capitulo 4

Los refrigerantes son los fluidos de transporte que
conducen la energía calorífica desde el nivel a baja
temperatura [evaporador] al nivel a alta temperatura
[condensador], donde pueden ceder su calor.
Los atributos que deben considerarse en los sistemas
de compresión de vapor son:
• El punto de ebullición normal.
• El punto de condensación normal.
Ambos deben encontrarse a temperaturas y presiones
manejables y seguras para reducir los riesgos
de entrada de aire al sistema.
Adicionalmente, el punto crítico debe ser lo más
alto posible para hacer más eficiente el proceso de
evaporación.
Las propiedades térmicas deseadas en los
refrigerantes son:
• Presiones convenientes de evaporación y
condensación,
• Alta temperatura crítica y baja temperatura de
congelamiento,
• Alto calor latente de evaporación y alto calor
específico del vapor,
• Baja viscosidad y alta conductividad térmica
de la película.
Otras propiedades deseables son:
• Bajo costo.
• Químicamente inerte bajo las condiciones de
operación.
• Químicamente inerte con los materiales con
que esté construido el sistema de refrigeración.
• Bajo riesgo de explosión solo o al contacto
con el aire.
• Baja toxicidad y potencial de provocar
irritación.
• Debe ser compatible y parcialmente miscible
con el aceite utilizado en el sistema.
• Las fugas deben ser detectadas fácilmente.
• No debe atacar el medio ambiente ni actuar
como agente catalizador que deteriore el
equilibrio ecológico.
1 Refrigerantes
históricamente más
comunes
Los refrigerantes más comunes, empleados
tradicionalmente en refrigeración se mencionan a
continuación:
R11 [CFC11], (punto de evaporación 23,8ºC),
empleado en chillers centrífugos y como agente
espumante. SAO, cuya producción y empleo está
actualmente siendo eliminado progresivamente.
R12 [CFC12], (punto de evaporación - 29,8ºC),
se le ha empleado desde su desarrollo en una amplia
variedad de sistemas de refrigeración y A/A; conocido
como: Forane 12, Isotrón 12, Genetrón 12, Freón
12 o simplemente refrigerante F12; SAO, cuya producción
y empleo está actualmente siendo eliminado
progresivamente.
R22 [HCFC22], (punto de evaporación -40,8ºC),
empleado en A/A residencial. Si bien su PAO es
menor que el de los CFC, su producción y empleo
comenzará a reducirse a partir de 2016 y eliminada
después de 2040.
R502 [mezcla azeotrópica de R22 (48,8%) y
R115 (51,2%), (punto de evaporación -45,4ºC),
empleado en refrigeración industrial de baja temperatura.
Ya casi no se lo utiliza debido a su escasez.
Ha sido sustituido por otras mezclas con menor PAO.
R717 [NH3], amoníaco, (punto de evaporación -
33ºC) se ha usado desde un principio en una amplia
gama de aparatos y sistemas de refrigeración y
recientemente se le sigue empleando en grandes
instalaciones industriales y comerciales. Es tóxico, de
acción corrosiva sobre las partes de cobre, zinc o
sellos que contengan estos metales; tiene elevado
calor latente de evaporación, y relación de presiónvolumen
específico, convenientes.
R744, [CO2] dióxido de carbono, (punto de evaporación
-78.5ºC) fue usado mucho tiempo como
refrigerante seguro; la exposición en recintos cerrados
no es peligrosa a bajas concentraciones, pero
tiene el inconveniente de requerir elevadas presiones.
R764, [SO2] dióxido de azufre, (punto de evaporación
-10ºC) sólo se usó en pequeños equipos de
refrigeración. Es muy irritante y corrosivo y su uso en
grandes instalaciones resulta peligroso. Por tal razón
su uso fue discontinuado.
R40, [CH3Cl] cloruro de metilo, también conocido
como clorometano o monoclorometano, (punto
de evaporación -23.8ºC) fue usado en unidades de
aire acondicionado pequeñas y medianas. Es altamente
inflamable (temperatura de ignición 632ºC),
de uso altamente peligroso, anestésico en concentraciones
del 5 al 10% por volumen y fue reemplazado
por los CFC y HCFC. Pequeñas cantidades de
humedad en el sistema producen congelamiento en
la válvula de expansión.
CAPÍTULO IV GASES REFRIGERANTES
MANUAL DE BUENAS
PRÁCTICAS EN
REFRIGERACIÓN
28
2 Tipo de gases refrigerantes
y nomenclatura
2.1 Refrigerantes
halogenados
Llamados así por contener en su estructura
molecular átomos de cloro, flúor o ambos.
Sustituyeron a la mayor parte de los refrigerantes,
tales como el amoníaco [NH3], el anhídrido carbónico
[CO2], El dióxido de azufre [SO2], el cloruro de
metilo [ClCH3], el dicloroetano [C2H4Cl2], cuando
su aplicación cumplía los requerimientos del diseño
del equipo, tanto en temperaturas como presiones.
Son químicamente estables, de baja toxicidad,
con características térmicas muy buenas y hasta los
años 70 fueron considerados ideales para la refrigeración;
cuando las investigaciones sobre el daño
a la capa de ozono, los hicieron sospechosos de
participar en el proceso de degradación del ozono
estratosférico que protege al planeta contra la
radiación UV B proveniente del sol. Hoy en día esas
hipótesis han sido científicamente comprobadas.
Son derivados halogenados de los hidrocarburos,
muy estables a nivel troposférico, pero que se
descomponen en la estratosfera como resultado de la
acción combinada de la baja temperatura y la
radiación ultravioleta (especialmente en el casquete
polar antártico). Dada la importancia de su rol, a partir
de su invención (década de 1930) en el avance de
la industria de la refrigeración y hasta nuestros días,
nos detendremos a analizar cuidadosamente su
influencia tanto en la industria como en el ambiente.
Los refrigerantes basados en hidrocarburos halogenados
se designan con una letra "R" seguida de tres
números que indican:
" El primero, el número de átomos de carbono
menos 1.
