Frio Industrial y Aire Acondiconado

8/10/2019 Frio Industrial y Aire Acondiconado

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Fro industrial

y aire acondicionado

Magin Lapuerta Amigo

Octavio Armas


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FRO INDUSTRIAL Y

AIRE ACONDICIONADO

Magin Lapuerta Amigo

Octavio Armas

Cuenca, 2012


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de los textos: sus autores.

de la edicin: Universidad de Castilla-La Mancha

Edita: Servicio de Publicaciones de la Universidad de Castilla-La Mancha

ISBN: 978-84-8427-967-9


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Prlogo 5

PROLOGO

Este texto pretende recoger los contenidos de la asignatura Frio Industrial,

impartida durante diez aos en la Escuela Tcnica Superior de Ingenieros Industriales

de la Universidad de Castilla-La Mancha, y que han sido actualizados permanentementedurante este tiempo. La asignatura se mantiene tras los recientes cambios de planes de

estudio, perteneciendo ahora al Mster de Ingeniera Industrial. Tras seis aos en los

que este texto se ha editado desde la propia Escuela, pretendemos ahora dar el salto al

Servicio de Publicaciones de la Universidad de Castilla-La Mancha, esperando que esto

sirva para ampliar la difusin del texto a otras escuelas, no necesariamente de dentro de

la universidad.

La no coincidencia del ttulo del texto con el nombre de la asignatura se debe a

que, aunque el acondicionamiento de aire es una de las aplicaciones ms importantes de

los sistemas de generacin de fro, los principales sectores de implantacin de sistemas

de aire acondicionado no son industriales, y por eso, ambas materias suelen distinguirseclaramente. Aunque se ha procurado no perder cierto carcter descriptivo y prctico, el

enfoque del texto es principalmente conceptual. Por eso se intentan dejar claros, antes

que nada, los principios de funcionamiento de los equipos, sus ciclos termodinmicos y

sus balances energticos. Se presentan adems unos pocos ejemplos prcticos

escogidos, solo en los casos en los que la comprensin de los conceptos lo requiere.

Gran parte de la informacin recopilada procede de internet. Esto, y el hecho de

que la bibliografa en espaol que puede recomendarse a los estudiantes sobre estos

temas y con enfoques parecidos a ste no es muy extensa, ha llevado a que las listas

bibliogrficas que figuran al final de cada captulo sean bastante cortas. Por otra parte,

es necesario agradecer la aportacin de informacin y material a la empresa CIATESA,de gran ayuda para la elaboracin del texto, as como para el desarrollo de la asignatura

Frio Industrial.

Apenas se incluyen las tablas o diagramas de refrigerantes, pues se ha pretendido

que todo el material recopilado sea propio o de libre acceso. Por tanto, para el estudio de

la asignatura este texto solo constituye una herramienta de apoyo.

Los autores; Ciudad Real, 24 de Febrero de 2012


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Indice 7

INDICE

PROLOGO 5

INDICE 7

TEMA 1. PRODUCCION DE FRIO: INTRODUCCION HISTORICA Y

CLASIFICACION DE METODOS 15

1.1. La produccin de fro 17

1.2. Historia antigua de la produccin de fro 17

1.3. Historia moderna de la produccin de fro 18

1.4. Criterios de diseo en la produccin de fro 25

1.5. Clasificacin de los mtodos de produccin de fro 26

1.6. Sistemas de refrigeracin por cambio de fase 27

1.7. Bibliografa 30

TEMA 2. FLUIDOS REFRIGERANTES 31

2.1. Definicin, funcin y requisito 33

2.2. Clasificacin en funcin de la presin de trabajo 33

2.3. Clasificacin en funcin de su seguridad y toxicidad 34

2.4. Clasificacin en funcin de su naturaleza y composicin 35

2.5. Evolucin histrica de los fluidos refrigerantes 37

2.6. Efecto medioambiental de los refrigerantes halogenados 39

2.6.1. Tipos de impacto y causas de emisin 39

2.6.2. Destruccin de la capa de ozono 39

2.6.3. Calentamiento atmosfrico 41

2.7. Directivas y estrategias de sustitucin de refrigerantes 43

2.8. Los refrigerantes naturales 44

2.9. Cdigos de identificacin de los refrigerantes 45

2.10. Criterios de seleccin de los refrigerantes 47

2.10.1. Criterios trmicos 47

2.10.2. Criterios tcnicos 49

2.10.3. Criterios de seguridad, medioambientales y econmicos 50

2.11. Bibliografa 51

TEMA 3. SISTEMAS DE REFRIGERACION POR COMPRESION SIMPLE 53

3.1. El ciclo termodinmico inverso 55

3.2. El ciclo inverso de Carnot 56


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3.3. El ciclo de refrigeracin por compresin terico 56

