Análisis comparativo de las características básicas de los fluidos

ANÁLISIS COMPARATIVO DE LAS CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DE LOS FLUÍDOS
REFRIGERANTES MÁS UTILIZADOS
E. García Ortiz, G. Búrdalo, M. Veiga, J. Cepeda, M. Fuentes, M. de Barrios,
J. Ferrero,
Universidad de León, Escuela de Ingenierías Industrial e Informática,
Campus Universitario, 24071-León, España
+34 987 291777
[email protected]
Resumen: La prohibición en algunos casos, o conveniencia en otros, de no utilizar
determinados refrigerantes, ha abierto un abanico nuevo de posibilidades técnicas en la
elección de los fluidos más aconsejables para los equipos de frío. Por ello, es conveniente
conocer en profundidad el comportamiento de dichos refrigerantes al objeto de tener
fundamentos para la elección de los más adecuados en cada circunstancia.
En la presente comunicación se analizan las características básicas de los fluídos
refrigerantes más utilizados en las instalaciones frigoríficas actuales, tales como R-134a,
R-124, R-125, R-410A, R-507 ó R-717.
Se estudian los aspectos relativos a presión de evaporación, volumen específico, relación
de compresión, trabajo específico de compresión, calor disipado, temperatura de
descarga o COP, entre otros.
Palabras clave: frío, refrigeración, refrigerantes
1.
INTRODUCCIÓN Y ANTECEDENTES
La tecnología del frío ha experimentado una fuerte evolución a partir de mediados del
pasado siglo XX, primero con la aparición de los refrigerantes halogenados y,
posteriormente, con la decidida protección del medio ambiente frente a las consecuencias
derivadas del uso de los mencionados refrigerantes.
Hoy en día nos encontramos inmersos en una fase de adaptación y cambio en las
instalaciones frigoríficas, tanto a nivel de fabricantes, como de usuarios, formando los
técnicos parte importante de esta, por llamarla así, “revolución” en el mundo de la
industria del frío.
Reseñamos a continuación, sin remontarnos a acontecimientos más o menos lejanos,
una serie de hechos históricos relevantes en el desarrollo de los refrigerantes y la
industria de la refrigeración
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
1873 - El Dr. Carl Linde introdujo el compresor de amoníaco.
1931 - Se introduce comercialmente el freón 12.
1932 - Introducción comercial del freón 11.
1936 - Introducción comercial del freón 22. No obstante, su desarrollo a gran
escala no se produjo hasta después de la 2ª guerra mundial.
1950 - Introducción comercial del R-500.
1961 - Introducción comercial del R-502.
1974 – Los científicos Molina y Rowland presentaron la hipótesis de que
algunos gases emanados desde la Tierra deterioraban la capa de ozono, lo
que fue confirmado más tarde por la NASA.
1987 – Se aprueba el Protocolo de Montreal, por el que se decide eliminar los
compuestos que deterioran la capa de ozono. A partir de ese mismo año los
principales fabricantes de refrigerantes comienzan a producir compuestos que
puedan sustituir a los que habrían de desaparecer, entre ellos los R-134a, el
R-123, R-124 y diversas mezclas zeotrópicas.
1990 – Revisión de Londres, en donde se reducen notablemente los plazos
para la eliminación de los denominados CFC’s.
2000 – Publicación de una reglamentación en el Diario Oficial de las
Comunidades Europeas el 29 de septiembre. Este reglamento CE nº
2037/2000, establece las fechas que limitan el uso de los fluidos
clofluorocarbonados (CFC) y de los hidroclorofluocarbonados (HCFC).
Así pues, partimos de una situación que, no por conocida, deja de tener gran
trascendencia en el sector frigorífico, como a continuación comentaremos.
2.
LOS REFRIGERANTES Y EL MEDIO AMBIENTE
Veremos en los apartados siguientes la relación existente entre estos compuestos
químicos y el medio ambiente.
2.1.