" El segundo, el número de átomos de
hidrógeno más 1.
" El tercero, el número de átomos de fluor.
Ejemplo: Refrigerante R134a - FORMULA QUÍMICA:
C2H2F4
R > Refrigerante.
1 > Número de átomos de carbono [C2] menos 1.
(En el ejemplo: 2 átomos de carbono [C2] - 1 = 1).
3 > Número de átomos de hidrógeno [H2] más 1.
(En el ejemplo: 2 átomos de hidrógeno [H2] + 1 = 1).
4 > Número de átomos de fluor [F4].
a > Isómero del 134 (disposición de los átomos
diferente).
Los refrigerantes halogenados más comunes son
clorofluorocarbonos, hidroclorofluorocarbonos e
hidrofluorocarbonos.
2.1.1 Clorofluorocarbonos
[CFC]
R12 (CFC12), nomenclatura científica: diclorodifluorometano
[CFl2Cl2], fue sintetizado en 1928 por
científicos de una transnacional automotriz iniciando
su producción en 1936. Fue ampliamente utilizado
en casi todos los equipos de refrigeración doméstica
y aire acondicionado de vehículos. Aún es muy popular
en los servicios de reparación y justamente por
lo extensivo de su empleo, los instructores y técnicos
deben cerciorarse de que los participantes en los
talleres de capacitación sobre BPR asimilen los
conocimientos necesarios para evitar descargar voluntariamente
al aire los refrigerantes puros o contaminados
de los equipos en servicio o mantenimiento.
Su Potencial de Agotamiento del Ozono [PAO]
es igual a 1 para el Protocolo de Montreal, valor igual
al del CFC11, que fuera establecido como referencia
para la medición relativa de todas las SAO. Otras
entidades consideran que el valor es 0,82.
Otros CFC, igualmente importantes por su uso en
la industria son: CFC11, CFC113, CFC114, CFC115;
todos ellos con elevado PAO (entre 0.8 y 1), con características
de Vida Media Atmosférica [VMA] tan
alta como 50 años de permanencia para el CFC11,
102 años para el CFC12 y 85 años para el CFC113.
Estos gases han sido utilizados como espumantes,
propelentes de aerosoles, limpiadores en electricidad
y otras muchas aplicaciones.
2.1.2 Hidroclorofluorocarbonos
[HCFC]
R22 (HCFC22), nomenclatura científica: monoclorodifluorometano
[CHClFl2], Se comenzó a fabricar
en 1936, tiene un potencial de destrucción del
ozono [PAO] de 0,055. Es utilizado en sustitución
del amoníaco, especialmente en aire acondicionado
y refrigeración comercial.
Su bajo PAO, 18 veces menor al CFC12 y seis
veces menor al R502 (0,32), ha hecho que se le considere
para sustituirlos en ocasiones cuando sea posible
su aplicación como refrigerante de transición,
pero también dejará de fabricarse a partir del 1º de
enero de 2014 en la Unión Europea y el 1º de enero
de 2040 en los países firmantes del Protocolo de
Montreal amparados en el Artículo 5.
CAPÍTULO IV:
GASES
REFRIGERANTES
29
HCFC123 fue considerado sustituto ideal del
CFC11 en refrigeración (enfriadores), pero las características
de alta toxicidad lo han relegado a aplicaciones
de aire acondicionado central (compresores
centrífugos).
2.2 Mezclas
Pueden contener dos o más refrigerantes y
pueden ser zeotrópicas o azeotrópicas.
2.2.1 Mezclas zeotrópicas
Se identifican por un número de tres cifras que
comienza con la cifra "4", seguido de una letra para
diferenciar diversas proporciones de mezcla de las
mismas sustancias químicas, como por ejemplo:
R401A, R401B.
Están formadas por dos o más sustancias simples
o puras, que al mezclarse en las cantidades
preestablecidas generan una nueva sustancia la cual
tiene temperaturas de ebullición y condensación variables.
Para estas mezclas se definen el punto de
burbuja como la temperatura a la cual se inicia la
evaporación y el punto de rocío como la temperatura
a la cual se inicia la condensación. También se
requieren definir otras características como el
Fraccionamiento, que es el cambio en la composición
de la mezcla cuando ésta cambia de líquido a
vapor (evaporación) o de vapor a líquido (condensación),
y el deslizamiento de la temperatura, que
es el cambio de temperatura durante la evaporación
debido al fraccionamiento de la mezcla. Estas mezclas
aceptan lubricantes minerales, Alquilbenceno o
polioléster, según los casos, facilitando enormemente
el retrofit; ejemplos: R404A, R407A, R407B, R407C,
R410A, R410B.
Las mezclas zeotrópicas deben ser cargadas en
su fase de líquido en razón de la tendencia de fraccionamiento
en estado de reposo. Cuando se
requiere cargar en estado de vapor, debe recurrirse a
emplear un dispositivo intermedio de trasvase.
2.2.2 Mezclas azeotrópicas
Se identifican por un número de tres cifras que
comienza con la cifra "5", como por ejemplo: R502,
R500, R503. Están formadas por dos o más sustancias
simples o puras que tienen un punto de ebullición
constante y se comportan como una sustancia
pura (ver cuadro de refrigerantes), logrando con ellas
características distintas de las sustancias que las
componen, pero mejores.
El R502 es una mezcla azeotrópica de HCFC22
(48.8%) y CFC115 (51.1%). Ideal para bajas temperaturas
(túneles de congelamiento, cámaras frigoríficas
y transporte de sustancias congeladas). Posee
cualidades superiores al HCFC22 para ese rango de
trabajo. Posee un PAO de 0,32 pero tiene más elevado
potencial de calentamiento global (PCG) igual a
(5,1). La dificultad para conseguir CFC115 ha dificultado
su producción y facilitado la introducción de
mezclas sustitutivas, de entre las cuales la más adoptada
hasta ahora ha sido R404A.
2.3 Hidrocarburos y
compuestos inorgánicos
Basados en hidrocarburos saturados o insaturados,
los cuales pueden ser usados como refrigerantes solos
o en mezclas. Ejemplo: etano, propano, isobutano,
propileno y sustancias inorgánicas naturales.
