Refrigerantes

Química orgánica. Propiedades y tipología de la refrigeración. Agentes secantes. Desecantes. Composición. Aplicaciones. Compresores. Toxicidad. Presión atmosférica. Temperatura

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Refrigerante

Es cualquier cuerpo o sustancia que actúa como agente de enfriamiento absorbiendo calor

de otro cuerpo o sustancia.

Con respecto al ciclo compresión-vapor, el refrigerante es el fluido de trabajo del ciclo el cuál

alternativamente se vaporiza y se condensa absorbiendo y cediendo calor, respectivamente.

Para que un refrigerante sea apropiado y se le pueda usar en el ciclo antes mencionado,

debe poseer ciertas propiedades físicas, químicas y termodinámicas que lo hagan seguro

durante su uso.

No existe un refrigerante “ideal” ni que pueda ser universalmente adaptable a todas las

aplicaciones. Entonces, un refrigerante se aproximará al “ideal”, solo en tanto que sus

propiedades satisfagan las condiciones y necesidades de la aplicación para la que va a ser

utilizado.

Propiedades

Para tener uso apropiado como refrigerante, se busca que los fluidos cumplan con lamayoría de las siguientes características:

ð Baja temperatura de ebullición: Un punto de ebullición por debajo de la temperatura

ambiente, a presión atmosférica. (evaporador)

ð Fácilmente manejable en estado líquido: El punto de ebullición debe ser

controlable con facilidad de modo que su capacidad de absorber calor sea controlable

también.

ð Alto calor latente de vaporización: Cuanto mayor sea el calor latente de

vaporización, mayor será el calor absorbido por kilogramo de refrigerante en circulación.

ð No inflamable, no explosivo, no tóxico.

ð Químicamente estable: A fin de tolerar años de repetidos cambios de estado.

ð No corrosivo: Para asegurar que en la construcción del sistema puedan usarse

materiales comunes y la larga vida de todos los componentes.

ð Moderadas presiones de trabajo: las elevadas presiones de condensación(mayor a

25-28kg/cmª)requieren un equipo extrapesado. La operación en vacío(menor a 0kg/

cmª)introduce la posibilidad de penetración de aire en el sistema.

ð Fácil detección y localización de pérdidas: Las pérdidas producen la disminución

del refrigerante y la contaminación del sistema.

ð Inocuo para los aceites lubricantes: La ación del refrigerante en los aceites

lubricantes no debe alterar la acción de lubricación.

ð Bajo punto de congelación: La temperatura de congelación tiene que estar muy por

debajo de cualquier temperatura a la cuál pueda operar el evaporador.

ð Alta temperatura crítica: Un vapor que no se condense a temperatura mayor que su

valor crítico, sin importar cuál elevada sea la presión. La mayoría de los refrigerantes

poseen críticas superiores a los 93°C.

ð Moderado volumen específico de vapor: Para reducir al mínimo el tamaño del

compresor.

ð Bajo costo: A fin de mantener el precio del equipo dentro de lo razonable y asegurar

el servicio adecuado cuando sea necesario.

Haremos hincapié en las más importantes para la selección del refrigerante adecuado para la

aplicación de que se trate y el equipo disponible. Todos los refrigerantes se identifican

mediante un número reglamentario.

Economía

Las propiedades mas importantes del refrigerante que influyen en su capacidad y eficiencia

son:

ð El calor latente de Evaporación

ð La relación de compresión

ð El calor específico del refrigerante tanto en estado líquido como de vapor

Excepto para sistemas muy pequeños, es deseable tener un valor alto de calor latente para

que sea mínimo el peso del refrigerante circulando por unidad de capacidad. Cuando se

tiene un valor alto del calor latente y un volumen específico bajo en la condición de vapor, se

tendrá un gran aumento en la capacidad y eficiencia del compresor, lo que disminuye el

consumo de potencia. Y permite el uso de un equipo pequeño y mas compacto. En los

sistemas pequeños, si el valor del calor latente del refrigerante es muy alto, la cantidad de

refrigerante en circulación será insuficiente como para tener un control exacto del líquido.

