Propiedades de los refrigerantes
Introducción
¡Hola amable estudiante!
Me siento muy feliz de encontrarte en esta segunda sesión del curso Ingeniería del Frío, ya verás que lo que aprendas de ella será muy benéfico para tu formación académica, es por ello que te invito a conocerla.
En esta clase aprenderás diferentes cosas relacionadas a los refrigerantes. A manera de introducción, debes saber que el fluido que transporta el calor en un ciclo de refrigeración se conoce como refrigerante. En ocasiones, este recibe un nombre considerado como homónimo el cual es fluido frigorígeno, por lo cual, en la literatura puedes encontrarte este concepto definido de ambas formas.
Es importante que no se confunda el término refrigerante con enfriador, ya que el primero puede ser utilizado a temperaturas por debajo de cero grados Celcius, mientras que el segundo solamente se utiliza para temperaturas por encima del punto de congelación del agua.
Para el tema en cuestión, te comento que revisaremos en esta sesión los siguientes puntos:
- Historia de los refrigerantes.
- Propiedades de los refrigerantes.
- Nomenclatura de los refrigerantes.
- Aspecto Ambiental.
- Tendencias de los refrigerantes a nivel mundial.
En los temas mencionados, aprenderás cómo reconocer los refrigerantes y el impacto ambiental que éstos generan al ser empleados en los sistemas de refrigeración por compresión de vapor. También conocerás los tipos de refrigerantes que existen y cómo se presentan las tendencias a futuro en materia del uso de estas sustancias.
Sin más preámbulo, te invito a que revises el material proporcionado para que puedas conocer más sobre este interesante tema que son los refrigerantes. Disfruta el contenido y recuerda que estoy a tu disposición para cualquier duda, comentario o pregunta sobre el tema de esta segunda sesión.
¡Prosigamos!
Desarrollo del tema
Historia de los refrigerantes
Un refrigerante es una sustancia que tiene la capacidad de transmitir calor. Absorbe energía térmica a bajas temperaturas y presiones y sede esta energía a altas temperaturas y presiones. En sentido figurado, los refrigerantes pueden ser considerados como la sangre que trasiega sobre la tubería de todo el sistema de refrigeración por compresión de vapor.
Los refrigerantes han venido evolucionando desde su creación. Se tiene conocimiento que los primeros refrigerantes eran soluciones de agua con sal cuya temperatura era inferior a la del hielo, posteriormente se descubrió que el frío podía conseguirse mediante una disminución de presión de vapor en ciertas sustancias, las cuales tomaron el nombre de refrigerantes [1]. En aras de conseguir refrigeración a placer, el ser humano empezó a inventar máquinas que consiguieran el objetivo de generar frío bajando la presión de vapor de los refrigerantes.
En el siglo XVIII, Jacob Perkins construyó la primera máquina capaz de generar frío por compresión de vapor utilizando éter como refrigerante. Desde luego, este tipo de refrigerantes no eran nada amigables con el ser humano dado la toxicidad que presenta esta sustancia, por lo que se continuó con la búsqueda de opciones que pudieran ser el reemplazo de esta sustancia.
En el mismo siglo, se utilizó una mezcla de agua y ácido sulfúrico para generar frío, la cual consiguió el objetivo, pero seguía utilizando sustancias tóxicas. En 1869, Ferdinand Carré construyó una máquina que utilizaba amoniaco y agua y los resultados fueron satisfactorios [2], tanto que hoy en día el amoniaco sigue utilizándose a nivel industrial para la generación de frío. No obstante, se necesitaban otros refrigerantes que pudieran ser utilizados en aplicaciones domésticas, comerciales y de climatización automotriz, por lo que la búsqueda continuó.
En el siglo XIX, intentos por conseguir refrigeración con sustancias inocuas al ser humano fueron realizados por muchos investigadores siendo el dióxido de carbono uno de los que se perfilaba como una alternativa firme para ser la solución, sin embargo, este refrigerante tenía algunas características que jugaban en su contra, entre ellas estaban sus altas presiones de trabajo y su bajo desempeño energético. Es así que, a inicios del siglo XX (1930) Thomas Midgley anunció el nacimiento de los refrigerantes halogenados, los cuales fueron propuestos como los que reemplazarían al dióxido de carbono y todos aquellos refrigerantes que pudieran comprometer el desempeño energético, toxicidad y flamabilidad [3]. Era el nacimiento de una segunda generación, la de los refrigerantes con alto desempeño.
