Resumen de los Refrigerantes

Hoy día la selección de un refrigerante tiene una gran importancia debido a que se debe considerar desde el punto de vista ecológico, el correcto funcionamiento de un compresor y sobre todo el deterioro ambiental, por lo que es necesario considerar los siguientes problemas:

Ing. Javier Ortega C.

1. El deterioro y aumento en la contaminación ambiental en la superficie de la tierra (en la biosfera)
2. El deterioro o degradación de la capa del ozono en la estratosfera
3. El efecto invernadero o calentamiento de la tierra (cambio climatológico)

Estos tres puntos nos conducen a la conservación de la energía, de los recursos naturales y usarlos en forma racional (evitar los derroches). Una explicación breve es:

“El problema consiste en que los refrigerantes que contienen cloro en sus moléculas o en su composición presentan dos situaciones no deseables. Estas moléculas o substancias se denominan CFC clorofluorocarbonos por tener cloro, flúor, y carbono. Estos son principalmente el R-11, R-12, y el R-502 (mezcla del R-22 y el R-115)”

Estas substancias causan:
A.  El deterioro de la capa del ozono en la estratósfera. Consiste básicamente en que el átomo de cloro que contienen estas substancias destruye la capa del ozono, permitiendo la penetración de rayos ultravioleta provenientes del sol, dañinos para nuestra salud y para la naturaleza.

B.  El calentamiento de la tierra, también llamado efecto invernadero. Consiste en la absorción de energía infrarroja del sol por los CFC. Otras substancias como el CO2, NOX, NH4, absorben la energía infrarroja en grandes cantidades. Esta energía almacenada, se mantiene por mucho tiempo, aumentando poco a poco la temperatura ambiente.

Los refrigerantes definitivos son los que no causan ningún deterioro ambiental y se denominan HFC, o Hidrofluorocarbones, estos tienen en su composición hidrogeno, flúor, y carbono. Tales como: R-134a, R-404A (HP62), R-407C (AC9000), R-410A (AC9100), entre otros.

La segunda parte que trataremos en este artículo es la relativa a la selección de un refrigerante, su adecuado funcionamiento en un compresor y un sistema.

La tabla 1 nos muestra la comparación de algunas características físicas de comportamiento de refrigerantes comerciales populares de hoy día. Los valores obtenidos en la tabla son por tonelada de refrigeración, en la misma condición de saturación y de vapor seco en la succión del compresor. No se considera el volumen muerto en la cámara de compresión ni otras pérdidas energéticas. Los valores son calculados de las propiedades termodinámicas de los refrigerantes a las temperaturas de evaporación 5 °F (-15 °C), 20 °F (-6.6 °C), y 40 °F (4.4 °C).

Algunas cualidades deseables de los refrigerantes además de amigables con el medio ambiente son:

1.  Que en combinación con los compresores y sistemas ofrezcan máxima eficiencia y máximo ahorro de energía. Compatibles con todos los componentes del sistema de refrigeración, y simplicidad en su operación y que ofrezcan máxima seguridad.

2.  Preferiblemente no tóxicos de tal forma que al fugarse de un sistema no sean peligrosos o dañinos. Este atributo importante en aplicaciones en sistemas de aire acondicionado, refrigeración doméstica, y en donde existan personas expuestas al sistema de refrigeración. En instalaciones comerciales en los que se utilicen refrigerantes tóxicos será necesario tomar las precauciones necesarias razonables. El Amoniaco es un refrigerante tóxico y venenoso, por lo que presenta un alto riesgo en su manejo y utilización.

3.  Los refrigerantes deben ser económicos, en costo inicial y en su mantenimiento que incluyen: fugas, evitan corrosión del refrigerante a los materiales con los que está en contacto, compatibilidad con los aceites lubricantes, y más.

