Refrigerantes alternativos de un componente

Compilado por Rolando Delgado y Sergio Montelier 

 

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Refrigerante R717  Fórmula Química NH3 (amoniaco)

Entre los refrigerantes "naturales", el R717 mantiene uno de los primeros lugares como una alternativa al R22 y R502. La producción mundial de amoniaco alcanza 120 millones de toneladasy solo una pequeña porción de este (hasta un 5 %) es usado en los equipos de refrigeración.

El amoniaco no degrada la capa de ozono (ODP = 0) y no contribuye directamente al incremento del gas de invernadero  (GWP = 0). El gas con un fuerte olor característico es dañino para el organismo humano. La concentración de tolerancia en el aire es es 0,02 mg/dm3, lo que corresponde a una fracción en volumen de  0,0028%. En combinación con el aire a una fracción en volumen de 16...26,8% y la disponibilidad de fuego abierto el amoniaco es explosivo. La temperatura de ignición en el aire es 651 oС.

Los vapores de amoniaco son más ligeros que el aire,  es bien soluble en agua (una unidad de agua puede disolver 700 unidades de amoniaco que excluye la humedad congelada en el sistema). El amoniaco se mezcla fuertemente con aceites minerales.  No afecta metales ferrosos, el aluminio y el bronce fosfórico, pero en la la presencia de humedad destruye los metales no ferrosos (zinc, cobre, y sus aleaciones)  La proporción en masa de humedad en el amoniaco no debe exceder 0,2%.

De acuerdo con las cualidades termodinámicas, el amoníaco es uno de los mejores refrigerantes: según la productividad de enfriamiento supera considerablemente a los R12, R11, R22 and R502, tiene mas alto coeficiente de transferencia de calor que permite usar tuberías de más pequeño diámetro en los aparatos de transferencia de calor. Debido al fuerte olor del amoniaco, las fugas en el sistema de refrigeración pueden ser facilmente detectado por el personal.  Debido a estas razones, el R717 encuentra sus amplios usos en las grandes capacidades de refrigeración. El refrigerante R717 tiene bajo costo.

Una de las desventajas del amoniaco es el mas alto valor de la línea adiabática (1,31) comparada al R22    (1,18) y R12 (1,14), que causa un incremento considerable de la temperatura de descarga. En conexión con esto, los aceites de refrigeración usados en combinación con amoniaco  deben presentar requirimientos estrictos de estabilidad térmica   durante un largo período de tiempo de operación de la capacidad de refrigeración. 

Relación entre la temperatura y la presión de vapor saturado de algunos refrigerantes de los grupos CFC,  HCFC and HFC groups

Tem-
pera-
tura,

oC
Presión del Refrigerante, 105 Pa
R11 R12 R13 R13B1 R22 R23 R113 R114 R134a R142b R500 R502 R503 R717
-120     0,069                   0,100  
-100     0,331     0,318             0,475  
-80     1,094 0,315 0,104 1,144     0,039     0,146 1,560  
-60   0,226 2,818 0,908 0,374 3,135     0,163 0,072 0,270 0,487 3,968 0,219
-50   0,391 4,215 1,445 0,643 4,810     0,299 0,135 0,464 0,814 5,898 0,408
-40   0,641 6,070 2,199 1,049 7,090   0,131 0,516 0,240 0,756 1,296 8,448 0,717
-30 0,092 1,004 8,464 3,222 1,635 10,100 0,027 0,226 0,847 0,402 1,179 1,979 11,730 1,195
-20 0,157 1,509 1,480 4,568 2,448 13,990 0,051 0,369 1,330 0,642 1,771 2,910 15,860 1,901
-10 0,257 2,191 5,200 6,292 3,543 18,910 0,089 0,579 2,007 0,983 2,572 4,143 20,970 2,908
0 0,401 3,086 19,730 8,454 4,976 25,050 0,148 0,875 2,928 1,452 3,626 5,731 27,230 4,294
10 0,605 4,233 25,180 11,120 6,807 32,640 0,236 1,278 4,145 2,079 4,981 7,730 34,810 6,150
20 0,833 5,673 31,710 14,350 9,099 41,930 0,362 1,811 5,716 2,896 6,686 10,200   8,574
30 1,254 7,449   18,220 11,290   0,538 2,500 7,701 3,938 8,794 13,190   11,670
40 1,735 9,607   22,830 15,340   0,778 3,372 10,164 5,244 11,360 16,770   15,550
50 2,346 12,190   28,280 19,420   1,094 4,454 13,176 6,856 14,430 21,010   20,330
60 3,111 15,260   34,690 24,270   1,501 5,775 16,813 8,819 18,080 26,010    
70 4,052           2,018 7,364 21,162 11,182        
80 5,192           2,659 9,254   13,999        
90             3,444 11,480   17,329        
100             4,390 14,080            
110             5,518 17,100            