Los refrigerantes halogenados se utilizaron sin ningún inconveniente hasta finales de 1960, cuando científicos a nivel mundial descubrieron la formación de un agujero en la capa de ozono, producto justamente del uso desmedido de sustancias que contenían cloro en su molécula principal, los halogenados. En 1974, Sherwood Rowland fue el primero que sospechó sobre este problema y en 1985, Mario Molina confirmó las sospechas que hacía 11 años ya se tenían [4]. A partir de aquí, los refrigerantes halogenados estuvieron en la mira a nivel internacional y, fue hasta 1987, cuando con base al protocolo de Montreal se propuso su eliminación [5].
Nace entonces la tercera generación de refrigerantes donde lo que se tenía que evadir era precisamente refrigerantes con contenido de cloro en su molécula principal, toda vez que se descubrió que la molécula de cloro, al unirse con el ozono formaba óxido de cloro + oxígeno en la estratosfera, compuesto que no ayuda nada con la eliminación de rayos UV que tanto daño producen a los seres vivos [6].
Para 1997 se empezó a presentar un fenómeno a nivel mundial, el cual era el cambio climático producido por el calentamiento excesivo de la superficie terrestre, producto del uso de gases de efecto invernadero, como lo son los refrigerantes de tercera generación. Para regular este problema, se emite el Protocolo de Kioto [7] en el año mencionado, el cual es un instrumento que permite la regulación del uso desmedido de refrigerantes con alto potencial de calentamiento global. A partir de aquí, inicia la cuarta generación de refrigerantes, la cual tiene como objetivo principal, la eliminación paulatina de refrigerantes que dañen la capa de ozono y que tengan un potencial de calentamiento global de tres dígitos.
Para darle mayor fuerza a estas iniciativas, en 2016 se emite la enmienda de Kigali [8], la cual fortalece al Protocolo de Kioto y es la que actualmente está en vigor a nivel internacional en materia de regulación de gases de efecto invernadero. La Diagrama 1 muestra una infografía de la evolución histórica de los refrigerantes.
Propiedades de los refrigerantes
Las propiedades son las características típicas de cualquier sustancia. A continuación se mencionan algunas de las propiedades más importantes de los refrigerantes:
- Punto de burbuja: Es la temperatura a la cual un líquido saturado comienza a hervir.
- Punto de rocío:
- Es la temperatura a la cual un líquido saturado evapora su última gota, o cuando aparece la primer gota de líquido en un vapor saturado.
- En los compuestos puros el punto de rocío y el punto de burbuja ocurren a la misma temperatura,
- En el caso de las mezclas, el punto de burbuja ocurre a una temperatura menor que el punto de rocío a una presión constante.
- Deslizamiento de temperatura (Glide): Es la diferencia de temperatura entre el punto de rocío y el punto de burbuja.
Cabe mencionar que, a mayor valor de deslizamiento de temperatura mayor es la probabilidad de descompensación de un refrigerante a la hora de ocurrir una fuga. Entre más bajo es el valor del deslizamiento de temperatura, la mezcla tiene un comportamiento más parecido a un compuesto puro. En la Figura 2, se muestran las propiedades descritas anteriormente en un diagrama Temperatura vs Calor. Diagrama 2 muestra un comparativo para el R134a y el R409A.
Los refrigerantes se pueden clasificar de acuerdo a diferentes tipos, por ejemplo, una clasificación muy conocida se muestra en la Diagrama 3.
De la Diagrama 3, puede mencionarse que los refrigerantes naturales no inflamables son aquellos que no tienen afinidad a arder fácilmente. Los refrigerantes que caen dentro de este rubro son: Dióxido de Carbono, Amoniaco, Agua y Aire. Por otro lado, en el tema de los refrigerantes naturales inflamables, es decir aquellos que encienden a gran velocidad, los hidrocarburos son los que ocupan este puesto. Los refrigerantes que están en esta clasificación son el Propano, Isobutano y el Propileno [9].
Una de las características que tienen los refrigerantes naturales es que todos ellos poseen valores de potencial de destrucción del ozono (ODP, por sus siglas en inglés) nulo, y por lo general presentan valores potenciales de calentamiento atmosférico (PCA), bajos, incluso cerca de la unidad. Sin embargo, no son tan utilizados de manera general porque presentan peculiaridades que los convierten en opciones no tan prácticas.