Las sustancias inorgánicas naturales han sido
conocidas y su utilización se redujo con la aparición
de las sustancias halogenadas.
2.3.1 Hidrocarburos (HC)
Fueron usados por décadas como refrigerantes en
grandes plantas industriales (refinerías de petróleo,
petroquímica) así como en pequeños sistemas de
baja temperatura. Son compatibles con el cobre y los
aceites minerales, tienen buenas propiedades como
refrigerantes y algunos son excelentes alternativas
para sustituir el CFC12 y el HFC134a. Su impacto
ambiental es casi nulo comparado con los CFC, los
HCFC y los HFC.
El servicio de mantenimiento no difiere mucho
del practicado con el CFC12 o el HCFC22; salvo el
riesgo de inflamabilidad. Los técnicos de servicio
de mantenimiento y reparación con hidrocarburos
deben ser capacitados especialmente. El diseño y
construcción de los equipos para manejar hidrocarburos
debe considerar y aplicar todas las normas de
seguridad emitidas para tal propósito.
Propiedades de los hidrocarburos: comparados
con los halocarburos (CFC, HCFC y HFC), los hidrocarburos
usados como refrigerantes se distinguen por
las siguientes características:
• Calor latente de vaporización mayor.
• Densidad menor. (un sistema que originalmente
empleara CFC12 usaría el mismo volumen
de una mezcla 50/50(% en volumen) de
isobutano/propano, pero sólo pesaría el 41%
de la carga de CFC12.
MANUAL DE BUENAS
PRÁCTICAS EN
REFRIGERACIÓN
30
• Inflamabilidad: los hidrocarburos son inflamables
mezclados con aire, cuando la proporción
está dentro de ciertos límites de inflamabilidad
inferior [LFL (Lower Flamability
Level)], y superior [UFL (Upper Flamability
Level)]. Esa proporción varía para cada hidrocarburo
o para cada mezcla de hidrocarburos.
Un 1,93% de la mezcla de isobutano/propano
en el aire [LFL] es equivalente a 35 gr/m3, en
tanto que un 9.1% en el aire [UFL] es equivalente
a 165 g/m3.
Por seguridad no debería excederse un límite
práctico de 8 gr de mezcla 50/50 de
isobutano/propano por metro cúbico de aire, en un
espacio o habitación cerrados. El gas que se fuga
tiende a acumularse a bajo nivel (por densidad).
Para iniciar la combustión se necesita una fuente
de ignición: llama, chispa o electricidad estática. Es
improbable que la combustión ocurra en un sistema
cerrado o hermético porque no existe la proporción
necesaria HC/aire. Para que se cree una situación de
riesgo debe producirse una fuga de refrigerante a la
atmósfera de tal magnitud que alcance o sobrepase el
nivel del límite inferior de inflamabilidad [LFL] y que
esté presente una fuente de ignición.
Pureza de los HC como refrigerantes: deben ser
de alta pureza, con bajos niveles de contaminantes,
muy baja humedad y estar desodorizados.
Si la humedad presente en un sistema de refrigeración
satura el filtro secador se acelera la producción
de ácidos conduciendo al llamado baño metálico
en el compresor, en tanto que la presencia de
odorizantes ataca el bobinado del motor del compresor.
Lo anterior indica que sólo debe usarse HC
refrigerante especialmente identificado y aprobado
para tales propósitos.
PARÁMETRO VALOR
Grado de pureza Superior al 99,5%
Contenido de agua Máximo 10 ppm
Contenido de otros hidrocarburos Máximo 5000 ppm
Impurezas cloradas y fluoradas No debe contener
Especificaciones de un HC
para ser usado como refrigerante.
La mezcla 50/50 de Propano e Isobutano, es una
mezcla zeotrópica, tiene condiciones operativas
equivalentes al CFC12, con presión de condensación
menor y un coeficiente de desempeño [COP] superior
en 10%. El compresor es el mismo con pocos
pero fundamentales cambios en los componentes
eléctricos, por razones de seguridad.
El deslizamiento (diferencia de temperatura entre
el inicio de la evaporación y el fin), es de aproximadamente
8ºC, generando una formación no uniforme
de hielo en el evaporador.
Debemos recordar que esta mezcla es más densa
que el aire, lo cual obliga a ventilar cuidadosamente
los espacios cerrados o sótanos donde se opere con
esta. Además se requiere usar guantes y anteojos en
el proceso de manipuleo para evitar quemaduras
(Temperatura de evaporación= -31,5ºC).
Propano [R290], tiene capacidad volumétrica
superior al CFC12, lo cual requiere redimensionar el
compresor, y trabaja a presiones superiores, lo cual
incrementa el riesgo de fugas; por lo tanto no es un
sustituto del CFC12, aunque sí del HCFC22.
El uso de hidrocarburos como sustancias refrigerantes
requiere de una preparación mental enfocada
en la prevención de situaciones de riesgo, que
muchas veces escapan a la simple observación visual y
requieren de una investigación de condiciones del
entorno que puedan convertirse en detonantes de
una situación catastrófica por imprevisión. Por lo
demás, las técnicas de servicio no difieren de las
empleadas con gases no inflamables, con excepción
del énfasis que es necesario hacer en la prevención
de situaciones de riesgo de ignición de la sustancia
que pueda liberarse inadvertidamente. La combinación
del uso de gases inflamables en sistemas controlados
con circuitos eléctricos en el mismo equipo,
incrementa notablemente las probabilidades de accidentes
de trabajo con consecuencias serias, no solo
para el técnico sino para otras personas en el
entorno, además de los daños materiales que puedan
generarse.
Considerando lo dicho anteriormente, en Venezuela
no estamos aún preparados para entrar en la etapa de
utilización de hidrocarburos como refrigerantes.
Sí debemos tomar conciencia de las diferencias y
comenzar desde ya a preparar nuestras mentes para
asumir el reto del cambio a mediano plazo.
