fluídos frigorígenos propiedades físicas

FLUÍDOS FRIGORÍGENOS
PROPIEDADES FÍSICAS; PROPIEDADES QUÍMICAS Y
PROPIEDADES
ATMOSFÉRICA.
MEZCLAS
FISIOLÓGICAS.
PROPIEDADES
AZEOTRÓPICAS.
CONTAMINACIÓN
TERMODINÁMICAS.
MEZCLAS
NO
AZEOTRÓPICAS. CODIFICACIÓN DE LOS FLUÍDOS
FRIGORÍGENOS ACTUALES.
AUTOR: MIGUEL ÁNGEL TOMÉ FERNÁNDEZ
DNI: 45.299.889-D
INTRODUCCIÓN
Se ha redactado el presente trabajo para el módulo de Máquinas y Equipos Frigoríficos que se
imparte en el primer curso del Ciclo Medio de Técnico en Instalaciones y Mantenimiento de
Equipos Térmicos y de Fluidos.
FLUÍDOS FRIGORÍGENOS.
Los fluidos refrigerantes pueden ser divididos en dos grupos: fluidos frigorígenos, aquellos que
evoluciona internamente en las máquinas de producción de frío y los fluidos frigoríferos o
refrigerantes secundarios que son los fluidos calorporteadores entre el medio a enfriar y el
fluido frigorígeno.
J. Navarro en “Fluidos refrigerantes, tablas y diagramas” define a los fluidos frigorígenos como
“fluido de trabajo que evoluciona cíclicamente en una máquina de producción de frío
vaporizándose
y
condensándose
alternativamente
mientras
absorbe
y
cede
calor,
respectivamente”.
También en el Reglamento de Seguridad para Plantas e Instalaciones Frigoríficas se define
como “Fluido utilizado en la transmisión del calor que, en un sistema frigorífico, absorbe calor a
bajas temperaturas y presión, cediéndolo a temperatura y presión más elevadas. Este proceso
tiene lugar generalmente con cambios de estados del fluido”.
PROPIEDADES FÍSICAS.
Los diferentes autores consultados como J. Navarro y J. Alarcón en “Tratado práctico de
refrigeración automática” coinciden en que para que un fluido se comporte como un buen
refrigerante, debe poseer las siguientes características físicas:
Baja temperatura de ebullición: un punto de ebullición por debajo de la temperatura
ambiente a presión atmosférica.
Alto calor latente de evaporización: el número de calorías a obtener en su ebullición ha
de ser muy elevado a fin de emplear la menor cantidad de refrigerante posible en el
proceso de evaporación para obtener una temperatura determinada.
Bajas temperaturas y presiones de condensación para que la condensación del
refrigerante se realice a las presiones de trabajo y a las temperaturas normales del
medio enfriador que se utilice (aire o agua). Aunque es recomendable que la presión de
condensación sea superior a la atmosférica para impedir la penetración de aire en el
sistema.
Bajo volumen específico del vapor para reducir el desplazamiento requerido del
compresor y el diámetro de las tuberías.
Altos puntos de presión y temperatura crítica: todos los refrigerantes tienen un punto en
que no condensan por muy grande que sea la presión aplicada. A este punto se le
conoce como punto crítico e interesa que sea lo más elevado posible para que el
refrigerante sea estable.
Inocuo sobre el aceite lubrificante utilizado por el compresor.
No deben ser ni inflamables ni explosivos.
No corrosivos para asegurar que la construcción del sistema se realiza con materiales
comunes y la larga vida de todos los componentes.
Temperaturas de descargas no muy elevadas para evitar problemas como la
descomposición o disolución del aceite lubrificante, del refrigerante o bien la formación
de contaminantes que pueden causar daños al compresor.
Fácil detección y localización de fugas.
Baja temperatura de congelación, por debajo de cualquier temperatura a la que pueda
operar el evaporador.
PROPIEDADES QUÍMICAS Y PROPIEDADES FISIOLÓGICAS.