Para la clasificación de los refrigerantes sintéticos, se encuentran aquellos que son puros y las mezclas. Dentro de las mezclas se conocen las zeotrópicas y las azeotrópicas.
- Mezclas zeotrópicas: Se le llama mezcla zeotrópica a la mezcla de dos o más refrigerantes puros con diferentes volatilidades.
- Mezclas azeotrópicas: Las mezclas azeotrópicas ocurren cuando las interacciones fisicoquímicas entre los componentes de la mezcla a una concentración específica son tan fuertes, esto porque las volatilidades de los componentes de la mezcla se igualan en un punto específico.
Las mezclas azeotrópicas tienen la ventaja de que, al comportarse como un compuesto puro, se pueden cargar al sistema en cualquier fase, mientras que las mezclas zeotrópicas deben cargarse siempre en la fase líquida. Diagrama 4 muestra una representación gráfica de lo que sucede con las mezclas de refrigerantes.
Nomenclatura de los refrigerantes
La forma de nombrar a un refrigerante está establecida mediante el estándar 32 de la sociedad americana de ingenieros en aire acondicionado y refrigeración (ASHRAE, por sus siglas en inglés). Este estándar resume la manera de nombrar a los refrigerantes en la Tabla 1.
Tabla 1. Algunas características de clasificación del Standard 34.
De acuerdo a esta Tabla 1, los refrigerantes conocidos como inorgánicos, pueden nombrarse con base al estándar 32 de la ASHRAE, considerando además el peso molecular de la sustancia, por ejemplo, si se quiere nombrar al dióxido de carbono de acuerdo a este estándar, se debe considerar en primera instancia que se trata de una sustancia inorgánica, por lo que el primer dígito deberá ser el 7, a continuación se debe considerar el peso molecular del refrigerante, el dióxido de carbono tiene un peso molecular de 44 g/mol, por lo que el nombre para esta sustancia como refrigerante será R744. De la misma manera se haría para el agua, el amoníaco, el aire, etc.
Aspecto ambiental
En relación a lo que tiene que ver con el tema ambiental, los refrigerantes pueden ser evaluados mediantes diferentes parámetros. Los más conocidos son el ODP (Ozone Depletion Potential) y el GWP (Global Warming Potential). El segundo se puede encontrar también como PCA (Potencial de Calentamiento Atmosférico) o PCG (Potencial de Calentamiento Global), mientras que el primero también se encuentra como PAO (Potencial de Agotamiento del Ozono). El ODP es una medida del potencial que posee un refrigerante para destruir el ozono en la estratósfera, mientras que el GWP cuantifica la capacidad de contribución al calentamiento global de la superficie terrestre. Estos parámetros vienen relacionados con el tipo de refrigerante, así los refrigerantes naturales, como ya se mencionó en el tema anterior, presentan valores de ambos parámetros nulos para el ODP y muy bajos para el GWP. Como era de esperarse, los valores altos y significativos de estos parámetros se alcanzan en los refrigerantes sintéticos. Aunado a estos parámetros, existen un par de métodos para cuantificar el daño de un refrigerante en función de ciertos parámetros. Estos métodos son el TEWI (Total Equivalent Warming Impact) y el LCCP (Life Cycle Climate Performance).
El TEWI es la medida del impacto total equivalente sobre el calentamiento atmosférico [10]. Este método resulta de la sumatoria del impacto directo que un refrigerante tiene al ambiente con el impacto indirecto del mismo refrigerante. En esta metodología, es imprescindible que no existan fugas en los sistemas de refrigeración, ya que en presencia de fugas, el calentamiento global directo se hace presente.
El LCCP es un método de evaluación para sistemas de refrigeración, climatización, ventilación y calentamiento el cual evalúa el impacto al calentamiento global de la vida completa de un refrigerante desde que se produce hasta que es liberado a la atmósfera [11].
Tendencias de los refrigerantes a nivel mundial
Los refrigerantes hoy en día están direccionados a ser utilizados con base a su PCA. De acuerdo a la normativa Europea No. 517/2014, la tendencia hacia el uso de refrigerantes en el futuro próximo debe ser con base al nivel de PCA que éstos tengan [12]. Al tener cuantificado tanto el ODP como el PCA, la tendencia será siempre a que los refrigerantes a utilizarse en equipos nuevos cumplan con características de nulo ODP y un PCA que sea solo de tres dígitos. En aplicaciones de climatización automotriz, se ha fijado incluso un valor para que un refrigerante pueda ser utilizado, este valor es de PCA<150.