4.  No deben ser inflamables ni explosivos. Hidrocarburos tales como el butano y el propano, y el amoniaco, son tóxicos y venenosos, constituyen un alto riesgo de fuego y explosiones (los demás refrigerantes de la tabla 1 no son inflamables).

5.  Deben tener preferiblemente un alto valor de calor latente a la temperatura del evaporador y un bajo volumen especifico a la entrada del compresor. La combinación de estos determina básicamente el tipo y tamaño del compresor a usarse (su potencia y desplazamiento), (la capacidad total de enfriamiento también influye en el tamaño).

6.  Si el calor latente es alto, la refrigeración por cada kg (o lb.) de sustancia que circula también será alta; si por otro lado el volumen específico es bajo, el volumen del refrigerante circulando será bajo (y por lo tanto el desplazamiento y el tamaño del compresor serán menores).

Por ejemplo (ver tabla 1), a -15 C (5 °F) de evaporación, el amoniaco (NH3) tiene un valor alto de calor latente con un efecto refrigeración de 1103.16 kJ/kg (474.4 Btu/lb.), teniendo también un alto valor de Volumen Específico de 0.509 m3/kg (8.150 ft3/lb.) Con estos valores y el análisis del ciclo nos conduce que por tonelada de refrigeración (12000 Btu/h = 3.516 kJ/seg.) se requiere, un compresor con una potencia de 1.0 HP con un desplazamiento de 3.44 ft3/min. Con las mismas condiciones, para refrigerante R-404A a -15 C (5 °F) de evaporación, el calor latente y efecto refrigeración es 146.16 kJ/kg (63.0 Btu/lb.), un valor mucho menor que el del amoniaco y que a primera vista hace pensar que este tiene una capacidad 7 veces superior a la del R-404A. Sin embargo, considerando el valor inferior del volumen especifico del R-404A de 0.8880 ft3/lb. 0.055 m3/kg, con estos valores y el análisis del ciclo nos conduce que se requiere por tonelada de refrigeración, para el R-404A un compresor con una potencia de 1.13 HP con un desplazamiento de 3.6 ft3/min., valores prácticamente del mismo orden.

Se puede concluir de los resultados de la tabla 1 que la potencia térmica teórica requerida para un mismo enfriamiento y condiciones, es prácticamente  la misma sin importar el tipo de refrigerante ni de compresor. Las preguntas son ¿si todos los refrigerantes requieren la similar potencia teórica de compresión?, ¿cuál es entonces la diferencia? La diferencia está en la habilidad del compresor de comprimir el refrigerante sin pérdidas de potencia en forma eficiente y esto se denomina “EFICIENCIA”.

“El Amoniaco es un refrigerante tóxico y venenoso, por lo que presenta un alto riesgo en su manejo y utilización”

El tamaño físico y tipo de compresor está determinado por el Desplazamiento ideal Vd del refrigerante requerido. Cuando el volumen de desplazamiento es pequeño son posibles los compresores reciprocantes, Scroll, rotativos. Cuando el volumen de desplazamiento es grande, entonces los compresores centrífugos de alta velocidad son convenientes. En cierta forma la cantidad de refrigeración también afecta el tipo de compresor, los compresores centrífugos y tornillo son ineficientes en tamaños pequeños, por lo que no son recomendables.

Si por ejemplo el refrigerante R134a es comprimido con una máquina reciprocante, el compresor tendría que ser 6.235 ÷ 3.60 = 1.73 veces más grande que si se usase un compresor con R-404A para la misma capacidad y velocidad. Por lo general un refrigerante de alta presión tendrá un volumen específico menor (ley de los gases pV = cst.), por lo tanto tendrá un desplazamiento menor, y requerirá un compresor más pequeño.