Es mejor tener un calor específico bajo en el líquido y un valor alto en el vapor en tanto que ambos tiendan a aumentar el efecto refrigerante por unidad de peso, el primero se logra

aumentando el efecto de subenfriamiento y el último disminuyendo el efecto de

sobrecalentamiento. Cuando se cumplen estas c ondiciones en un fluido simple, se logrará

mejorar la eficiencia del cambiador de calor líqudo-succión.

Con relaciones de compresión bajas se tendrá un consumo menor de potencia y alta

eficiencia volumétrica, siendo esto último más importante en sistemas pequeños ya que esto

permitirá usar compresores pequeños.

Con un coeficiente de conductancia alto, pueden mejorarse las relaciones de transferencia

de calor, sobre todo en caso de enfriamiento de líquidos y de esta forme se pueden reducir el

tamaño y el costo del equipo de transferencia. La relación presión-temperatura del

refrigerante debe ser tal que la presión en el evaporador siempre esté por arriba de la

atmosférica. En el caso de tener una fuga en el lado de menor presión del sistema, si la

presión es menor a la atmosférica, se introducirá una considerable cantidad de aire y

humedad en el sistema, mientras que si la presión vaporizante es mayor a la atmosférica, se

minimiza la posibilidad de introducción de aire y humedad al sistema al tenerse una fuga.

La presión condensante debe ser razonablemente baja, ya que esto permite usar materiales

de peso ligero en la construcción del equipo para condensación, reduciéndose así el tamaño

y el costo.

Relaciones refrigerante -aceite

Salvo unas pocas excepciones, el aceite necesario para la lubricación del compresor es el

contenido del cárter del cigüeñal del compresor que es donde está sujeto al contacto con el

refrigerante.

El dióxido de azufre y los halocarburos reaccionan en cierto grado con el aceite lubricante,

generalmente la reacción es ligera bajo condiciones de operación normales.

Cuando hay contaminantes en el sistema tales como aire y humedad, en una cantidad

apreciable, se desarrollan reacciones químicas involucrando a los contaminantes y tanto el

refrigerante como el aceite refrigerante como el aceite lubricante pueden entrar en

descomposición, formándose ácidos corrosivos y sedimentos en superficies de cobre y/o

corrosión ligera en superficies metálicas pulidas. Las temperaturas altas en las descargas,

por lo general aceleran estos procesos.

Por la naturaleza de temperatura alta en la descarga del refrigerante F22, el daño en el

aceite lubricante produce el que se queme el motor, constituye esto un problema serio en las

unidades motor - compresor que utilizan este refrigerante, sobre todo cuando se las utiliza en

condensadores enfriados con aire y con tuberías de succión grandes.

En los sistemas que usan refrigerantes halocarburos, es muy común que varias partes del

compresor se encuentren cobrizadas. La causa exacta del cobrizado no ha sido determinada

en forma definitiva, pero se tienen grandes evidencias que los factores que contribuyen a eso

son la humedad y la pobre calidad del aceite lubricante.

Las placas de cobre no se emplean en los sistemas de amoníaco.

Las desventajas antes nombradas se podrán reducir al mínimo o eliminarse mediante el uso

de aceites lubricantes de alta calidad que tengan puntos muy bajos de “fluidez o

congelación” y/o de “precipitación”, manteniendo al sistema relativamente libre de

contaminaciones, tales como aire y humedad y diseñando al sistema de tal forma que las

temperaturas en las descargas sean relativamente bajas.

Refrigerantes del grupo 1:

Son los de toxicidad e inflamabilidad despreciables. De ellos, los refrigerantes 11, 113 y 114

se emplean en compresores centrífugos.

Los refrigerantes 12, 22, 500 y 502 se usan normalmente en compresores alternativos y en

los centrífugos de elevada capacidad.