El amoniaco tiene un extremadamente alto valor del calor de vaporización y, como consecuencia presenta un comparativamente pequeño consumo de masa del refrigerante circulante  (13... 15% comparado con el  R22). Esta es una cualidad ventajosa para grandes capacidades de refrigeración pero hace dificil la regulación de la entrega del amoníaco al evaporador con bajas potencias. 

Dificultades adicionales se presentan por la agresividad del amoniaco hacia el cobre y sus aleaciones, lo cual exige que las tuberías, intercambiadores de calor y los accesorios sean hechos de acero.   Debido a la alta toxicidad y combustibilidad del amoniaco, las conexiones soldadas deben ser cuidadosamente controladas.  Debido a la alta conductividad del R717, la creación de compresores herméticos y semiherméticos está impedida. Al msmo tiempo para capacidades industriales con potencia de más de 20 kWt, el amoníaco es la mejor alternativa.

Se espera que se extienda el empleo de amoniaco en pequeñas máquinas de refrigeración para capacidades comerciales.

Los aceites usados en el presente no se mezclan con el amoniaco y por tanto es necesario insertar en el modelo de la maquina de refrigeración eliminadores de aceites lo cual incrementa los costos. Recientemente se han conducido investigaciones para el desarrollo de aceites solubles en amoniaco y la creación de equipos de refrigeración con el evaporador "seco".  La solubilidad del aceite en amoniaco excluye la formación de la película de aceite sobre la superficie del intercambiador lo que incrementa el coeficiente de transferencia de calor desde   2700 hasta 9100В tons/(m2*K).

Los progresos alcanzados recientemente en el desarrollo de los aceites de refrigeración solubles en el amoniaco R717 pueden cambiar las tendencias en el desarrollo de la construcción de las máquinas de refrigeración.

 

 

El refrigerante R744  Fórmula Química  СО2 (dióxido de carbono)

Es una sustancia barata, no tóxica, no combustible y ecológicamente limpia (ODP = 0, GWP= 1). El costo del dióxido de carbono es 100...120 veces más bajo que el R134a.

El dióxido de carbono tiene una temperatura crítica baja (31 oС), un punto triple comparativamente alto (-56 oС), una presión relativamente alta en el punto triple (más que 0,5 МPа) y presión crítica (7,39 МPа). Este puede servir como un refrigerante alternativo. Forma parte de la atmósfera y la biosfera de la Tierra, tiene las ventajas siguientes:  bajo precio, serviciaje simple, compatibilidad con aceites minerales, materiales estructurales y de aislamiento. Al mismo tiempo, mientras usamos dióxido de carbono  se requiere agua de enfriamiento del condensador de la máquina de refrigeración.  

 

Su alta presión crítica tiene también el positivo aspecto relacionado con el bajo nivel de compresión y como una consecuencia, la efectividad del compresor se hace considerable.  Existen perspectivas positivas de usar el dióxido de carbono en sistemas de aire acondicionado en automoviles y trenes. Tambien existen posibilidades de emplearlo en refrigeradores domésticos y bombas de calentamiento. 

 

 

El refrigerante R728. Fórmula Química N2

El nitrógeno líquido es usado como sustancia refrigerante criogénicaen algunos países (Inglaterra, USA, etc.). Bajo la presión atmosférica, la temperatura de ebullición del nitrógeno es -196 oС, y el calor específico de vaporización es 199 kJoule/kg. Es un refrigerante no tóxico y ecológicamente limpio. (ODP = О, GWP = 0). El método criogénico de enfriamiento con nitrógeno líquido presupone su simple uso. Este método se realiza en sistemas donde el agente actuante no desempeña un proceso cíclico cerrado.

En Rusia se han descubierto grandes reservas de gases subterráneos (alrededor de 340 billones de m3 ) con un alto contenido de nitrógeno, que hace más bajo el costo del nitrógeno natural comparado con el costo del nitrógeno obtenido por la licuación del aire y la separación fraccionada de sus componentes, que permitirá aplicar en escala industrial el método de enfriamiento en las máquinas para la rápida congelación de los productos alimenticios. Para incrementar el nivel de empleo del potencial de baja temperatura del nitrógeno gasiforme, los especialistas han sugerido el sistema de suministro móvil del frio. 