Si en un supermercado para una misma capacidad térmica, se tiene que escoger entre usar R-404A o R-134a. El usar los compresores con refrigerante R-134a de menor presión o de mayor desplazamiento implica compresores más grandes físicamente. El uso de compresores con R-404A de mayor presión o menor desplazamiento implica compresores de menor tamaño. Los compresores de mayor tamaño tienen un mayor costo inicial, mayores pérdidas eléctricas y mecánicas (uso de un motor eléctrico más grande con un mayor consumo eléctrico, pérdidas eléctricas y magnéticas, mayores pérdidas de fricción, volumétricas, caídas de presión, térmicas, etc.). Por lo que el uso del refrigerante de mayor presión R-404A es el indicado.

Se observa en la tabla 1 que el Refrigerante R-410A es el de mayor presión (331.2 psia) y por lo tanto el de menor volumen especifico y de menor desplazamiento. Si por ejemplo para una misma capacidad térmica y condiciones de enfriamiento se usase el refrigerante R-134a en lugar del R-410A, se requeriría una máquina de 2.98 ÷ 1.281 = 2.4 veces de mayor tamaño (con sus correspondientes pérdidas adicionales). En el caso de que se usase el refrigerante R-407C (ó R-22) en lugar del R-410A, se requeriría una máquina de 2.15 ÷ 1.281 = 1.7 veces de mayor tamaño (con sus correspondientes pérdidas). En la tabla de la Fig. 1 el refrigerante R-410A es el que requiere el menor desplazamiento y por lo tanto el compresor de menor tamaño físico, con menores pérdidas de energía por lo que constituye el de mayor eficiencia.

Las presiones de saturación a las temperaturas normales de operación deben seleccionarse de acuerdo a los costos en el diseño, de la fabricación del sistema, y de operación. Por un lado las bajas presiones son deseables por aspectos de seguridad, explosiones, menores fugas de refrigerante (por ejemplo en aplicación doméstica, automotriz, etc.). Si la presión es alta como la del R-410A significa partes con paredes de alta resistencia, tuberías con paredes gruesas, mayor cuidado en las soldaduras, etc. Estas situaciones quedan compensadas en el uso del R-410A por su bajo volumen de desplazamiento VD requerido por tonelada, el cual se torna en un compresor altamente eficiente disminuyendo el consumo de energía y sus costos de operación y deterioro ambiental (efecto Invernadero). Una característica muy importante es la mayor presión en la succión (menor Vol. Esp. Vg.) que hace la utilización de un compresor de menor tamaño y que funciona a la misma temperatura, para una misma capacidad

Además de las cualidades anteriores se pueden mencionar algunas características como:
•  Que los refrigerantes tengan buena conductividad térmica para una rápida transferencia de calor
•  Que sea inerte o compatible con los materiales con los que está en contacto
•  Que sea estable que no se convierta en otras substancias o materia
•  De baja viscosidad para su fácil movilidad
•  Alta temperatura crítica
•  Alta resistencia dieléctrica (en compresores Semiherméticos Herméticos, Scroll donde el refrigerante está en contacto con los motores eléctricos)

Como ejemplo de lo anterior se puede mencionar el refrigerante amoniaco (NH3) que es utilizado en instalaciones industriales y comerciales grandes, y que no se sugiere su uso  donde existan reuniones de gente por su toxicidad, debido a esto también presenta un riesgo en su manejo, utilización y por su acción corrosiva debe evitarse su contacto con cobre y sus aleaciones; se requieren compresores del tipo abierto, que es bien sabido son propensos a que su sello mecánico de su flecha principal falle con la consecuencia de la fuga del refrigerante tóxico, y ocasionar graves problemas de intoxicación. Es necesario usar materiales de Hierro (o acero inoxidable en algunos casos), que desde el punto de vista de conducción de calor son de baja conductividad térmica, haciendo que el condensador, el evaporador, y tuberías sean grandes e ineficientes, con motores y ventiladores grandes, que se suman a los costos de operación. Su transmisión por bandas o directa en las flechas, requieren una buena alineación, y además no son eficientes mecánicamente hablando, y son pérdidas que nos cuestan alrededor de un 15 % el costo del sistema de refrigeración es muy alto (componentes y tuberías), ya que tienen que ser resistentes a la corrosión.