3.4. El ciclo de refrigeracin por compresin real 58

3.4.1. Diferencias con el ciclo terico en la compresin 58

3.4.2. Diferencias con el ciclo terico en la cesin de calor 60

3.4.3. Diferencias con el ciclo terico en la absorcin de calor 62

3.5. Subenfriamiento y sobrecalentamiento combinados 63

3.6. Parmetros caractersticos del ciclo 64

3.6.1. Cuestiones generales 64

3.6.2. Mquina de refrigeracin 64

3.6.3. Bomba de calor 65

3.7. Diseo y aplicacin de los equipos 65

3.7.1. Mquina de refrigeracin 65

3.7.2. Bomba de calor 67

3.7.3. Mquinas reversibles 68

3.8. Influencia de los parmetros de funcionamiento 69

3.9. Bibliografa 71

TEMA 4. SISTEMAS DE REFRIGERACION POR COMPRESION

MULTIPLE 73

4.1. Definicin, aplicaciones e implicaciones 75

4.2. Sistemas de compresin mltiple directa 76

4.2.1. Compresin en varias etapas 76

4.2.2. Enfriamiento entre etapas de compresin con agente externo 76

4.2.3. Enfriamiento entre etapas de compresin con agente interno 78

4.2.3.1. Sistemas de inyeccin de lquido 78

4.2.3.1. Sistemas de expansin escalonada 80

4.2.3.1. Sistemas de compresin partida 81

4.2.4. Eleccin de la presin intermedia 83

4.2.5. Ejemplo prctico 844.2.5.1. Enunciado 84

4.2.5.1. Resolucin 84

4.3. Sistemas de compresin mltiple indirecta 86

4.3.1. Consideraciones generales 86

4.3.2. Potencia mecnica requerida y eficacia 87

4.4. Bibliografa 89

TEMA 5. SISTEMAS DE REFRIGERACION POR POR ABSORCION 91

5.1. Introduccin 93

5.2. Revisin histrica 93


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5.3. Descripcin del ciclo termodinmico 94