Los fluidos frigorígenos están agrupados en algunas de las siguientes familias:
Derivados halogenados: son procedentes del metano, etano y propano por sustitución
parcial de los átomos de hidrógeno por átomos de Cl, F y Br. Dentro de este grupo
podemos encontrar los halogenuros saturados (CFC, HCFC, HFC, PFC y halones) y
los halogenuros insaturados (por ejemplo el R-1140).
o
CFC: clorofluorcarburos que contienen Cl, F y C en su molécula. (por ejemplo
el R-12)
o
HCFC: hidroclorofluorcarburos que contienen H, Cl, F y C en su molécula. (por
ejemplo el R-22).
o
HFC: hidrofluorcarburos que contienen H, F y C en su molécula. (por ejemplo
el R-134A).
o
PFC: perfluorcarburos que contienen F y C en su molécula. (por ejemplo el R508B).
Mezclas de los derivados halogenados: mezclas geotrópicas (por ejemplo R-404A) y
las mezclas azeotrópicas (por ejemplo R-507A).
Hidrocarburos: saturados (por ejemplo: R-600) e insaturados (por ejemplo R-1270).
Compuestos orgánicos no alquílicos: entre ellos el éter etílico, la metil amina, el éter
metílico y otro.
Compuestos inorgánicos: como el agua (R-718), el amoniaco (R-717), el anhídrido
carbónico (R-744), etc.
A pesar de que algunos de estos compuestos tienen muy buenas características como
refrigerantes, su uso se limita a aplicaciones concretas debido a que sus características
fisiológicas no son tan deseadas. Como ejemplo citaremos el amoniaco, buen refrigerante pero
que debido a su toxicidad y posible inflamabilidad ve limitada su aplicación. También los
hidrocarburos como el metano, butano, propano, etano, eteno e isopropano se consideran
peligroso por su inflamabilidad.
Por tanto es deseable que los refrigerantes sean no inflamables, no explosivos y no tóxicos.
Dentro de la familia de los carburos halogenados se ha observado que cuanto mayor sea la
presencia de hidrógeno mayor es la inflamabilidad, la presencia de cloro lleva a menores
puntos de ebullición y estabilidad química muy alta aunque, como veremos más adelante, tiene
elevados periodos de vida en la atmósfera, y la presencia de flúor reduce la toxicidad del
compuesto y la inflamabilidad cuando desplaza al hidrógeno pero potencia la capacidad de
generar el efecto invernadero.
En el capítulo IV del Reglamento de Seguridad para Plantas e Instalaciones Frigoríficas se
clasifican los refrigerantes atendiendo a su seguridad en tres grupos:
Grupo primero (alta seguridad): no son combustibles y de acción tóxica ligera o nula.
Grupo segundo (media seguridad): si su mezcla con el aire puede ser combustible o
explosiva a un 3,5% o más en volumen o si son de acción tóxica o corrosiva.
Grupo tercero (baja seguridad): si su mezcla con el aire puede ser combustible o
explosiva a menos de 3,5% en volumen.
Otra clasificación utilizada en la refrigeración es la realizada por el estándar americano
ANSI/ASHRAE 34-2001 que clasifica los refrigerantes en cuanto a sus propiedades tóxicas e
inflamables, así:
De acuerdo con la toxicidad existen dos clases:
Clase A: refrigerantes que no son manifiestamente tóxicos en concentraciones
inferiores a 400 ppm en volumen.
Clase B: refrigerantes que son manifiestamente tóxicos en concentraciones inferiores a
400 ppm en volumen.
De acuerdo con la inflamabilidad existen tres grupos:
Grupo 1: no propagan la llama en el aire.
Grupo 2: baja inflamabilidad, límite inferior de inflamabilidad superior a 0.10 kg/m³ y
calor de combustión menor de 19000 Kj/Kg.
Grupo 3: alta inflamabilidad, límite inferior de inflamabilidad inferior a 0.10 kg/m³ o calor
de combustión mayor a 19000 Kj/Kg.
En cuanto a los efectos de la humedad se debe decir que el agua puede combinarse con el
refrigerante dando lugar a ácidos, los cuales pueden reaccionar con el aceite lubricante y con
otros materiales del sistema provocando daños en válvulas, paredes del cilindro, sellos, etc. La
humedad también puede provocar deterioros en el aceite lubricante y formar sedimentos e
incluso atacar a los aislamientos eléctricos de los motocompresores.
