

CFC

100 % 1996

0% 1999 50% 2005 85% 2007

100% 2010 CCl4 100 % 1996 85% 2005

100% 2010 Halones 100% 1996 0% 1996

50% 2005 100 % 2010

Metil

cloroformo

100% 1996 0 % 2003 30 % 2005 70% 2010

100 % 2015 HBFC 100 % 1996 0% 2016

100 % 2040

HCFC

0% 1996 35 % 2004 65 % 2010 90% 2015

99,5 % 2020 100% 2030

0 % 2016 100 % 2040


Los 33 países de Latinoamérica y la región del Caribe ratificaron

tanto el Convenio de Viena de 1985, como el Protocolo de Montreal

de 1987. Muchos de ellos han ratificado las enmiendas de Londres,

1990, Copenhague, 1992, Montreal, 1997, y Beijing, 1999.

Solo cuatro países: República Dominicana, Guatemala, Honduras y

Surinam, no se han adherido a ninguna de las enmiendas, y en todo

el continente solo Chile ha firmado las cuatro.

Dentro de la política prevista en el Protocolo de Montreal para esta

región, se han comenzado ha realizar las primeras medidas de

control.


La mayor parte de los países Latinoamericanos ha respondido satisfactoriamentea los requerimientos del Protocolo de Montreal, reduciendo el consume de CFC, incluso en los plazos previstos.

La mayor parte de los países Latinoamericanos ha respondido satisfactoriamentea los requerimientos del Protocolo de Montreal, reduciendo el consume de CFC, incluso en los plazos previstos.

Expresado en volumen global, en rojo, países que han reducido su consumo. En azul, los que aún lo mantiene sobre las previsiones

Expresado en volumen global, en rojo, países que han reducido su consumo. En azul, los que aún lo mantiene sobre las previsiones

14. Estrategias para preservar la capa de ozono: Reciclaje de CFCs.

Tanques de recuperación y reciclaje de CFC. Esta actividad ha permitido recuperar cantidades de estos productos, evitando así su emsión a la atmósfera (Kali-Chemie

Tanques de recuperación y reciclaje de CFC. Esta actividad ha permitido recuperar cantidades de estos productos, evitando así su emsión a la atmósfera (Kali-Chemie

14. Estrategias para preservar la capa de ozono. Desarrollo de Refiregrantesalternativos:

Refrigerante Sustituto T ipo de G as

Com posición R-A / R -B / R -C

%

R-134a HFC 134a 100

M P39(401A) HCFC 22/152a/124 53/13/34

PM 66(401B) HCFC 22/152a/124 61/11/28

FX56(409A) HCFC 22/142b/124 60/15/25

R -12

G HG -12(406A) HCFC 22/142b/600a 55/41/4

AC9000 (407C) HFC 32/125/134a 23/25/52

AZ20(410A) HFC 32/125 50/50

R -22

KLEA-66(407C) HFC 32/125/134a 23/25/52

HP80(402A) HCFC 22/125/290 38/60/2

HP81(402B) HCFC 22/125/290 60/38/2

R69S(403A) HCFC 22/218/290 75/20/5

R69L(403B) HCFC 22/218/290 56/39/5

R -502

FX10(408A) HCFC 22/143a/125 47/46/7

R-600a = Isobutano (alternativa para R-12)

R-290 = Propano (alternativa para R-22 en A/A)

R-600a = Isobutano (alternativa para R-12)

R-290 = Propano (alternativa para R-22 en A/A)

14. Aplicaciones de HCFC y HFC (Ver Tabla EPA)

Nom bre del

Producto

Aplicaciones com o Refrigerante

Aplicaciones com o propelente

O tras aplicaciones

HFC-23

Baja Temperatura. Sustituye

a l CFC-113

HFC-125

Baja y media temperatura. Sustituye a

la mezcla CFC-502

HFC-134a

Refrigeración doméstica y comercia l. A/A para

automóviles. Sustituto del CFC-12

Espumas: poliestireno, poliuretano,

fenílicas

Propelente para productos

farmacéuticos en aerosol

HFC-152a

Media temperatura y A/A para automóviles.

Sustitu to del CFC-12


fenílicas

In termediario

químico

HCFC-22

Baja y media temperatura.

Refrigeración comercia l y A/A doméstico. Sustituye

a la mezcla CFC-502


fenílicas

Supresión de la llama en

aplicaciones de aerosol

HCFC-123

Refrigeradores de agua. Sustitu to del CFC-11


fenílicas

Componente de mezclas

limpiadoras

HCFC-124

Refrigeradores de agua. Sustitu to del CFC-114


fenílicas

14. Estrategias para preservar la capa de ozono. Desarrollo de Refrigerantes alternativos:

Amoniaco: Con el estado del arte actual del área de Máquinas y Herramientas, el desarrollo de nuevos materiales y tecnologías, el amoniaco podría ser un buen sustituto para los refrigerantes clorados, pues las eventuales fugas de este gas pueden ser manejadas por la Naturaleza (ciclo del nitrógeno).

14. Estrategias para preservar la capa de ozono. Volver a una Refrigeración más ecológica:

Refrigeración por Absorción.

El Agua como Refrigerante

El Amoníaco como Refrigerante

14. Refrigeración por absorción:Sistema Amoniaco / Agua

14. Refrigeración por absorción:Sistema Bromuro de Litio / Agua

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