5.4. Descripcin de la mquina 96

5.5. Sistemas con generador de doble efecto 97

5.6. Balance energtico 99

5.7. Balance entrpico 99

5.8. Refrigerantes y absorbentes 101

5.8.1. Requisitos 101

5.8.2. Rango de temperaturas bajo 102

5.8.3. Rango de temperaturas alto 104

5.8.4. Ecuaciones para el clculo de los diagramas de equilibrio 106

5.9. Balances msicos 107

5.10. Balances entlpicos 108

5.11. Funcionamiento como bomba de calor 109

5.12. Funcionamiento como transformador de calor 109

5.13. Ejemplo prctico 110

5.13.1. Enunciado 110

5.13.2. Resolucin 111


TEMA 6. SISTEMAS DE REFRIGERACION POR EYECCION 115

6.1. Introduccin 117

6.2. Aplicaciones y fluidos refrigerantes empleados 118

6.3. Descripcin del ciclo termodinmico 119

6.4. Descripcin del eyector y comportamiento del flujo 120

6.5. Diferencias con el ciclo terico 122

6.6. Eficacia del sistema 122

6.7. Sistemas con mezcla 123

6.8. Sistemas de refrigeracin por compresin y eyeccin combinados 126

6.9. Ejemplo prctico 127

6.9.1. Enunciado 127

6.9.2. Resolucin 127


TEMA 7. SISTEMAS DE REFRIGERACION POR EXPANSION 131


7.2. Aplicaciones y fluidos refrigerantes empleados 134

7.3. La mquina de enfriamiento de aire 135


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7.3.1. Fundamentos 135

7.3.2. La mquina de enfriamiento de aire de compresin doble 137

7.3.3. La mquina de enfriamiento de aire regenerativa 138

7.3.2. Sistemas de acondicionamiento de cabinas de avin 139

7.4. El ciclo Siemens 140

7.5. Sistemas de produccin de fro por expansin isoentlpica 141

7.5.1. Fundamentos 141

7.5.2. El ciclo Linde 141

7.5.2. El ciclo Linde dual 143

7.5.3. El ciclo Claude 144

7.5.4. Variantes del ciclo Claude 145

7.5.3. Ciclos de separacin de gases 146

7.6. La mquina de refrigeracin Stirling 147


TEMA 8. REFRIGERACION POR EFECTOS ESPECIFICOS 151


8.2. Efectos termoelctricos 153

8.3. Refrigeracin por efecto termoelctrico 154

8.3.1. Principio operativo 154

8.3.2. Ventajas y aplicaciones 155

8.3.3. Balance energtico 156

8.3.4. Criterios de utilizacin 158

8.3.5. Ejemplo prctico 160

8.3.5.1. Enunciado 160

8.3.5.1. Resolucin 160

8.4. Refrigeracin por efecto magneto-termo-elctrico 162

8.5. Refrigeracin por efecto magneto-trmico 162

8.6. Refrigeracin por efectos fluidodinmicos 164

8.6.1. Efecto Ranque-Hilsch 164

8.6.2. Efecto Dufour 165

8.7. Refrigeracin por efectos acsticos y pticos 166

8.7.1. Refrigeracin termoacstica 166

8.7.2. Refrigeracin por tcnicas lser 167


TEMA 9. COMPONENTES DE LOS SISTEMAS DE REFRIGERACION 169



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9.2. Compresores 171

9.2.1. Clasificacin 171

9.2.2. Compresores alternativos 171

9.2.3. Compresores rotativos 173

9.2.4. Turbocompresores 177

9.3. Vlvulas de expansin 178

9.3.1. Funciones, criterios de regulacin y tipos de vlvulas 178

9.3.2. Vlvulas manuales 179

9.3.3. Vlvulas presostticas 180

9.3.4. Vlvulas termostticas 181

9.3.4. Vlvulas de flotador 182

9.3.4. Vlvulas de seccin constante 183

9.4. Evaporadores 183

9.5. Condensadores 185

9.6. Otros elementos 187

9.6.1. Vlvulas inversoras 187

9.6.2. Filtro deshidratador 188


TEMA 10. SISTEMAS DE AIRE ACONDICIONADO: OBJETIVOS,

NORMATIVAS Y CONFIGURACIONES 189

10.1. Definiciones, objetivos y aplicaciones 191

10.2. Reglamentos y normativas 193

10.3. Configuraciones 196

10.3.1. Clasificaciones 196

10.3.1. Sistemas unitarios 196

10.3.2. Sistemas centralizados 199

10.3.2.1. Caractersticas generales 199

10.3.2.2. Sistemas todo-aire 200

10.3.2.3. Sistemas todo-agua 201

10.3.2.3. Sistemas aire-agua 202

10.3.2.4. Distribucin con refrigerante 202

10.3.3. Sistemas semicentralizados 202

10.4. Sistemas de recuperacin de energa 203

10.4. Diseo de instalaciones 204


TEMA 11. VARIABLES Y DIAGRAMAS PSICROMETRICOS 207


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11.1. El aire atmosfrico 209

11.2. Efectos de la altitud 209

11.3. Presin parcial 214

11.4. Presin de vapor de saturacin 215

11.5. Humedad absoluta y humedad relativa 217

11.6. Entalpa 219

11.6.1. Entalpa del aire hmedo 219

11.6.2. Entalpa del agua lquida y slida saturadas 221

11.7. Volumen especfico y densidad del aire hmedo 221

11.8. Temperaturas psicromtricas 222

11.8.1. Definiciones 222

11.8.2. Temperatura de roco 222

11.8.3. Temperatura hmeda 223

11.9. Diagramas psicromtricos 225

11.9.1. Generalidades 225

11.9.2. Diagrama Carrier 225

11.9.3. Diagrama Ashrae 227

11.9.4. Diagrama de Mollier 227

11.10. Parmetros de bienestar 228


TEMA 12. TRANSFORMACIONES PSICROMETRICAS 231

12.1. Definicin y tipos de transformaciones 233

12.2. Balances msicos y energtico 233

12.3. Clasificacin segn la recta de maniobra 234

12.4.Factor de by-pass 237

12.4. Mezcla de dos corrientes 238

12.5. Calor sensible y calor latente 24012.6. Bibliografa 241

TEMA 13. CARGAS TERMICAS 243

13.1. Definicin de carga trmica 245

13.1.1. Definicin 245

13.1.1. Objetivo del clculo de cargas trmicas 245

13.1.2. Clasificacin de las cargas trmicas 245

13.2. Carga a travs de paredes, techos o suelos 24613.2.1. Clculo de la carga 246

13.2.2. Conductividades trmicas 247


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13.2.3. Resistencias trmicas de conveccin ..250