 

 

El refrigerante R290. Fórmula Química С3Н8 (propano).

 

El potencial de agotamiento del ozono es ODP = 0, y potencial de calentamiento global GWP = 3. Es caracterizado por el bajo costo y es no tóxico. Con el uso de este refrigerante no hay problema con la selección de materiales estructurales para las partes del compresor, condensador, y evaporador. El propano es fácilmente mezclable es aceites minerales.  La temperatura de ebullición bajo la presión atmósferica es -42,1 oС. La ventaja del propano es tambien la baja temperatura de la salida del compresor.  Sin embargo el propano como refrigerante tiene dos desventajas fundamentales. Primero presenta riesgo al fuego, segundo el tamaño del compresor debe ser mayor que el usado con R22. 

En las capacidades de refrigeración industrial, el propano ya ha sido usado durante muchos años.  En  años recientes, se sugiere el  uso del propano en capacidades del transporte de refrigeración. 

En Alemania en 1994 fueron fabricados mas de 1000 refrigeradores domésticos con propano, isobtano y sus mezclas.Similares refrigeradores están siendo fabricados en China, Brasil, Argentina, India, Turquía y Chile. De acuerdo con las estimaciones de los desarrolladores de este equipo, el factor de refrigeración  al usar los hidrocarburos es casi el mismo (+(-)1%), que el operado con R12. Sólo se exigen pequeñas alteracines en el diseño del compresor.  Se usan los mismos aceites minerales, el mismo aislamiento, los mismos materiales sellantes, las tuberías del mismo diámetro y el procedimiento de servcio es casi el mismo.   La temperatura de descarga se hace más baja que cuando se trabaja con R22 o R502. El porpano puede ser cargado inmediatamente en el sistema donde hubo antes un refrigerante degradante del ozono. Como la investigación ha mostrado en este caso hasta el 10% de la productividad del frío se pierde en el sistema donde hubo antes R22 y 15 % si hubo antes R502. Un número de especialistas creen que esta reducción puede prevenirse mediante adición del polipropileno al propano.

En Estados Unidos se prohibe el uso de los hidrocarburos en refrigeradores domésticos. La Agencia de Potección del Medio Ambiente estadounidense prevee en el caso de su uso el desencadenamiento de hasta 30 000 fuegos por año.

La instalación de equipos de refrigeración comercial con propano en lugares públicos debe acompañarse de reglas especiales de seguridad. En caso de exceder la carga normada (más de 2,5 kg de R290), el equipo de refrigeración debe ser instalado en un lugar especialmente equipado con el incremento en ls gastos. 

 

 

El refrigerante R600a   Fórmula química С4Н10 (isobutano).

En comparación con el R12 y el R134a, el isobutano tiene ventajas ecológicas considerables. Este gas natural no degrada la capa de ozono y apenas contribuye al efecto de invernadero (GWP = 0,001). La masa del refrigerante circulante en el egregado de refrigeración cuando se emplea el isobutano se reduce considerablemente (aproximadamente el 30%). La masa específica del isobutano es dos veces más altas que la masa específica del aire. El isobutane se disuelve fácilmente en el aceite mineral tiene más alto factor de refrigeración que el R12 y reduce la energía consumida. Las cualidades físicas del R600a comparada con el R12 y el R134a se dan en la tabla.

El isobutano es combustible, fácilmente inflamable y explosivo. easily inflammable and explosive, pero solo en la presencia de llama cuando el refrigerante alcanza la fracción volumétrica de 1,3 -8,5%.  El ímite inferior del riesgo explosivo (1,3%) corresponde a 31 g  de R600a en un m3 del aire; el límite superior  (8,5%) - 205 g of R600a en 1 m3 del aire. La temperatura de inflamación es 460 oС.

En la actualidad, las compañias alemanas e italianas usan R600a en equipos de refrigeración doméstica. Compañias internacionales como "Electrolux compressors" fabrican compresores que operan con isobutano. Los agregados de refrigeración con R600a se caracterizan por más bajo nivel de ruido debido a la baja presión en el contorno operacional del refrigerante.