El deterioro de la capa de ozono
La acción destructora de la capa de ozono por los compuestos que contienen cloro es
mundialmente aceptada. El cloro, procede de la descomposición de las moléculas de
clofluorocarbonados (CFC) y en menor medida de los hidroclorofluocarbonados (HCFC).
Se ha definido un índice que pretende poder comparar el poder destructivo de los
diferentes refrigerantes. Dicho índice es el ODP (Ozone Depletion Potencial). Toma el
valor 1 de referencia para el R-11, siendo muy elevado para aquellos compuestos que
contiene cloro en sus moléculas sin existir átomos de hidrógeno (CFC), y con cifras tanto
más pequeñas cuanto mayor es la presencia de átomos de hidrógeno (HCFC).
Se concluye, por tanto, que la ausencia de átomos de cloro indicará la nula
repercusión del correspondiente compuesto sobre la capa de ozono.
Más adelante se indicarán los datos de ODP correspondientes a los fluidos más
significativos.
2.2.
La contribución al efecto invernadero.
De forma paralela a lo indicado en relación con la capa de ozono se ha estudiado la
contribución de estos compuestos al efecto invernadero, contribución que puede adquirir
mayor importancia en el futuro dada la permanencia de dichas moléculas en la atmósfera.
Resulta obligado añadir a todo lo expuesto que existen otras actividades y sectores
industriales que igualmente utilizan CFC’s y HCFC’s, ya que éstos pueden usarse, por
ejemplo, como agentes propelentes en aerosoles, en productos de limpieza y otros
ámbitos, por lo que la tecnología del frío representa una aportación más, si bien
importante, en el deterioro del medio ambiente en los dos aspectos considerados.
De forma análoga a la anterior, se ha definido un índice en relación con la diferente
contribución que presentan los compuestos al efecto invernadero, en definitiva al
calentamiento global del planeta. Se conoce como GWP (Global Warning Potencial), y su
referencia es el valor correspondiente al CO2.
En la tabla siguiente se exponen los valores relativos a una serie de refrigerantes.
Tabla 1: Índices medioambientales
REFRIG.
R-11
R-22
R-124
R-23
R-125
R-134a
R-404A
R-410A
R-507
R-717
ODP
(R-11 = 1)
1
0,055
0,022
0
0
0
0
0
0
0
GWP
(CO2 = 1; 100 a)
200
1.700
480
11.700
2.800
1.300
3.260
1.725
3.300
0
Ya se pueden hacer especiales consideraciones sobre las cifras que figuran en la
tabla. El primero, R-11, es el más representativo de los CFC’s, como lo demuestra el valor
de 1 de ODP.
Los dos siguientes fluidos (HCFC) ofrecen valores de ODP reducidos, debido a la
presencia de hidrógeno, pero la presencia también de cloro es causa de su ya muy
próxima desaparición.
Por el contrario, los que se encuentran entre el R-23 y el R-507, compuestos
hidrofluorocarbonados (HFC), no dañan a capa de ozono, si bien su contribución al efecto
invernadero es digno de señalar.
Finalmente, y como refrigerante singular, está el R-717 (NH3), que es totalmente
inocuo para cualquiera de los dos efectos sobre el medio ambiente considerados.
2.3. Las consecuencias legales.
Ya se ha expuesto someramente la evolución de hechos que han afectado al
desarrollo de la tecnología del frío en cuanto a los fluidos refrigerantes.
Reproducimos a continuación en la figura 1 un resumen de lo determinado por la
Unión Europea, a partir del Reglamento ya mencionado CE 2037/2000.
Figura 1: Desarrollo del reglamento CE 2037/2000
Así pues, la utilización de los HCFC, también denominados “refrigerantes de
transición”, viene siendo cada día más restrictiva, lo que culminará en enero de 2015.
Figura 2: Fluidos disponibles más importantes
La utilización de refrigerantes que no presenten ningún condicionante legal es, por
tanto, absolutamente obligada.
En la figura 2 se ha reflejado la situación actual y para un próximo futuro de los fluidos
disponibles más importantes.