Refrigerantes del grupo 2:

Son los tóxicos o inflamables, o ambas cosas.

El grupo incluye el Amoníaco, Cloruro de etilo, Cloruro de metilo y Dióxido de azufre,

pero solo el Amoníaco (r-717) se utiliza aún en cierto grado.

Refrigerantes del grupo 3:

Estos refrigerantes son muy inflamables y explosivos. A causa de su bajo costo se utilizan

donde el peligro está siempre presente y su uso no agrega otro peligro, como por ejemplo,

en las plantas petroquímicas y en las refinerías de petróleo.

El grupo incluye el Butano, Propano, Isobutano, Etano, Etileno, Propileno y Metano.

Estos refrigerantes deben trabajar a presiones mayores que la atmosférica para evitar que

aumente el peligro de explosión. Las presiones mayores que la atmosféricas impiden la

penetración de aire por pérdidas porque es la mezcla aire-refrigerante la que resulta

potencialmente peligrosa.

Diferentes tipos de refrigerantes(características)

Amoníaco

Aunque el amoníaco es tóxico, algo inflamable y explosivo bajo ciertas condiciones, sus

excelentes propiedades térmicas lo hacen ser un refrigerante ideal para fábricas de hielo,

para grandes almacenes de enfriamiento, etc., donde se cuenta con los servicios de personal

experimentado y donde su naturaleza tóxica es de poca consecuencia.

El amoníaco es el refrigerante que tiene mas alto efecto refrigerante por unidad de peso.

El punto de ebullición del amoníaco bajo la presión atmosférica estándar es de -2,22°C, las

presiones en el evaporador y el condensador en las condiciones de tonelada estándar es de

-15°C y 30°C son 34,27 libras por pulgadaª y 169,2 libras por pulgadaª abs. ,

respectivamente, pueden usarse materiales de peso ligero en la construcción del equipo

refrigerante. La temperatura adiabática en la descarga es relativamente alta, siendo de

98,89°C para las condiciones de tonelada estándar, por lo cuál es adecuado tener

enfriamiento en el agua tanto en el cabezal como en el cilindro del compresor.

En la presencia de la humedad el amoníaco se vuelve corrosivo para los materiales no

ferrosos.

El amoníaco no es miscible con el aceite y por lo mismo no se diluye con el aceite del cárter

del cigüeñal del compresor. Deberá usarse un separador de aceite en el tubo de descarga de

los sistemas de amoníaco.

El amoníaco es fácil de conseguir y es el mas barato de los refrigerantes.

Su estabilidad química, afinidad por el agua y no-miscibilidad con el aceite, hacen al

amoníaco un refrigerante ideal pare ser usado en sistemas muy grandes donde la toxicidad

no es un factor importante.

Refrigerante 22

Conocido con el nombre de Freón 22, se emplea en sistemas de aire acondicionado

domésticos y en sistemas de refrigeración comerciales e industriales incluyendo: cámaras de

conservación e instalaciones para el procesado de alimentos: refrigeración y aire

acondicionado a bordo de diferentes transportes; bombas de calor para calentar aire y agua.

Se pude utilizar en compresores de pistón, centrífugo y de tornillo.

El refrigerante 22 (CHCIF ) tiene un punto de ebullición a la presión atmosférica de 40,8°C.

Las temperaturas en el evaporador son tan bajas como 87°C. Resulta una gran ventaja el

calor relativamente pequeño del desplazamiento del compresor.

La temperatura en la descarga con el refrigerante22 es alta, la temperatura sobrecalentada

en la succión debe conservarse en su valor mínimo, sobre todo cuando se usan unidades

herméticas motor-compresor. En aplicaciones de temperatura baja, donde las relaciones de

compresión altas, se recomienda tener en enfriamiento con agua al cabezal y a los cilindros

del compresor. Los condensadores enfriados por aire empleados con el refrigerante 22,

deben ser de tamaño generoso.

Aunque el refrigerante 22 es miscible con aceite en la sección de condensación a menudo

suele separársele del aceite en el evaporador.