El uso del isobutano en los equipos de refrigeración existentes se relaciona con la necesidad de la sustitución de los compresores por compresores de mayor productividad de acuerdo al efecto refrigerante de volumen específico que el R600a casi duplica al del R12.

 

Propiedades físicas básicas del R6ООа comparadas con las del R12 y R134a
Parametro R12 R134a R600a
Temperatura de ebullición normal (p = 0,1МPа), oС -29,8 -26,5 -12
Temperatura de congelación, oС -158 -101,1 -159
Temperatura crítica, oС 122 101,15 135
Presión crítica, МPа 4,11 4,06 3,65
Presión de succión a  -15 oС, МPа 0,182 0,164 0,089
Solubilidad en aceite No limitada
Solubilidad en agua (a15.5 oС), masa % 0,005 0,015 0,0057
Potencial de degradación del ozono (ODP) 1 0 0

 

Refrigerantes relacionados con el grupo de los HFCs

 

Refrigerante R 125 Fórmula Química СНF2СF3

Perteneciente al grupo de los HFC, no contiene cloro en su estructura. El potencial de degradación del ozono es cero y el potencial de calentamiento global es, GWP = 860. La temperatura de ebullición a la presión atmosférica es -48,1 oС. Se recomienda sus so como componente puro o en mezclas alternativas para sustituir al R22, R502 y R12. El R125 no es combustible. Por su desempeño energético y coeficiente de transferencia de calor se situa detrás de los refrigerantes R22 y R502. Comparado con el R502, tiene una curva más abrupta de la dependencia característica de la presión de vapor saturado con la temperatura, la temperatura crítica es baja, y no es alta la temperatura específica del vapor caliente ascendente, lo cual provoca la necesidad de incrementar el nivel de la compresión. Por esto las posibilidades de usar el  R125 en los equipos de refrigeración que tengan condensadores con enfriamiento por aire son extremadamente limitadas. 

Al mismo tiempo, el R125 tiene más baja (comparado con R22 y R502) la temperatura de descarga y alto flujo másico bajo las presiones de baja sución. Los compresores de refrigeración de pistón que operan con  R125 se caracterizan por su carga óptima del cilindro y en consecuencia tienen una gran eficiencia de volumen.  

 

 

El refrigerante R134a  Fórmula Química CF3CFH2 (tetrafluoretano).

La molécula de R134a tiene más pequeño tamaño que el  R12 lo cual lo hace más peligroso al escape. El potencial de degradación del ozono es = 0, y el potencial de calentamiento global es GWP = 1300. 

El refrigerante R134a  es no-toxico y no se enciende dentro del intervalo completo de las temperaturas operacionales.   Sin embargo en el caso de ingreso de aire al sistema y haya compresión pueden formarse mezclas combustibles.  No deben mezclarse el R134a con el  R12 porque se forma un azeótropo de alta presión con proporciones en masa 50 - 50%. La presión de vapor saturada de este refrigerante es un poco mayor que la del R12 (respectivamente 1,16 y 1,08 МPа a 45 oС). El vapor R134a se descompone bajo la influencia de la llama con formación de productos venenosos e irritantes tales como el fluoruro de hidrógeno. 

De acuerdo con la clasificación ASHRAE, este producto se relaciona a la clase  А1. En el equipo de temperatura media  (temperatura de ebullición -7 oС y más alta), el R134a tiene un desempeño próximo al R12.

El R134a se caracteriza no por una alta temperatura de descarga (aproximadamente  8...10oС más baja que la  del R12) y no altos valores de presión de vapor saturado.

En capacidades de refrigeración operando bajo temperaturas de ebullición más bajas que -15 oС, los datos de energía del R134a son peores que aquellos del R12 (el efecto de refrigeración del volumen específico es 6% más bajo a -18 oС). En tales capacidades es mejor usar refrigerantes con más baja temperatura de ebullición o compresores con un incremento del volumen tiempo limitado por los pistones. 

En capacidades de refrigeración de temperatura meia y sistemas de aire acondicionado, el factor de refrigeración del R134a es igual o más alto que el factor del R12.

En capacidades de refrigeración de alta temperatura,  la productvidad de enfriamiento específica cuano se opera con R134a es también in poco más alta (6% más a    t = 0 oС), que la del R12. Los intervalos de uso del refrigerante R134a se muestran en la figura, y la dependencia de la productividad de enfriamiento y el factor de refrigeración del punto de ebullición se muestra más abajo en la figura.