Mientras no se introduzcan en el mercado
equipos diseñados en base a estos refrigerantes y no
haya disponibilidad de hidrocarburos aprobados para
su uso como refrigerantes (grado de pureza y ausencia
de contaminantes que cumplan con las normas
para estos productos), no es una opción experimentar
con hidrocarburos comerciales (destinados al
empleo en cocinas domésticas y otras aplicaciones
donde estos productos son empleados como combustible)
pues estos no cumplen las exigencias de
calidad necesarias para su empleo en refrigeración y
los equipos de refrigeración existentes en el mercado
no han sido construidos con los recaudos necesarios
para prevenir una situación de riesgo implícita en el
uso de refrigerantes inflamables.
CAPÍTULO IV:
GASES
REFRIGERANTES
31
2.3.2 Compuestos
inorgánicos
Incluyen gases simples como el oxígeno [O2],
nitrógeno [N2], y compuestos inorgánicos como el
anhídrido carbónico o dióxido de carbono [CO2]
R744, agua [H2O], amoníaco [NH3] R717, y otros.
Anhídrido carbónico [CO2], R744
Es el refrigerante natural más económico, siendo
al mismo tiempo seguro por ser: inodoro, no inflamable,
no tóxico, químicamente estable y no tener efecto
sobre la capa de ozono. Sus características termodinámicas
hacen que se lo considere un refrigerante
con un coeficiente de desempeño bueno.
La baja temperatura de evaporación (-78,5ºC),
permite alcanzar temperaturas de congelamiento
10ºC menos que las normalmente usadas.
Además, tiene un rendimiento volumétrico
mucho mayor que el amoníaco, permitiendo
tuberías, condensadores y evaporadores de menor
tamaño.
Las principales desventajas consisten en que los
sistemas deben ser diseñados para alta presión, con
accesorios y equipos de control que prevengan el
aumento de la presión cuando el sistema se encuentre
en reposo.
Si observamos el gráfico de cambios de fase para
el R744, observamos las tres fases: sólido, líquido y
vapor. Los límites entre ellas representan los procesos
de cambio de fase: evaporación y condensación
para el límite entre las fases líquido y vapor (curva
de presión de vapor). El punto triple representa la
condición en que las tres fases pueden coexistir en
equilibrio. A temperaturas por debajo de la temperatura
del punto triple, no puede existir líquido. En
otras palabras, la temperatura del punto triple determina
la temperatura límite más baja para cualquier
proceso posible de transferencia de calor basado en
evaporación o condensación. En el otro extremo de
la curva de presión de vapor el punto crítico marca el
límite superior para los procesos de transferencia de
calor. A temperaturas por encima de la temperatura
crítica, todos los procesos de transferencia de calor
serán procesos dentro de una misma fase. El término
crítico no es empleado en el sentido de definición de
"peligroso" o "serio". Su uso indica una condición
límite, a partir de la cual la distinción entre líquido y
vapor se torna difícil.
La terminación de la curva de presión de vapor en
el punto crítico significa que a temperaturas y presiones
por encima de las que determinan este punto
no se puede distinguir claramente entre lo que se
define como líquido o vapor. Por lo tanto, existe una
región que se extiende indefinidamente hacia arriba
Características comparativas de algunos HC vs. CFC12 Y HFC134a.
Diagrama de cambios de fase del CO2 [R744].
PARÁMETROS CFC HFC Isobutano Mezcla 50/50 Propano
R12 R134a R600a Isobutano /Propano R290
Presión relativa de evaporación [Bar] 0,8 0,6 -0,1 0,65 1,9
(psig) (11,6) (8,7) (-1,5) (9,43) (27,5)
Presión relativa de condensación [Bar] 11,9 12,9 6,8 11,1 18,5
(psig) (173) (187) (99) (161) (268)
Relación de presiones 7,2 8,7 8,7 7,3 6,4
Coeficiente de desempeño (COP)
comparado con CFC-12 [Ref.] Ref. Inferior Igual Superior Igual
Capacidad volumétrica
comparada con CFC-12 [Ref.] Ref. Igual Inferior Igual Muy superior
Temperatura de descarga ºC 77 72 58 63 74
Temperatura de ebullición ºC -29,8 -15,1 -12 -31,5 -42
MANUAL DE BUENAS
PRÁCTICAS EN
REFRIGERACIÓN
32
e indefinidamente hacia la derecha del punto crítico
que es llamada la región de fluido. En el gráfico se
ha caracterizado a esta región entre dos líneas punteadas
que no representan transiciones de fase, sino
que separan el fluido supercrítico de lo que comúnmente
conocemos como vapor o líquido.
Todas las sustancias poseen un punto triple y un
punto crítico, pero para la mayoría de las sustancias
empleadas como refrigerantes, estos puntos se presentan
para condiciones que normalmente se presentan
fuera de la zona de aplicación. En la siguiente
tabla se comparan las presiones y temperaturas críticas
de algunos refrigerantes comunes.
Refrigerante Presión crítica Temperatura crítica
[bar] [ºC]
R22 49,9 96,7
R134a 40,6 101,1
R404A 37,3 72,0
R410A 49,0 71,4
R600a 36,4 134,7
R717 (amoníaco) 113,3 132,3
R744 (anhídrido
carbónico) 73,8 31,0
Propiedades críticas de algunos refrigerantes.
Los refrigerantes normalmente tienen temperaturas
críticas por encima de 90ºC, pero hemos seleccionado
algunos en la tabla (R404A y R410A y el
R744) cuyas temperaturas críticas están por debajo
de ese valor.
Para el R134a la temperatura crítica es 101,1ºC.
Esto significa que para este gas los procesos de intercambio
térmico por condensación pueden alcanzar
esa temperatura, la cual es suficientemente alta para
los procesos de intercambio térmico con el aire a
temperatura ambiente en la casi totalidad de sus
aplicaciones.