No se han tenido dificultades en el retorno de aceite después del evaporador cuando se tiene

el diseño adecuado del serpentín del evaporador y de la tubería de succión.

Siendo un fluorcarburo, el refrigerante 22 es un refrigerante seguro.

Se comercializa en cilindros retornables (CME) de 56,7 Kg, cilindros desechables de 22,68

kg, cilindros desechables de 13,61 kg y cajas de 12 latas de 5,10 kg cada una.

Refrigerante 123

Es un sustituto viable para el freón 11 como refrigerante.

Las propiedades termodinámicas y físicas del refrigerante 123 en conjunto con sus

características de no-inflamabilidad lo convierte en un reemplazo eficiente del Freón 11 en

chillers centrífugos.

El refrigerante 123 fue diseñado para trabajar en equipos nuevos existentes. Cuando se

considere u reacondicionamiento para refrigerante 123 de un equipo existente, debe

considerarse el ciclo de vida útil del equipo, la diferencia de costo de operación y

mantenimiento y el costo de reacondicionamiento.

Los equipos nuevos que han sido diseñados para trabajar con el refrigerante 123 tienen

menor costo de operación comparados con los equipos existentes.

Debido a que tiene un olor tan leve que no se puede detectar por medio del olfato es

necesaria una verificación frecuente de fugas y la instalación de detectores de fugas por

áreas cerradas utilizadas por el personal. Se comercializa en tambores de 283,5kg, tambores

de 90,72kg y tambores de 45,36kg. Su composición en peso es de 100% HFC-123.

Refrigerante 134-a

El refrigerante marca Suva134a, ha sido introducido por DuPont, como reemplazo de los

clorofluorocarbonos (CFC) en muchas aplicaciones. La producción de CFC es reemplazada

por el hidrofluorucarbono HFC-134ª.

Este refrigerante no contiene cloro y puede ser usado en muchas aplicaciones que

actualmente usan CFC-12. Sin embargo en algunas ocasiones se requieren cambios en el

diseño del equipo para optimizar el desempeño del Suva 134ª en esta aplicaciones.

Las propiedades termodinámicas y físicas del Suva 134ª y su baja toxicidad lo convierten en

un reemplazo seguro y muy eficiente del CFC-12 en muchos segmentos de la refrigeración

industrial mas notablemente en el aire acondicionado automotriz, equipos domésticos,

equipo estacionario pequeño, equipo de supermercado de media temperatura y chillers,

industriales y comerciales. El Suva134a ha mostrado que es combustible a presiones tan

bajas como 5,5 psig a 177°C cuando se mezclan con aire a concentraciones generalmente

mayores al 60% en volumen de aire. A bajas temperaturas se requieren mayores presiones

para la combustibilidad. No deben ser mezclados con el aire para pruebas de fuga. En

general no se debe permitir que estén presentes con altas concentraciones de aire arriba de

la presión atmosférica. Se comercializan en cilindros retornables (CME) de 56,7kg, cilindros

desechables de 13,61kg, y cajas de 12 latas de 3,408kg cada una. Temperatura del

evaporador -7°C a 7°C. Su composición en peso es de 100% HFC-134ª.

Refrigerante 407c/410 a

DuPont los comercializa con el nombre de Suva 9100 respectivamente.

Reemplazan el HCFC-22 en el aire acondicionado doméstico en aplicaciones en el

calentamiento de bombas. El Suva 9000 sirve para equipos nuevos o en servicio, tiene un

desempeño similar del HCFC-22 en el aire acondicionado. El Suva 9100 sirve solo para

equipos nuevos y es un reemplazo del Freón 22 de mayor capacidad. Se comercializa en

cilindros desechables de 6,8kg y en cajas de 12 latas de 3,408kg cada una. Su composición

en peso es de 60% HCFC-22, 23% HFC-152ª y 27% HCFC-124.