13.2.3.1 Cerramientos en general 250

13.2.3.2 Cmaras de aire no ventiladas entre cerramientos 250

13.2.3.3 Cmaras de aire ventiladas entre cerramientos 251

13.2.3.4 Cmaras de aire especiales. Cerramientos con cmaras deaire de espesor variable 252

13.2.3.5 Resistencias trmicas y coeficiente global de partes de loscerramientos 254

13.2.3.6 Coeficiente global de transmisin de calor de un edificio 256

13.2.4. Zonas climticas 256

13.2.5. Limitaciones del Cdigo Tcnico de la Edificacin 259

13.2.3.6 Valores mximos del coeficiente global del cerramiento 259

13.2.3.6 Valores mximos del coeficiente global de la envolvente trmica deledificio 259

13.2.4. Temperatura seca exterior 260

13.2.4.1 Tipos de recinto colindante 260

13.2.4.2 Temperatura equivalente del recinto colindante 260

13.2.4.2 Temperatura equivalente del ambiente exterior corregida 261

13.3. Cargas debidas a la ventilacin 273

13.4. Cargas debidas a la infiltracin 273

13.5. Cargas a travs de superficies acristaladas 274

13.6. Cargas debidas a la presencia de ocupantes 275

13.7. Carga debida a la iluminacin 277

13.8. Carga debida a mquinas o procesos industriales 277

13.9. Carga debida al paso de conductos de fluidos 278

13.10. Cargas de humedad a partir de superficies de agua 280

13.11. Clculo de cargas trmicas. Ejemplos. 283

13.11.1. Ejemplo a) 283

13.11.1. Ejemplo b) 285


TEMA 14. CALCULO DE CONDUCTOS DE AIRE 287

14.1. Misin de los conductos 289

14.2. Aplicaciones de la conduccin de aire-gases 289

14.3.Clasificacin de sistemas de conduccin de aire-gases 289

14.4. Conceptos ms usados en conducciones de aire 290

14.4.1. Densidad 290

14.4.2. Alturas de presin 290

14.4.3. Energas 290


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Indice14

14.4.4. Ecuacin de Bernoulli para flujo incompresible 290

14.4.5. Potencia de la corriente del fluido en un punto 292

14.4.6. Relacin de forma 292

14.4.7. Radio hidrulico 293

14.4.8. Seccin circular equivalente de una seccin rectangular 293

14.4.9. Regmenes de flujo caractersticos 294

14.4.4. Rugosidad 294

14.5. Clases de conductos 295

14.6. Prdidas de carga 297

14.6.1. Concepto de prdidas de carga 298

14.6.2. Clculo de las prdidas de carga 298

14.6.2.1 Prdidas primarias 298

14.6.2.2 Prdidas secundarias 301

14.6.2.3 Prdida o recuperacin de presin esttica (prdidas dinmicas) 302

14.6.2.4 Prdida de carga total de un conducto 303

14.7. Diseo de conductos 303

14.7.1. Requerimientos generales 303

14.7.2. Mtodos de clculo de sistemas de baja velocidad 303

14.7.2.1 Mtodo de prdida de carga constante 304

14.7.2.2 Mtodo de recuperacin esttica 314



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Tema 1. Produccin de fro. Introduccin histrica y clasificacin. 15

TEMA 1. PRODUCCION DE FRIO: INTRODUCCION

HISTORICA Y CLASIFICACION DE METODOS

1.1. La produccin de fro ......................................................................................................... .......... 17

1.2. Historia antigua de la produccin de fro ...................................................... ............................. 17

1.3. Historia moderna de la produccin de fro ................................................................................ 18

1.4. Criterios de diseo en la produccin de fro ........................................................... .................... 25

1.5. Clasificacin de los mtodos de produccin de fro ................................................................... 26

1.6. Sistemas de refrigeracin por cambio de fase ............................................................................ 27