Cuando los refrigerantes utilizados son halocarburos se puede producir el cobrado que consiste
en que los átomos de cobre se desprenden de la tubería y se depositan en las superficies
calientes de acero como en las paredes del cilindro, pistones, válvulas, etc. las cuales cambian
de tamaño y características de fricción.
CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA.
Los fluidos refrigerantes pueden ejercer efectos perjudiciales sobre el medio ambiente
mediante su acción sobre la capa de ozono y por su incidencia en el efecto invernadero.
Se ha demostrado que los refrigerantes CFC y en menor medida los refrigerantes HCFC son
capaces de destruir la capa de ozono debido a la presencia de cloro en su molécula.
Cuando se liberan estos refrigerantes, debido a la acción de los rayos ultravioletas, se van
liberando de las moléculas de cloro a medida que ascienden hacia la atmósfera. Una vez en la
estratosfera, la partícula de cloro reacciona con el ozono creando monóxido de cloro y oxígeno,
a continuación el cloro se desprende del oxígeno monovalente, esto es lo que se llama ciclo
cloro catalítico del ozono, destruyéndose así la capa de ozono (O3). Se estima que un solo
átomo liberado de un CFC puede provocar una reacción en cadena que destruya 100000
moléculas de ozono.
Para cuantificar el potencial de destrucción de la capa de ozono que tiene un refrigerante se ha
generado un parámetro denominado ODP (Ozone Depletion Potential). Desde el protocolo de
Montreal a todas las sustancias químicas reguladas se le asigna un valor ODP que van desde
el 1 que corresponde al R-11 por ser el compuesto de mayor poder destructor hasta el cero.
En la unión europea está prohibida la fabricación de los CFC desde 1995 y los HCFC tienen un
periodo de vigencia hasta el 2015 debido a que sus valores ODP varían entre 0,02 y 0,2.
En cuanto al efecto invernadero, los fluidos frigorígenos deben poseer la menor capacidad de
contribuir al efecto invernadero en caso de que no se descompongan al llegar a las capas más
alejadas de la atmósfera.
La radiación solar se convierte en calor al contactar con la tierra. Parte de este calor es remitido
hacia el espacio bajo la forma de radiación infrarroja. Algunos gases no dejan pasar estas
radiaciones y que quedan atrapadas produciéndose el llamado efecto invernadero. Si los gases
de efecto invernadero se encuentran en gran cantidad en la estratosfera se producirá un
aumento de la temperatura media del planeta.
Para evaluar la capacidad para alterar el balance de energía radiada entre la tierra y la
atmósfera se ha desarrollado un parámetro denominado potencial de efecto invernadero GWP
(Global Warming Potencial).
Este parámetro fue definido por el Grupo Intergubernamental de expertos en el Cambio
Climático (GICC) como “cociente entre la integral en el tiempo del forzamiento radiactivo
provocado por una unidad de masa de dicha sustancia y la integral en el tiempo del
forzamiento radiactivo provocado por una unidad del gas usado como referencia”, el gas que se
usa como referencia normalmente es el CO2. Por lo tanto, el GWP es un indicador relativo que
expresa el efecto climático que produce un determinado gas comparándolo con el otro gas de
referencia.
Las emanaciones de los gases refrigerantes a la atmósfera se suelen producir por fugas en las
instalaciones, por pérdidas durante las operaciones de mantenimiento o por la no recuperación
del refrigerante cuando la instalación queda en desuso. Estas emisiones se conocen como
Efecto Invernadero Directo, sin embargo existe un Efecto Invernadero Indirecto que será el
producido por las emisiones de CO2 que se han realizado para generar el funcionamiento de la
instalación frigorífica.
Por tanto, conocer el efecto invernadero que provoca un refrigerante depende de la eficiencia
energética de la instalación ya que se ponderará el efecto de las emisiones al ambiente más
las emisiones de CO2 producidas por la utilización de ese refrigerante como fluido de trabajo.