Para el R744 la temperatura crítica es de solo
31,0ºC. Esto quiere decir que los procesos de intercambio
térmico por condensación solo pueden
establecerse a temperaturas por debajo de esta, la
cual es mucho más baja que lo necesario para intercambiar
calor con el aire a temperatura ambiente en
muchas aplicaciones de refrigeración. Considerando
la diferencia de temperatura [?t] necesaria en un
intercambiador de calor, un valor práctico para el
límite superior de un proceso de intercambio de
calor basado en condensación para R744 debe fijarse
con temperatura ambiente de alrededor de 20ºC.
Para muchas aplicaciones de refrigeración la temperatura
ambiente está por encima de este valor práctico.
Sin embargo, ello no significa que el CO2 no
pueda ser empleado como un refrigerante en aplicaciones
que intercambian calor con el ambiente a
temperaturas por encima de 20ºC. El anhídrido carbónico
puede ser empleado como refrigerante en
estas aplicaciones, solo que el proceso de intercambio
térmico en estas aplicaciones no puede depender
del proceso de condensación.
En estas aplicaciones habrán dos ciclos de refrigeración
en el proceso: uno, en el que las presiones
en todas las etapas se mantendrán por debajo de la
presión crítica y otro, donde las presiones durante el
proceso de transferencia térmica se mantendrán por
encima de la presión crítica. Puesto que las presiones
en todas las fases del primer ciclo están por debajo
de la presión crítica, nos referimos a este como "proceso
de ciclo subcrítico". Cuando partes del proceso
cíclico se llevan a cabo a presiones por encima del
punto crítico y otras partes se efectúan por debajo de
este, nos referimos a este como "proceso de ciclo
transcrítico". En el proceso de ciclo transcrítico la
transferencia de calor se efectúa a presiones y temperaturas
por encima del punto crítico.
La terminología empleada para los procesos y los
componentes son casi idénticos para los dos ciclos
de proceso para las partes que intervienen en el proceso
de transferencia térmica. En el proceso de ciclo
transcrítico, el intercambio térmico se denomina
enfriamiento del gas "gas cooling" y consecuentemente
el intercambiador de calor empleado es
denominado enfriador de gas "gas cooler".
Los compresores son sustancialmente diferentes
pues deben efectuar la compresión en dos etapas en
cascada debido a que la diferencia de presión es muy
grande para una sola etapa.
Estos compresores están en la etapa de desarrollo
avanzado llevados a cabo por algunos fabricantes,
con la intención de disponer de productos comerciales
antes de 2007.
Actualmente se desarrollan proyectos basados en
equipos de refrigeración en base a CO2, con el objetivo
de sustituir al HFC 134a. Estos sistemas serán
más pequeños y más eficientes pero a la vez mucho
más complejos por las altas presiones que deberán
manejarse.
Grandes corporaciones multinacionales ya han
asumido compromisos, al máximo nivel corporativo,
para sustituir sus equipos comerciales de conservación
refrigeración y congelación, que actualmente
operan con R134a, con sistemas desarrollados para
el empleo de CO2 a nivel mundial, para 2007.
La industria automotriz, también presionada por
la necesidad de reducir su aporte a los gases de
efecto invernadero, llevan por lo menos 10 años
desarrollando sistemas de aire acondicionado
CAPÍTULO IV:
GASES
REFRIGERANTES
33
automotriz empleando CO2, con el mismo objetivo
en términos de tiempo.
Puede estimarse que el CO2 tiene grandes posibilidades
de ser el refrigerante de selección de la industria
para aplicaciones comerciales e industriales de capacidad
intermedia y aire acondicionado automotriz.
Amoniaco [NH3], R717
Es utilizado en grandes instalaciones industriales
y comerciales. Es económico, posee alto calor latente
de evaporación y relación presión-volumen específico
conveniente. Es un producto altamente tóxico,
inflamable y corrosivo que ataca el cobre y sus aleaciones,
razones por las que se debe manejar con
mucho cuidado.
Para refrigeración de alimentos y con el fin de
evitar la contaminación de estos, se acostumbra usar
fluidos refrigerantes intermedios a base de alcoholes,
manteniendo la sala de máquinas separada y distante
de los alimentos y las personas que pudieran verse
afectados ante posibles fugas.
Su temperatura de evaporación a presión atmosférica
es de -34ºC y su rendimiento térmico es 4 a 5 veces
mayor que el de los CFC22 o CFC12, dado que se requiere
mucho menos masa para hacer el mismo trabajo.
Otras ventajas son: su costo, que es aproximadamente
el 10% de los HFC, se detecta fácilmente y no
es sensible a la presencia de agua o aire húmedo y
no se mezcla con el aceite.
La inflamación sucede con una concentración del
16 al 25% en aire y la temperatura de autoinflamación
es de 651ºC.
La disolución de amoníaco en agua o las soluciones
acuosas de amoníaco tiene una reacción
exotérmica (riesgos de quemaduras en los ojos en
medio contaminado por él).
El valor límite de exposición para el hombre es de
25 ppm, su olor es muy irritante y en altas concentraciones
provoca dificultades respiratorias y ahogo,
siendo mortal en concentraciones de 30.000 ppm.
Este refrigerante puede ser utilizado por el sistema
convencional de compresión mecánica, para lo cual
se requiere diseñar y construir las partes del equipo
con los materiales apropiados que no tengan cobre o
sus aleaciones, pudiendo usarse tuberías de acero
(no galvanizado) o aluminio.
Los sistemas en donde esta sustancia es más utilizada
es el conocido como de absorción, en el cual
el amoníaco actúa como refrigerante y el agua actúa
como absorbente. A continuación una breve explicación
sobre el funcionamiento de estos procesos.
Sistema de absorción
El proceso de absorción de amoníaco elimina el
uso de bombas u otro tipo de partes móviles. La presión
del gas es uniforme en todo el sistema sellado herméticamente;
la diferencia entre la presión de vapor de amoniaco
en el condensador y en el evaporador es compensada
por la presencia de hidrógeno (o helio). La suma de
las presiones parciales del hidrógeno y del vapor de
amoníaco en el evaporador es igual a la suma de las presiones
parciales en el condensador.
Funcionamiento: se puede utilizar una mezcla de
amoníaco (como refrigerante) y agua (como
Representación esquemática de un sistema de absorción.