1.7. Bibliografa ..................................................... ........................................................... .................... 30


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Tema 1. Produccin de fro. Introduccin histrica y clasificacin.16


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TEMA1. PRODUCCION DE FRIO: INTRODUCCION

HISTORICA Y CLASIFICACION DE METODOS

1.1. La produccin de fro

Se define la produccin de fro como la generacin de temperaturas inferiores a laambiental, por medios no naturales. La importancia que hoy en da ha alcanzado la

produccin de fro se basa en varios beneficios: Por una parte, que la disminucin de

temperatura ambiental cuando sta es alta facilita la comodidad o confort de las

personas, y a su vez este estado confortable facilita una vida saludable. Por otra parte,

las bajas temperaturas reducen la velocidad de descomposicin de la materia orgnica,

lo que hace posible la conservacin de alimentos y otros materiales durante su

almacenamiento y su distribucin. Todo ello se suele resumir diciendo que la

produccin de fro facilita o contribuye a la mejora de la calidad de vida.

Pero adems es necesario mencionar el importante peso econmico de la

produccin de fro, para lo cual basta con los dos datos siguientes:

Sin la posibilidad de producir fro, un 40% de la produccin mundial de

alimentos se perdera.

La refrigeracin en pases desarrollados ha supuesto hasta hace poco el 6% de

la energa elctrica generada en los mismos. Sin embargo, este porcentaje ha

crecido significativamente en los ltimos aos, debido al gran crecimiento del

sector del aire acondicionado.

1.2. Historia antigua de la produccin de fro

Ya desde tiempos remotos se practica la conservacin de alimentos en fro, comomedio para suplir en las estaciones de escasez las necesidades de alimentos a partir de

los excedentes que se podan conseguir en las estaciones de abundancia. Esta solucin

fue desplazando a otros mtodos: secado, ahumado, salazn, escabechado, enlatado,

coccin, vaco.

Ya en el antiguo Egipto se enfriaban lquidos y espacios aprovechando el

consumo de calor en procesos de evaporacin. En concreto, el agua se refrescaba

colocndola en el interior de tinajas porosas expuestas a la brisa. Este efecto, similar al

del botijo, se basa en que el agua se filtra hasta la superficie externa donde se evapora

por difusin msica, refrescando su contenido. Tambin las habitaciones de las casas de

los nobles se refrescaban colocando vasijas abiertas con gran superficie de agua, que seabanicaban para acelerar la evaporacin del agua y provocar el enfriamiento del

ambiente. Por ltimo, la proliferacin de fuentes en jardines y en palacios en toda la

cultura egipcia y rabe, obedece, adems de a objetivos ornamentales, al mismo efecto

de refrigeracin por evaporacin del agua.

El almacenamiento de hielo y de nieve prensada en depsitos habitualmente

enterrados (neveras) ha sido otra forma habitual a lo largo de la historia de conservar

alimentos durante el verano aprovechando las nieves del invierno. Esto fue

especialmente habitual en China desde 100 aos a.c., y posteriormente se extendi a

occidente. En la antigua Roma se practicaba el mismo mtodo pero aprovechando

grutas y cavernas.


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1.3. Historia moderna de la produccin de fro

Ya en nuestra era, merece la pena destacar los primeros textos sobre mezclas

frigorficas, debidos al rabe Ibn Abi Usaybia en el siglo XIII. En el plano experimental,

las primeras experiencias de inters de las que existe constancia destinadas a alcanzar

temperaturas fras son los experimentos realizados con ter en vaco en la Universidadde Glasgow por William Cullen, en 1748. El mismo efecto de enfriar un gas al

expandirlo se teoriza en las leyes de compresibilidad de gases de Joseph Louis Gay-

Lussac en 1802 (basadas en las teoras de Robert Boyle de finales del s. XVII). Pocos

aos despus, en 1810, ya se publica un texto, debido al americano Oliver Evans, sobre

ciclos de produccin de fro por compresin y expansin de lquidos voltiles.

Figura 1.1. Oliver Evans (izqda) y William Cullen (dcha.)