El sistema con amoniaco tiene altos costos y cuidados de mantenimiento, requiere personal especializado. Los sistemas de amoniaco por lo general tienden a usarse con condensadores evaporativos, para poder reducir la temperatura de condensado y tratar así de suplir la ineficiencia de su gran tamaño y falta de capacidad, añadiendo un sistema de circulación de agua (con bombas de recirculación, Torres de Enfriamiento, y tratamiento de agua). Todo esto hace que el sistema de refrigeración sea muy complicado y costoso. El agua en México es escasa y costosa, por lo que debe racionalizarse su uso. La utilización de condensadores y evaporadores enfriados por aire con el uso de refrigerantes amigables, hace el sistema más simple, fácil de operar y mantener con un costo menor.

A continuación como ejemplo se presentan los refrigerantes alternativos del refrigerante R-12 y del R-22, en ambos sus presiones en la misma condición son similares, y por lo tanto así sus volúmenes específicos, desplazamientos, capacidades y potencias.

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Explicación de las dos tablas siguientes: Los valores mostrados en la tabla están dados en las condiciones de prueba (A/A 7.2 °C evaporación / 54.4 °C condensado).

Relación de Capacidad nos indica por ejemplo, que el refrigerante R-410A nos da un 40 % más que el R-22, y que el R407C nos da un 3% menos que el R-22.

Presión de Saturación a 20 °C.- La presión del R-410A (209.29 psia) es 58% mayor que la del R-22 (132.13 psia), y la del R407C es 14% mayor que a del R-22. Implica compresores de menor tamaño para una misma capacidad y por lo tanto con menos pérdidas energéticas, más eficientes.

Lubricante del compresor. El R-22 puede utilizar indistintamente ya sea Aceite Mineral (MO), Alquilbenceno (AB) o el Polioléster (POE). En cambio el R-407C y el R-410A solamente Polioléster (POE).

A continuación se muestra la tabla de utilización de los aceites para los compresores de acuerdo a sus refrigerantes.

La miscibilidad limitada de los aceites Minerales con los refrigerantes Hidro Cloro Fluoro Carbono HCFC (R-22, R-401A, R-401B R-402A R-402B, R-409A, R-408A etc.), y la total inmiscibilidad de los aceites Minerales con los nuevos refrigerantes libres de cloro Hidro Fluoro Carbono HFC (R-134a, R-407A, R-407B, R-507, R-404A, R-407C, R-410A, R-410B, etc.), ha conducido al desarrollo de lubricantes del tipo Sintético. Hoy día existen los Alquilbenceno adecuados para los HCFC, y los Polioléster para los HFC.

La utilización de los aceites puede resumirse:

REFRIGERANTES:
Para los HCFC (R-22, R-401A, R-401B R-402A R-402B, R-409A, R-408A etc.)
1.- (AB) Alquilbenceno
2.- (AB) Alquilbenceno (50+%) + (MO) Aceite Mineral
3.- (POE) Polioléster (50+%) + (MO) Aceite Mineral
4.- (POE) Polioléster

Para los HFC (R-134a, R-407A, R-407B, R-507, R404A, R-407C, R-410A, R410B, etc.)
1.- (POE) Polioléster

ACEITES (Aprobados por Copeland Corp. División de EMERSON CLIMATE TECHNOLOGIES):
AB = Alquilbenceno:
Zerol 200 TD, Soltex AB200A, Suniso AKB200A; Reniso SP46
POE= Polioléster:
Copeland Ultra 32-3MAF, Mobil EALMR Artic 22 CC, Uniqema Emkarate RL32CF y el RL32-3MAF
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NOTA1: usar siempre la combinación Refrigerante Aceite especificado por el fabricante del compresor.