CONDENSADOR
GENERADOR
EVAPORADOR ABSORBEDOR
INTERC. DE SOLUCIONES
MANUAL DE BUENAS
PRÁCTICAS EN
REFRIGERACIÓN
34
Nº Refrigerante Nombre Composición química Aplicaciones
COMPUESTOS INORGÁNICOS
R717 Amoniaco NH3 Refrigeración industrial.
R718 Agua H2O Refrigeración industrial.
R744 Dióxido de carbono CO2 Refrigeración industrial.
COMPUESTOS ORGÁNICOS
Hidrocarburos
R170 Etano CH3CH3 Refrigeración industrial. Sistemas en cascada.
R290 Propano CH3CH2CH3 Mezclas, enfriadores industriales, A/A pequeños.
R600a Isobutano CH(CH3)2CH3 Refrigeración doméstica. Inflamable
Hidrocarburos Halogenados
Clorofluorocarbonos (CFC)
R11 Triclorofluorometano CCl3F Chillers de baja presión, espumado.
R12 Diclorodifluorometano CCl2F2 Refr. Doméstica, A/A vehículos.
R115 Cloropentafluoroetano C2F5CL Baja temperatura. Efecto invernadero alto.
Hidroclorofluorocarbonos (HCFC)
R22 Clorodifluorometano CHClF2 A/A, Bombas de calor, refrigeración comercial e industrial.
R141b 1,1 dicloro-1-fluoroetano CH3CCl2F Espumado, solvente.
R142b 1-cloro-1,1-difluoroetano CH3CClF2 Alta temperatura. Inflamable.
Hidrofluorocarbonos (HFC)
R32 Difluorometano CH2F2 Baja temperatura, inflamable.
R125 Pentanfluoroetano CHF2CF3 Efecto invernadero alto, baja y media temperatura.
R134a 1,1,1,2- tetrafluoroetano CH2FCF3 Refrigeración doméstica y comercial, A/A vehículos,
transporte refrigerado.
R143a 1,1,1-trifluoroetano CH3CF3 Acelera el desgaste de compresor. Inflamable.
R152a 1,1-difluoroetano CH3CHF2 Inflamable.
Mezclas Azeotrópicas
R502 HCFC+CFC R22/R115 (48.8/51.2) Refrigeración comercial baja temperatura, refrigerante.
de equipos móviles
R507 HFC+HFC R125/R143a (50/50) Reemplaza al R502, gabinetes de supermercados,
temperaturas baja y media.
Mezclas Zeotrópicas
R404A HFC+HFC+HFC R125/R143a/R134a (44/52/4) Máquinas para hielo, reemplaza al R502, retrofit R502.
R407C HFC+HFC+HFC R32/R125/R134a (23/25/52) Reemplaza al R22 en A/A, bombas de calor,
refrigeración comercial e industrial, retrofit R22.
R410A HFC+HFC R32/R125 (50/50) A/A, Bombas de calor, refrigeración comercial e industrial.
Isobutano/Propano HC+HC R600a/R290 (50/50) Reemplazo R12 "drop in". Inflamable.
CLASIFICACIÓN DE ALGUNOS REFRIGERANTES MÁS COMUNES.
absorbente); o de bromuro de litio (como absorbente)
y agua destilada (como refrigerante). El sistema está
compuesto por un generador, un condensador, un
evaporador, un absorbedor, utilizando calentamiento
directo o indirecto mediante electricidad, gas natural,
vapor de agua o calor residual.
El calor suministrado en el generador calienta la
solución y hace que el refrigerante amoníaco se
evapore y pase al condensador donde es enfriado y
se condensa; pasa luego por la válvula de expansión
al evaporador donde toma calor del medio y pasa
luego al absorbedor donde se disuelve nuevamente
con el agua. La solución pobre en amoníaco que se
encuentra en el generador vuelve al absorbedor
impulsado por el calor suministrado. El hidrógeno o
helio agregado al sistema actúa como compensador
de presión entre los lados de alta y baja.
A pesar de sus desventajas en los aspectos de
seguridad de uso, las cuales pueden ser vencidas con
diseños seguros; sus buenas propiedades como refrigerante,
bajo costo y prácticamente inocuidad ambiental,
lo convierten en un refrigerante con futuro
en los sistemas industriales de grandes dimensiones,
en todas aquellas instalaciones donde la seguridad
pueda ser mantenida indefinida y confiablemente.
En el Cuadro se listan algunos de los refrigerantes
más comunes, con su denominación ASHRAE, su
nombre técnico, su fórmula química y sus aplicaciones
más frecuentes.
En el caso de las mezclas, en lugar de la composición
química se muestran los componentes simples y,
entre paréntesis, los porcentajes de cada uno de estos,
en el mismo orden en que se muestran los primeros.
CAPÍTULO IV:
GASES
REFRIGERANTES
35
3 Consideraciones relativas a
la salud y la seguridad
Muchas sustancias químicas, entre las que se
cuentan los refrigerantes pueden ser peligrosas si se
utilizan del modo indebido. Dos categorías importantes
de aspectos relativos a la salud y la seguridad
son: la toxicidad y la inflamabilidad.
3.1 Toxicidad
La toxicidad puede medirse de diversas maneras.
En general hay límites para la cantidad de refrigerante
que una persona puede tolerar en un breve lapso de
tiempo (efectos agudos) y en un período prolongado
(efectos crónicos de largo plazo). Con base a resultados
del Programa de alternativas para la toxicidad del
fluorocarbono (PAFT) los fabricantes han recomendado
concentraciones que el ser humano puede tolerar
durante determinado tiempo sin efectos perjudiciales,
denominados límites permitidos de
Exposición "Authorized Exposure Levels" [AEL].
Estos valores se establecen en partes por millón
[ppm], indicando la cantidad máxima de refrigerante
que puede tolerarse sin peligro. Otros indicadores de
la toxicidad incluyen los valores límites de umbral
"Threshold Limit Values" [TLV] y los valores de
exposición permitidos "Permited Exposure Levels"
[PEL]. Los fabricantes de refrigerantes indican los
AEL, TLV y el PEL del refrigerante en la hoja de datos
de seguridad del material [MSDS].