Los refrigerantes que cumplen perfectamente con estas políticas son los naturales, sin embargo, como es sabido, presentan problemas de seguridad, toxicidad e inflamabilidad. Por otro lado, los refrigerantes sintéticos han ido alineándose a estas políticas, por lo que existen actualmente un grupo de sustancias que están disponibles como opciones para su uso y que cumplen con las disposiciones gubernamentales a nivel internacional. Se trata de las Hidrofluorolefinas o HFOs, las cuales son un grupo de refrigerantes de cuarta generación que intentan apoderarse del mercado de los refrigerantes debido a sus bajos niveles de PCA y a su nulo ODP. Aunado a estas sustancias, la presencia de mezclas que continuamente son creadas, también resultan una opción para el mercado de la refrigeración por compresión de vapor, ya que resultan cumplir con las políticas y además se alcanzan niveles competitivos de desempeño con algunas de ellas.
En apoyo de tu aprendizaje te invito a ver los siguientes videos:
Conclusión
En conclusión, el uso de refrigerantes es una actividad que se realiza en la refrigeración por compresión de vapor, ya que estos fluidos son los que aportan la absorción de calor y con ello, la generación de frío. Existen diversas clasificaciones de los refrigerantes, una de las más típicas es la de naturales y sintéticos.
La evolución de los refrigerantes puede resumirse en cuatro generaciones, siendo la cuarta la que actualmente se está viviendo.
Los refrigerantes son nombrados con base al estándar internacional 32 de la ASHRAE. De acuerdo a esto, los frigorígenos son clasificados hasta en siete categorías.
El impacto ambiental que generan los refrigerantes es tal que se han tenido que emitir dos protocolos importantes en materia de regulación de refrigerantes: El Protocolo de Montreal, relativo a sustancias que destruyen el ozono estratosférico y el Protocolo de Kioto, que relaciona y regula los gases de efecto invernadero en el mundo. Ambos protocolos están directamente relacionados con los refrigerantes debido a su potencial de destrucción del ozono y de su potencial de calentamiento global.
La tendencia en el uso de refrigerantes es clara y es hacia aquellos que demuestren tener un ODP nulo y un bajo GWP. Además de que se evalúan otros factores como el desempeño energético, el costo y la seguridad, los primeros dos factores resultan preponderantes para emplear refrigerantes, sobre todo en instalaciones o sistemas de refrigeración o climatización nuevos.
Lo revisado en esta sesión, da un panorama para conocer un poco más la importancia de los refrigerantes, y el porqué deben considerarse como punto clave en los sistemas de refrigeración. Siéntete con toda confianza de cuestionar detalles que no te hayan quedado claros y los resolveremos en breve.
Has llegado al final de la segunda clase. ¡Vas muy bien, te felicito! Recuerda hacer y mandar la tarea correspondiente a esta lección. Sigue avanzando como hasta ahora, te encuentro en la siguiente clase, hasta luego.
Fuentes de información
¿Cuál es la historia de los Refrigerantes?
Historia de los refrigerantes – Andira
Histórica recuperación de la capa de ozono
FORMACIÓN Y DESTRUCCIÓN DEL OZONO ESTRATOSFÉRICO – IDEAM
Entra en vigor la Enmienda Kigali, un poderoso aliado en la lucha contra el cambio climático
Hidrocarburos | Refrigerantes naturales para reducir el GWP | Danfoss.
¿Qué significa TEWI? | Torrington Refrigerantes
Troch, S., Lee, H., Hwang, Y., & Radermacher, R. (2016). Harmonization of Life Cycle Climate Performance (LCCP) Methodology: International Refrigeration and Air Conditioning Conference. paper 1724. Extraído de: «Harmonization of Life Cycle Climate Performance (LCCP) Methodology» by Sarah Troch, Hoseong Lee et al.
Extraído de: Reglamento UE No. 517/2014 del Parlamento Europeo y del Consejo, 2016, Reglamento (UE) no 517/2014 del Parlamento Europeo y del Consejo, de 16 de abril de 2014, sobre los gases fluorados de efecto in