Refrigerante 401ª

Comercializado por DuPont con el nombre de Suva MP39. Algunas aplicaciones de este

refrigerante son refrigeradores domésticos, congeladores, equipos de refrigeración para

alimentos de media temperatura de humidificadores, máquinas de hielo y máquinas

expendedoras de bebidas.

Tiene capacidades y eficiencia comparables a las del Freón 12, en sistemas que operan con

una temperatura de evaporación de -23°C (-10°F) y superiores.

Se comercializan en cilindros retornables (CGT) de 771kg, cilindros retornables de 56,7kg,

cilindros desechables de 6,8kg y cajas de 12 latas de 3,408kg cada una. Su composición en

peso es de 60% HCFC-22, 13% HCF-152ª y 27% HCFC-124.

Refrigerante 401-b

Comercializado por DuPont con el nombre de Suva MP66, provee capacidades comparables

al CFC-12 en sistemas que operan a temperatura de evaporación debajo de los -23°C (-

10°F), haciéndolo adecuado para el uso en equipos de transporte refrigerado y en

congeladores domésticos y comerciales. También puede sr utilizado para reemplazar en

equipos que usan R-500. Se comercializa en cilindros retornables (CGT) de 771kg, cilindros

retornables de 56,7kg y cilindros desechables de 13,61kg. Sus composición en peso es de

60% HCFC-22, 13% HFC-152ª y 27% HCFC-124.

Refrigerante 402ª

Comercializado por DuPont con el nombre de Suva HP80, reemplaza al R-502 en sistemas

de media y baja temperatura. Tiene aplicaciones muy variadas en la industria de la

refrigeración. Es usado ampliamente en aplicaciones de supermercados, almacenamiento y

transporte de alimentos en sistemas de cascada de temperatura. Ofrece buena capacidad y

eficiencia sin sufrir los incrementos de presión y temperatura en la descarga del compresor,

lo cuál si sucede cuando un equipo es convertido HCFC-22. Se comercializa en cilindros

retornables (CME) de 49,9kg y cilindros desechables de 13.25 kg. Su composición en peso

es de 60% HCFC-22, 38,5% HFC-125 y 2% de propano.

Refrigerante 402b

Comercializado por DuPont con el nombre de Suva HP81, todos los refrigerantes designados

HP fueron diseñados para reemplazar al R-502 en sistemas de refrigeración de temperatura

media y baja. Está diseñado para el reacondicionamiento de equipos como máquinas de

hielo. Además ofrece mas alta eficiencia comparado con el R-502 y una capacidad

relativamente mejor. Sin embargo el mayor contenido de HCFC-22 resulta en temperaturas

de descarga de compresor en un rango de 14°C (25°F). Se comercializa en cilindros

desechables de 5,9kg. Su composición en peso es de 60% HCFC-22, 38% HFC-125 y 2% de

propano.

Hidrocarburos directos

Los hidrocarburos directos son un grupo de fluidos compuestos en varias proporciones de

los dos elementos hidrógeno y carbono. Algunos son el Metano, etano, butano, etileno e

isobutano. Todos son extremadamente inflamables y explosivos. Aunque ninguno de estos

compuestos absorben humedad en forma considerable, todos son extremadamente

miscibles en aceite para todas las condiciones. Su uso ordinariamente está limitado a

aplicaciones especiales donde se requieren los servicios de personal especializado.

Agentes secantes de refrigeradores

Llamados también desecantes, con frecuencia se emplean en sistemas de refrigeración

para eliminar la humedad del refrigerante. Pueden ser un material gelatinoso de sílice

(dióxido de silicio), alúmina activa (óxido de aluminio) y drierita (sulfato de calcio

anhidrinoso). El material gelatinoso de sílice y la alúmina activa, son desecantes del tipo de

absorción y tienen forma granular. La drierita es un desecante del tipo de absorción y se le

consigue en forma granular o en forma de barras vaciadas.

Gabriel Caprarulo

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DEL SURESTE DE VERACRUZ

QUMICA INDUSTRIAL 402

REFRIGERACIÓN

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