La Norma 34 de ASHRAE clasifica la toxicidad
en dos grupos:
Clase A: refrigerantes con baja toxicidad, con un
TLV ponderado en función del tiempo superior a 400
ppm. Es decir, que son de preocupar únicamente las
concentraciones superiores a 400 ppm durante períodos
prolongados.
Clase B: refrigerantes con toxicidad elevada con
un TLV ponderado en función del tiempo inferior a
400 ppm.
3.2 Inflamabilidad
También se mide en el laboratorio la inflamabilidad,
o sea: la capacidad de un producto químico de
mantener la combustión, lo cual depende del grado
de concentración de refrigerante en aire y de la cantidad
de energía liberada por la combustión.
Los refrigerantes se clasifican en general como
No inflamables, de baja inflamabilidad o de alta
inflamabilidad.
Por ejemplo, el R152a tiene un límite de inflamabilidad
del 4%. Esto significa que en 100 kg de aire, 4
kg de refrigerante tomarán fuego. Se considera al
R152a como de baja inflamabilidad. El propano
R290 tiene un límite de inflamabilidad de 2% por lo
que se le clasifica como de alta inflamabilidad.
La Norma 34 de ASHRAE clasifica cada refrigerante
en uno de los tres grupos de inflamabilidad.
Hay definiciones científicas rigurosas para estos grupos,
pero en general pueden categorizarse como
sigue:
Grupo 1: ninguna inflamabilidad.
Grupo 2: baja inflamabilidad.
Grupo 3: alta inflamabilidad.
Combinando los criterios de toxicidad e inflamabilidad
se obtiene una matriz que clasifica un
refrigerante en la clase A1, A2, A3, B1, B2 ó B3,
como puede verse en el cuadro siguiente.
La Norma 15 de ASHRAE, sobre el código de
seguridad para la refrigeración mecánica, trata el
tema relativo al modo en que se pueden emplear los
refrigerantes que han sido clasificados en la Norma
34 de ASHRAE. La Norma 15 refleja ya la introducción
de refrigerantes de sustitución. Entre otras cosas,
esta Norma trata de los requisitos relativos a la instalación.
Señala la necesidad de sensores de oxígeno,
detectores de vapores y, en determinadas situaciones,
de aparatos para respiración autónomos.
Además de la toxicidad y la inflamabilidad, debe
recordarse que todos los refrigerantes a base de fluorocarbono
son más pesados que el aire y si se liberan
en un espacio cerrado pueden causar asfixia.
Norma 34 de ASHRAE con algunos ejemplos de refrigerantes.
GRUPO
1
2
3
CLASE
R600a (ISOBUTANO)
R290 (PROPANO)
HFC32
HFC143a
HFC152a
CFC11
CFC12
HCFC22
HFC125
HFC134a
R1140 (CLORURO
DE VINILO)
R717 (AMONÍACO)
HCFC123
A B
AUMENTA
INFLAMABILIDAD
AUMENTA TOXICIDAD
MANUAL DE BUENAS
PRÁCTICAS EN
REFRIGERACIÓN
36
4 Efectos de algunos refrigerantes sobre la capa
de ozono y el calentamiento global
En el gráfico puede observarse el potencial de agotamiento del ozono estratosférico y el potencial de calentamiento
global de algunas sustancias empleadas como refrigerantes.
PAO versus PCG para algunos refrigerantes comunes.
5 Sustitutos transitorios
En cumplimiento de los acuerdos suscritos en del
Protocolo de Montreal, los fabricantes de refrigerantes
y demás SAO han lanzado al mercado alternativas
equivalentes que sustituyen a todas esas sustancias
y en ese sentido han desarrollado nuevos productos,
que hasta el momento no es posible afirmar
si permanecerán como definitivos o solo serán utilizados
temporalmente mientras se desarrollan otras
alternativas que satisfagan más ampliamente las
condiciones ambientales, de seguridad y económicas.
R134a. Es un refrigerante HFC identificado químicamente
como CF3CH2F, no es inflamable y posee
niveles de toxicidad aceptables. Entre todos los sustitutos
desarrollados el R134a ha sido aceptado en un
amplio rango de aplicaciones puesto que su
rendimiento termodinámico es equivalente al del R12
cuando la temperatura de evaporación es de -2ºC.
Sin embargo, cuando la temperatura desciende hasta
-18ºC, el rendimiento aminora proporcionalmente,
llegando a ser 6% inferior y cuando la temperatura se
ubica en 10ºC el rendimiento aumenta igualmente
hasta en un 6%, lo cual hace que su empleo como
sustituto no sea ideal en todos los casos, habiéndose
desarrollado mezclas que operan mejor en condiciones
de trabajo de baja temperatura de evaporación,
que es donde el R134a no se comporta
aceptablemente.
Este es un compuesto halogenado sin átomos de
cloro [Cl] pero si de flúor [F]. Podemos apreciar en el
gráfico que el R134a tiene un PAO igual a 0 pero su
potencial de calentamiento global PCG es 1300. Esta
es la razón por la cual no se le puede considerar un gas
ideal para reemplazar definitivamente al R12.
Su empleo requiere tener en cuenta ciertas características
que le son propias y lo diferencian de alguna manera
en su aplicación con relación al R12 que sustituye.
Tanto el HFC134a como el HCFC22, en condiciones
de exposición a humedad, absorben mayor
cantidad de agua en estado líquido (son más
higroscópicos) que el CFC12; por tal razón será
menos probable que se tapone un capilar en un sistema
de baja temperatura, pero esto no reduce la necesidad
de usar un dispositivo de secado apropiado, pues
Gráfico IV-d - Esquema comparativo de
rendimiento entre R12 Y R134a.
CAPÍTULO IV:
GASES
REFRIGERANTES
37
la humedad atrapada en el refrigerante, reacciona
químicamente con este produciendo ácido fluorhídrico,
cuyo efecto corrosivo sobre los metales es altamente
dañino para el sistema.