Sólo cabe añadir que la consideración de “medio/largo plazo” puede aludir al hecho
posible de que en un futuro estos refrigerantes que hoy se mencionan como “definitivos”
dejen paso a otros más adecuados para el medio ambiente, en especial por lo que hace
referencia al calentamiento global.
3.
ANÁLISIS DE ALGUNOS REFRIGERANTES RELEVANTES
Analizaremos a continuación las características de mayor importancia de algunos de
los refrigerantes, de los diversos tipos, a fin de que puedan compararse entre sí, con
atención especial, como es lógico, a aquellos que deben utilizarse hoy en día.
Para ello, nos fijaremos en su comportamiento en el ciclo clásico frigorífico, el ciclo
saturado simple, y para los parámetros termodinámicos más importantes, estudiando la
variación de dichos parámetros en función de la variación de la temperatura de
evaporación.
3.1. Bases de partida
Nos basaremos en las siguientes consideraciones y parámetros:
• Aplicación del fluido a un ciclo saturado simple, para una temperatura de
condensación de +30 ºC
• Parámetros a estudiar en el ciclo:
 Presión de evaporación
 Volumen específico
 Relación de compresión
 Capacidad frigorífica
 Trabajo específico de compresión
 Calor disipado
 Temperatura de descarga
 Coeficiente de funcionamiento
• Variación en la temperatura de evaporación: Desde - 40ºC hasta - 5ºC
Los refrigerantes estudiados serán los siguientes:
o HFC’s: R-23, R-125, R-134a, R-404A (mezcla), R-410A (mezcla), R507 (mezcla)
o HCFC’s: R-124
o CFC’s: R-11; R-502 (mezcla)
o Inorgánico: R-717
3.2. Análisis de comportamiento de los fluidos
Presión de condensación.
En la gráfica 1 puede verse que sobresale específicamente el caso del R-23, en el
que las presiones son llamativamente altas. Se trata de un refrigerante que sólo puede
utilizarse para bajas temperaturas, no pudiendo ser la temperatura de condensación
superior a + 20ºC. Se ha reflejado únicamente a efectos de comparación.
Igualmente destacable es el R-11, actualmente prohibido (CFC), y utilizado para
temperaturas en el entorno de 0ºC. Sobresalen sus cifras, muy bajas.
El resto de los refrigerantes, incluido el R-717 (amoniaco), ofrecen cifras similares en
cuantía y evolución, siendo las más bajas las del R-134a, sustitutivo natural del R-11.
Presión de evaporación
Presión de evaporación (bar)
25
R-23
20
R-124
R-125
R-134a
15
R-404A
R-410A
10
R-507
R-11
R-502
5
R-717
0
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
Temperatura (ºC)
Gráfica 1: Evolución de la presión de evaporación
Volumen específico
Volumen específico
1800
Volumen específico (dm 3/kg)
1600
R-23
1400
R-124
R-125
1200
R-134a
1000
R-404A
800
R-410A
R-507
600
R-11
R-502
400
R-717
200
0
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
Temperatura (ºC)
Gráfica 2: Evolución del volumen específico
Estudiamos la evolución del volumen específico a la entrada del compresor en el ciclo
saturado simple de referencia (gráfica 2).
Llamativamente altos los volúmenes correspondientes al R-11, lo que avala el que se
haya utilizado para temperaturas altas.
De igual forma podemos comentar el caso del R-717, con cifras elevadas, siendo ésta
una de sus propiedades más perjudiciales y que ha de tenerse en cuenta en el diseño de
sus instalaciones.
De muy interesantes cabe calificar las gráficas, con valores muy pequeños, del R134a y del R-404A, fluidos en la actualidad en gran desarrollo y aplicación.
Relación de compresión.