Con el objeto de integrar los efectos invernadero directo e indirecto se ha desarrollado el
parámetro Efecto Invernadero Global (TEWI):
TEWI = [GWPREFRIG * M REFRIG ] + [GWPOTROS * MOTROS ] + [α * E ANUAL * LAÑOS ]
GWPREFRIG Potencial del efecto invernadero del refrigerante.
M REFRIG Cantidad de refrigerante utilizada para el funcionamiento de la instalación durante
todo el periodo de vida.
[GWPOTROS * MOTROS ]
Se refiere a la utilización de otro gas para el que el IPCC tiene
asignado un valor de GWP así como la cantidad en masa de este gas empleado durante el
periodo de vida de la instalación. Por ejemplo los gases empleados para la fabricación de las
espumas rígidas de aislamiento.
α * E ANUAL * LAÑOS Factor de conversión para determinar el CO2 liberado por kilovatio hora
eléctrico producido por la energía consumida anualmente por el periodo de vida de la
instalación.
El efecto invernadero indirecto tiene una mayor relevancia que el efecto invernadero indirecto,
por lo tanto es importante desarrollar instalaciones con una elevada eficiencia energética para
disminuir los valores del TEWI.
PROPIEDADES
TÉRMICAS,
MEZCLAS
AZEOTRÓPICAS
Y
MEZCLAS NO AZEOTRÓPICAS.
Dentro de los refrigerantes podemos distinguir entre los formados por un solo tipo de molécula
o los formados por más de un componentes.
Los fluidos refrigerantes puros están formados por un componente con un único tipo de
molécula. Así, para una presión dada la temperatura permanece constante durante el cambio
de estado. Como ejemplo citamos el R-134ª, R-123, R-22, amoniaco, agua, etc.
Podemos clasificar las mezclas en azeotrópicas y en mezclas zeotrópicas.
En la mezclas azeotrópicas para una presión y una temperatura dada, el refrigerante tiene la
misma composición tanto en fase líquida como en fase de vapor, por lo que se comporta como
si fuera un único fluido puro realizando su cambio de estado a presión y temperatura constante.
Como ejemplo podemos citar el R-502, R-507ª, R-508B.
Una mezcla zeotrópica es un fluido con dos o mas componentes y/o tipos de moléculas que a
presión constante presenta un deslizamiento de la temperatura durante los procesos de
evaporación y condensación. Esto es debido a la evaporación o condensación de uno de los
componentes antes que los restantes.
Como ejemplo expondremos el proceso de evaporación del fluido R-407C compuesto por un
23% de R-32, un 25% de R-125 y un 42% de R-134a presentando un deslizamiento de
temperatura medio de 7º C.
A la salida de la válvula de expansión se crea una mezcla bifásica donde el vapor es más rico
en el componente más volátil (R-32), de esta manera el líquido restante cambia su composición
original, ahora es más pobre en R-32, y eleva su punto de ebullición. La composición del
líquido va cambiando hasta que todo el líquido se evapora. Así el glide de temperatura se
define como la diferencia de temperatura existente entre el punto burbuja (bubble point,
condiciones de presión y temperatura a la que un líquido empieza a convertirse en vapor) y el
punto de rocío (dew point, condiciones de presión y temperatura en la que el líquido comienza
a condensar a partir de un vapor). Sin embargo hay que resaltar que en el evaporador de una
instalación se observa un deslizamiento de temperatura aparente ya que la entrada no está
como líquido saturado.
Debido a desplazamiento de la composición del refrigerante durante el cambio de estado, es lo
que se conoce como fraccionamiento, en caso de fuga no se conoce qué proporción de cada
compuesto queda realmente en la instalación y cabe la probabilidad que las propiedades
termodinámicas del refrigerante no sean las diseñadas.
Otro aspecto importante del fraccionamiento en las mezclas zeotrópicas es la carga del
refrigerante en la instalación, para procurar que la composición de la mezcla cargada sea la de
diseño esta se debe realizar en estado líquido.
CODIFICACIÓN DE LOS FLUIDOS FRIGORÍGENOS ACTUALES.
La nomenclatura de los fluidos frigorígenos se detalla en la norma ANSI/ASHRAE 34
“Designación y clasificación de los fluidos refrigerantes” y queda recogida de forma resumida
en la instrucción MI IF 002 “Clasificación de los refrigerantes” del Reglamento de seguridad
para Plantas e Instalaciones Frigoríficas.