Debido al considerable potencial de calentamiento global GWP, se recomienda usar R134a ensistemas herméticos de refrigeración.  La contribución del R134a al efecto invernadero es 1300 veces tan alto como el del СО2. Así el escape del R134a correspondiente a la carga de un refrigerador doméstico  (alrededor de 140 g) equivale a 170 kg de СО2. En Europa alrededor de 448 g de СО2 se forma en la generación de 1 kWt/h de energía, es decir, esta emisión del refrigerante corresponde a la producción de 350 kWt*h de energía.

Para la operación con el refrigerante R134a, se recomiendad solamente los aceites de refrigeración poliester caracterizados por una elevada higroscopicidad.

El R134a es ampliamente usado en todo el mundo como un sustituyente principal del R12 en equipos de refrigeración que operan en el intervalo de temperatura media. Se usa en aires acondicionados de automoviles, refrigeradores domésticos, equipos de temperatura media de refrigeración comercial, capacidades comerciales, sistemas de aire acondicionados en edificios y áreas industriales, así como en transporte de refrigeración.   

El análisis de las publicaciones extranjeras y los resultados de la investigación en Rusia indican que la sustitución de R12 por R134a, que tiene alto potencial de calentamiento, en compresores de refrigeación está relacionada con la solución un grupo de tareas técnicas básicas entre las cuales se encuentran:

  • El perfeccionamiento del desempeño de energía y el volumen de los compresores herméticos.

  • El incremento de la inercia química del esmalte de los alambres del motor eléctrico del compresor hermético.

  • El incremento de la capacidad dehumidificante del filtro deshidratante debido a la elevada propiedad higroscópica del sistema aceite sintético - R134.

Todo esto se refleja enun considerable incremento del costo del equipo de refrigeración.  Al mismo tiempo, en plantas de enfriamiento con agua que usan compresores de hélice y centrífugos el empleo del R134a tiene cierta perspectivas.

 

 

R 143a refrigerant. Chemical formula CF3-СН3 (trifluoroethane)

El R143a tiene un potencial de agotamiento del ozono = 0 y un potencial de calentamiento global relativamente alto GWP = 1000, no es tóxico ni tampoco combustible, y no interactúa con los materiales estructurales ni de empacado. Los tres átomos de hidrógeno en la molécula del R143a contribuye a la buena solubilidad en aceites minerales. El calor específico de vaporización es  19,88 kJoule/mole a temperatura de ebullición normal lo cual es un poco más alto que el del R125 (18,82 kJoule/mole). La temperatura de descarga es más baja que la del  R12, R22 y R502. Como el análisis energético ha mostrado, la efectividad energética del ciclo de dos etapas con R143a es cercana  a la efectividad del ciclo con R502, más baja que la del R22, y más alta que las de  R125. R143a. Interviene en las mezclas alternativas de composición multicomponente sugeridas para la sustitución del R12, R22 and R502.

 

Refrigerante R 32 refrigerant. Fórmula química CF2H2 (difluormetano).

Relacionado con el grupo HFC. El refrigerante R32 tiene un potencial de degradación de ozonol ODP = О y bajos potenciales de calentamiento global GWP = 220, en comparación con R125 y R143a. No es tóxico pero presenta riesgo a la llama. Tiene un alto calor específico de vaporización 20,37 kJoule/mole a la temperatura de ebullición normal y una dependencia abrupta de la presión de vapor saturado con la temperatura y como resultado, el R32 se caracteriza por una elevada temperatura de descarga la cual es la más alta de todos los refrigeantes alternativos, excepto el amoniaco. El  R32 es soluble en aceites de poliester.  

Cuando es usado en capacidades de refrigeración, el R32 se caracteriza por una alta efectividad energética y productividad  de enfriamiento, pero es ligeramente inferior al R22 y R717. El alto nivel de la compresión del R32 exige de modificaciones considerables en el diseño de la capacidad de refrigeración y en consecuencia eleva sus costos. Por tanto el R32 se reecomenda para ser usado como un componente de mezcla alternativas de trabajo.  Debido al pequeño tamaño de la molécula de R32 comparado con el de las moleculas derivadas del etano, es posible una selectiva pérdida de R32 a través de porosidades en el sistema de refrigeración, lo cual varía la composición de la mezcla multicomponente de trabajo.  


Fuente: Company "Allchem" Web Page.

http://www.allchemi.com/eng/refregerants/alternative.html

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