Relación de compresión
18
16
Relación de compresión
R-23
14
R-124
R-125
12
R-134a
10
R-404A
8
R-410A
R-507
6
R-11
R-502
4
R-717
2
0
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
Temperatura (ºC)
Gráfica 3: Evolución de la relación de compresión
Factor éste, la relación de compresión (gráfica 3), muy importante por su repercusión
en el tamaño y cualificación económica de una instalación, siendo conveniente que sus
valores no aumenten de forma excesiva. Como era de esperar, las gráficas presentan una
tendencia claramente decreciente a medida que las temperaturas de evaporación
aumentan.
El más destacable en las gráficas es el R-23, lo que vuelve a apoyar su buena
adaptación a bajas temperaturas. Puede reseñarse que el comportamiento del R-134a es
algo mejor que el del R-11.
Capacidad frigorífica
La capacidad frigorífica (gráfica 4) nos viene a definir la importancia de un refrigerante
en su utilidad para absorber calor en su paso por el evaporador, de ahí el interés de que
sus valores sean altos. Sobresale, por tanto el R-717, muy por encima del resto; la
anchura del segmento de evaporación en su caso, en un diagrama p-h, es la mayor en los
fluidos utilizados habitualmente. Esto hace que su uso en instalaciones de mediano o gran
tamaño sea en ocasiones muy adecuado.
En el resto de los fluidos se aprecia una variación muy pequeña en las cifras, todas
ellas bastante similares.
Capacidad frigorífica (kJ/kg)
Capacidad frigorífica (kJ/kg)
1200
R-23
1000
R-124
R-125
800
R-134a
R-404A
600
R-410A
R-507
400
R-11
R-502
200
R-717
0
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
Temperatura (ºC)
Gráfica 4: Evolución de la capacidad frigorífica
Trabajo específico de compresión
Trabajo específico de compresión (kJ/kg)
Trabajo específico de compresión (kJ/kg)
450
400
R-23
350
R-124
R-125
300
R-134a
250
R-404A
200
R-410A
R-507
150
R-11
R-502
100
R-717
50
0
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
Temperatura (ºC)
Gráfica 5: Evolución del trabajo específico de compresión
Si dejamos aparte el R-410A, el único que destaca de forma significativa es el R717, que vuelve a dejar patente las enormes diferencias de comportamiento
termodinámico que presenta en relación con el resto de fluidos estudiados, todos ellos
orgánicos. Sin duda esos elevados valores inciden en la inversión requerida en sus
instalaciones.
La totalidad de las gráficas presentan, en mayor o menor medida, una tendencia
decreciente. Esta característica común, junto a otras ya comentadas, pone de relieve la
necesidad de realizar un buen diseño en las instalaciones, con el mejor ajuste posible en
la temperatura de evaporación.
Calor disipado
Se trata del calor cedido en condensador (gráfica 6) y, nuevamente, el único
sobresaliente viene a ser el R-717, con cifras relevantes que repercutirán en las
instalaciones necesarias. En este parámetro las gráficas, si bien de carácter decreciente,
tiene pendientes muy pequeñas.
Calor disipado (kJ/kg)
1600
Calor disipado (kJ/kg)
1400
R-23
R-124
1200
R-125
1000
R-134a
R-404A
800
R-410A
R-507
600
R-11
400
R-502
R-717
200
0
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
Temperatura (ºC)
Gráfica 6: Evolución del calor disipado
Temperatura de descarga
Temperatura de descarga (ºC)
180
Temperatura de descarga (ºC)
160
R-23
140
R-124
R-125
120
R-134a
100
R-404A
80
R-410A
R-507
60
R-11
R-502
40
R-717
20
0
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
Temperatura (ºC)
Gráfica 7: Evolución de la temperatura de descarga
En la gráfica 7, dejando de lado el caso singular del R-717, el resto de los fluidos
también merece algún comentario, ya que, aunque todas las gráficas presentan
tendencias similares, las cifras sí que ofrecen diferencias de mención en algún caso.
Así, por ejemplo, ha de citarse el mejor comportamiento del R-134a frente al R-11.