La selección de los tubos capilares debe ajustarse
al nuevo gas, pues el HFC134a tiene un efecto
refrigerante mayor que CFC12, reduciendo la masa
necesaria para la misma aplicación, por lo tanto se
debe, o aumentar la longitud, o reducir el diámetro
interno (lo que depende de la disponibilidad de
diámetros de capilares en existencia; una vez tomada
esta decisión se ajusta la longitud necesaria hasta
encontrar el punto de equilibrio del sistema); siendo
siempre necesario hacer evaluaciones posteriores con
el sistema en funcionamiento para verificar presiones y
temperaturas para la carga de refrigerante especificada.
Refrigerante CFC12 HFC134 a HFC22
Fórmula química CCl2F2 CF3CH2F CHClF2
Miscibilidad: Es la capacidad de un lubricante de
mezclarse con un refrigerante. Esta propiedad es muy
importante para garantizar el retorno del aceite al
compresor.
El HFC134a y los aceites minerales no son miscibles.
Por esta razón se han desarrollado nuevos
lubricantes que se adapten a esta exigencia. Los
poliolésteres (POE) y los polialquilglicoles (PAG) son
miscibles con este refrigerante.
Algunos tipos de POE son completamente miscibles
con R134a, tal como lo es el alquilbenceno con
el R22, mientras que otros POE son parcialmente
miscibles.
Los lubricantes POE tienen una capacidad
higroscópica 100 veces mayor que los aceites minerales,
siendo esta humedad más difícil de remover.
Por esta razón los compresores cargados con aceites
POE no deben ser expuestos a la atmósfera por más
de 15 minutos, recomendándose mantener taponados
los compresores que contengan POE hasta justo
el momento de hacer las soldaduras a los tubos del
sistema sellado. La humedad máxima admisible es
de 100 PPM. Los filtros secadores recomendados son
los compatibles con R22 como XH-7 y XH-9. Los
filtros con núcleo de bauxita tienen la tendencia a
absorber el POE y la humedad, con el consiguiente
proceso de hidrólisis para formar ácidos, lo cual
finalmente afectará al compresor.
Los refrigerantes HFC no son tan tolerantes a los
materiales de proceso de fabricación de los componentes
del sistema (inhibidores de corrosión y
limpiadores) como el CFC12, siendo arrastrados por
el POE en el sistema hasta el tubo capilar o la válvula
de expansión taponándolos.
Los fabricantes de compresores han hallado que
la presencia de cloro en sistemas cargados con
R134a genera reacciones químicas indeseables de
modo que todo residuo clorado en el sistema se considera
contaminante y debe ser eliminado.
Para evacuar un sistema que utilice HFC134a se
deben tomar varias precauciones:
• Los equipos y uniones que se utilizan deben
ser estrictamente para HFC134a.
• El vacío debe hacerse tanto por el lado de baja
como por alta con vacío profundo hasta 200
micrones o menos.
• El máximo de gases no condensables [GNC]
permisibles en el sistema es del 2%.
Para cargar el HFC134a se puede hacer en fase
líquida (lado de alta) o de vapor (lado de baja), en
este último caso, mientras el compresor está funcionando.
En caso de carga en fase líquida por alta,
siempre se debe permitir el paso de algo de refrigerante
al lado de baja (succión del compresor) en fase
de vapor antes de arrancar el compresor.
Tabla comparativa de propiedades de R12, R134a y R22 a temperatura
de evaporación de -15ºc y temperatura de condensación de 30ºc (MI)
Presión de evaporación
Presión de condensación
Densidad de vapor saturado a -15ºC
Densidad de líquido saturado a 30ºC
Calor latente de vaporización a -15ºC
PSIG
BAR
PSIG
BAR
[Kg/m3]
[Kg/m3]
[Kcal/kg]
11,8
0,814
93,3
6,432
10,987
1292,69
37,813
9,1
0,627
97
6,688
8,214
1190,17
49,512
28,2
1,944
158,2
10,908
12,936
1174,16
51,674
MANUAL DE BUENAS
PRÁCTICAS EN
REFRIGERACIÓN
38
5.1 "Retrofitting" o cambio
de refrigerante de
R12 a R134a
Teniendo en cuenta las precauciones ya mencionadas
es posible hacer cambio de R12 a HFC134a
siguiendo procedimientos rigurosamente controlados,
tal como se describe a continuación:
• Recupere el gas y aceite que se encuentren en
el sistema, con el equipo apropiado y tomando
la precaución de no dejar mucho tiempo
expuestos los tubos abiertos al ambiente.
• Sople el sistema con nitrógeno en ambos sentidos,
para eliminar residuos de aceite mineral.
• Cambie el tubo capilar o válvula de expansión
por los especificados.
• Reemplace el filtro secador por el indicado
para R134a.
• Sustituya el compresor de CFC12 por un compresor
de HFC134a.
• Realice el vacío [por alta y baja] a los valores
recomendados por el fabricante del compresor
y por un tiempo que garantice la eliminación
de humedad del sistema.
• Cargue el sistema con la cantidad adecuada de
R134a, que generalmente es menor que con
CFC12.
• Verifique que el sistema funcione correctamente.
Este proceso, en equipos pequeños, es complicado,
delicado y costoso; por tal razón, la experiencia
ha demostrado su poca practicidad y en la actualidad
su recomendación ha perdido vigencia.
En caso de equipos comerciales o industriales, la
decisión deberá ser tomada luego de un detallado
análisis de la situación.
Existe otro procedimiento posible que consiste en
cambiar solamente de refrigerante CFC12 a
HFC134a, lo cual implica sustituir también el lubricante.
Esta opción es aún menos recomendable y
más costosa, puesto que los fabricantes de compresores
aceptan un máximo contenido de 1% de aceite
mineral diluido en POE, y lograr extraer el aceite
mineral de un sistema hasta alcanzar este valor no es
tarea fácil, pues implica una limpieza reiterada del
sistema hasta alcanzar los niveles de dilución
aceptables