La denominación se realiza a partir de su fórmula química que sigue a la letra R (refrigerante)
en la que:
•
La primera cifra de la derecha, en los compuestos que carezcan de bromo, indicarán
el número de átomos de flúor de su molécula.
•
La segunda cifra desde la derecha indicará el número de átomos de hidrógenos de su
molécula más uno.
•
La tercera cifra desde su derecha indicará el número de átomos de carbono de su
molécula menos uno (si resultara cero no se indicará).
•
La cuarta cifra desde la derecha indica el número de enlaces no saturados del carbono
en el compuesto (si resulta cero no se indicará).
Si la molécula contiene átomos de bromo se procederá de la misma forma añadiendo luego a
la derecha una B mayúscula seguida del número de átomos. Ejemplo bromotrifluormetano
CF3Br R-13B1.
Los derivados cíclicos se expresan según la regla general encabezando con una C mayúscula
a la izquierda del número de refrigerante. Ejemplo R-C318.
Cuando un refrigerante contiene un solo átomo de carbono sólo se puede asociar con los
demás átomos de un mismo modo. Si la molécula contiene dos átomos de carbono existen dos
formas de asociación, isómeros. La configuración que más uniformemente distribuya los pesos
atómicos ligados a cada átomo de carbono se le designará siguiendo la regla general y a la
siguiente se le designará con una letra minúscula en orden alfabético. Como ejemplo ponemos
el caso de los refrigerantes R-134 y R-134’a.
Para moléculas con tres carbonos, dos letras minúsculas contemplan su nomenclatura. La
primera designa los átomos de enlace al carbono intermedio (a para el Cl2; b para el Cl-F; c
para el F2; d para el Cl-H; e para H-F; f para H2) y la segunda relaciona la simetría en peso
atómico de los carbonos extremos (los pesos más simétricos se designan con la letra ‘a’ y así
sucesivamente).
En las mezclas zeotrópicas, al final de la designación se añade una letra mayúscula ‘A’, ‘B’,
‘C’…en caso de estar constituido por los mismos componentes pero con diferente composición
en masa.
Para la nomenclatura de los refrigerantes inorgánicos se le añade al número 700 los pesos
moleculares de los compuestos. Ejemplo amoniaco R-717, agua R-718, anhídrido carbónico R744, etc.
En la tabla se resume la serie numérica asignada a cada grupo de compuestos:
Serie 000
Compuestos basados en el metano
Serie 100
Compuestos basados en el etano
Serie 200
Compuesto basados en el propano
Serie 300
Compuesto orgánico cíclico
Serie 400
Fluidos zeotrópicos
Serie 500
Fluidos azeotrópicos
Serie 600
Compuestos orgánicos no incluidos en las
demás series
Serie 700
Compuestos inorgánicos
Serie 1000
Compuestos orgánicos insaturados
Bibliografía
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Manual del frigorista 2009 editado por PECOMARK, HONEYWELL y
FRIOGAS
Francis Cabeza “Las bases del frío. De la teoría a la práctica” Ed. Didafrío.
José Alarcón Creus “Tratado práctico de refrigeración automática” Ed.
Marcombo.
Samir Saydaoui “Prácticas de las máquinas frigoríficas” Ed. Marcombo.
Carlo Pizzetti “Acondicionamiento del aire y refrigeración” Ed. Bellisco.
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María Teresa Sánchez y Pineda de las Infantas “Ingeniería del frío: teoría y
práctica” Ed. AMV.
J. Navarro y otros “Fluidos refrigerantes. Tablas y diagramas”
P. J. Rapin y otros “Instalaciones frigoríficas” Ed. Marcombo.
Carrier “Manual Carrier del aire acondicionado” de. Marcombo.
Reglamento de seguridad para plantas frigoríficas.
Reglamento de instalaciones térmicas en los edificios.
Reglamento electrotécnico para baja tensión.
“Viaje de una molécula de refrigerante a través de un circuito frigorífico”
Comunidad de Madrid.