Igualmente, son bajos los valores del R-125 y del R-404A, este último del máximo interés,
ya que se está implantando con frecuencia en instalaciones de baja temperatura
Coeficiente de funcionamiento
COPr
7
6
R-23
R-124
COPr
5
R-125
R-134a
4
R-404A
R-410A
3
R-507
R-11
2
R-502
R-717
1
0
-40
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
Temperatura (ºC)
Gráfica 8: Evolución del coeficiente de funcionamiento
El COPr, o Coeficiente de funcionamiento real (gráfica 8), viene a ser el parámetro
que define de manera global la comparación entre los diferentes refrigerantes. De manera
general, como ya viene sucediendo, mejora sus cifras de forma clara al incrementarse la
temperatura de evaporación.
Si lo analizamos para los diferentes fluidos, el R-124 (HCFC) y el R-717 presentan
los mejores resultados, estando a continuación el R-11 (CFC).
El resto solapa prácticamente sus gráficas, con una ligera ventaja para el R-134a,
y siendo la más baja la correspondiente al R-125.
Otros condicionantes de interés
En el estudio de los fluidos refrigerantes a utilizar no podemos dejar de considerar
tres aspectos importantes y gran repercusión práctica.
1. Por una parte, el aspecto económico, presupuestario, de las instalaciones a
proyectar. Puede asegurarse, sin gran margen de error, que las instalaciones que utilizan
refrigerantes orgánicos tienen implicaciones económicas bastante similares, por lo que
este factor, para este tipo de fluidos, no es excesivamente relevante en la elección del
refrigerante a utilizar.
Sin embargo, las instalaciones de amoniaco (R-717) son comparativamente más
caras, necesitan de unos aspectos tecnológicos más complejos, que no pueden ser
motivo de esta comunicación, y que implican mayor peso económico. En este sentido,
también hay que considerar que esa complejidad exige a veces la presencia de técnicos
cualificados para el mantenimiento de la instalación.
2. Desde el punto de vista tecnológico también es necesario tener presente la
disponibilidad de equipos a nivel comercial de forma contrastada. En el mercado actual no
hay dificultad para poder disponer de equipos que utilicen, dentro de los estudiados, los
fluidos siguientes: R-134a, R-404A, R-507, R-717 e incluso R-23, si bien, como es lógico,
paulatinamente se irán añadiendo a esta lista nuevos refrigerantes, como es el caso del
R-407C.
3. Finalmente, un último aspecto, también económico, no puede olvidarse. Se trata
del coste del propio refrigerante. En este sentido, la primacía absoluta la tiene el R-717,
de coste unitario muy inferior al de los fluidos orgánicos.
4.
CONCLUSIONES
En este estudio hemos presentado un análisis de un conjunto de diez refrigerantes
relevantes en el desarrollo de la ingeniería del frío, tanto desde el punto de vista legal, por
las repercusiones de la directiva CE 2037/2000, como de sus características
termodinámicas.
De ellos ya habría que descartar los CFC’s y HCFC’s, restando únicamente los
orgánicos HFC’s y el R-717 (amoniaco). En el análisis termodinámico, realizado sobre 8
parámetros en base a un ciclo frigorífico básico de referencia, se han constatado las
propiedades diferenciales de cada uno de los fluidos considerados.
Creemos que todo ello puede contribuir a un mejor conocimiento de la situación del
sector, en un aspecto tan importante como es el diseño de la instalaciones, a partir de la
elección adecuada del refrigerante a utilizar, así como de las condiciones del ciclo, pues
una correcta elección de las temperaturas de evaporación y condensación tiene una gran
repercusión en su rendimiento.
BIBLIOGRAFÍA
Franco, J.M., 2006. Manual de Refrigeración. Ed. Reverté.
Navarro, J., Cabello, R., Torrella, E., 2003. Fluidos Refrigerantes, Tablas y Diagramas.
AMV Ediciones.
Rodríguez, E., 2005. Los Refrigerantes en las Instalaciones Frigoríficas. Ed. Thompson
Paraninfo.
Sánchez, M.T., 2005. Ingeniería del Frío: Teoría y Práctica. AMV Ediciones.