Mientras tanto, los alimentos se seguan conservando en verano gracias al hielo

almacenado en invierno, y el transporte a las poblaciones desde las montaas constituauna actividad profesional. Un ejemplo de ello se muestra en la primera secuencia de la

pelcula Amrica Amrica, dirigida por Elia Kazan, que transcurre en la Turqua de

1913. En Espaa, las neveras o pozos de nieve continuaron siendo explotadas, por lo

general tras ser arrendadas en subasta pblica por los ayuntamientos, hasta finales del

siglo XIX. Su declive comenz con la aparicin de las primeras fbricas de hielo (la

primera en Espaa data de 1874). Todava hoy se conservan algunas neveras, en las que

se pueden apreciar dos bocas, la de llenado y la de vaciado, sta ltima de mayor

tamao y orientada al norte.

Figura 1.2. Nevera de Medinaceli (Soria)


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Ya antes, en el siglo XVIII en Inglaterra, se enterraban las lminas de hielo

recubiertas de sal y envueltas en fajas de franela hasta el verano, y a principios del siglo

XIX empezaron a utilizarse cajas de hielo, que se guardaban en stanos.

Figura 1.3. Caja de hielo, utilizada en Inglaterra a principios del siglo XIX

Las primeras experiencias de produccin de fro por absorcin se realizaron

tambin en Escocia, en la Universidad de Edinburgo, por John Leslie, que en el mismo

ao de 1810 observ el comportamiento de absorcin a baja temperatura del agua en

cido sulfrico. Tambin por esa poca (1816) es destacable la invencin de la mquina

Stirling, ya que aunque su artfice, Robert Stirling, no la aplic a la produccin de fro,

s se utilizara con este propsito en aos posteriores. En 1820 Michael Faraday alcanz

importantes logros licuando gases a base de encadenar fases de compresin y

enfriamiento sobre un mismo gas. El conocido trabajo de Sadi Carnot (1824) debe

tambin mencionarse dada la influencia que sus estudios sobre mquinas trmicas de

ciclo directo ejerci tambin sobre las de ciclo inverso.

El ao 1834 fue decisivo en la historia de la produccin del fro, ya que durante ltuvieron lugar en diferentes partes de Europa tres importantes aportaciones de carcter

prctico. En primer lugar, el ingls John Herschel propuso por primera vez la utilizacin

de la mquina de Stirling con ciclo inverso, es decir, con el objetivo de producir fro. En

segundo lugar, el americano Jacob Perkins present el primer diseo (que patent) de

mquina frigorfica de compresin, utilizando lquidos voltiles, para producir hielo,

aplicacin que, tras unos aos de escaso xito debido a la inercia de la prspera

industria del hielo natural (trozos de hielo cortados de los lagos helados en invierno y

almacenados durante el verano), sera objeto de un notable desarrollo industrial en los

aos siguientes. Por ltimo, Jean Peltier, un relojero francs, descubre el efectotermoelctrico que ha heredado su nombre. Adems, al ao siguiente (1835) Charles

Thilorier logra producir nieve carbnica por expansin de cido carbnico lquido.

Las ideas de Perkins y de Herschel sirven como semilla para iniciar la carrera

hacia la industria de la congelacin, carrera que arranca cuando John Gorrie disea

(1844) y posteriormente construye (1850) la primera mquina de fabricacin comercial

de hielo, mquina que adems se utiliz para acondicionamiento de aire, sector en el

que tambin fue pionera. En este mismo ao de 1850 el americano de Nueva Inglaterra

Alexander Catling Twining patenta un sistema de produccin de hielo con ter, sistema

que le sirve al periodista escocs James Harrison para construir al ao siguiente una

mquina para congelacin de carne en Australia. Mientras la industria del Fro empiezaas a desarrollarse, la idea propuesta por el termodinmico W. Thompson (Lord Kelvin)


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ya en 1852, abrira aos despus otra va de aplicacin de las mquinas frigorficas de

ciclo inverso: su utilizacin como bombas de calor.

Figura 1.4. Mquina de produccin de hielo de Gorrie

Figura 1.5. John Gorrie (izqda), Alexander Catling Twining (centro) y James Harrison

(dcha.)

Figura 1.6. Ferdinand Carr y su mquina de absorcin


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En 1859 Ferdinand Carr construye la primera mquina de refrigeracin por

absorcin, utilizando amoniaco como refrigerante y agua como absorbente, mquina

que patenta al ao siguiente en Estados Unidos, y que causa sensacin en la exposicin

universal de Londres de 1862. Es su propio hermano, Edmond Carr, el quecomercializa la mquina en 1866, aunque sta es ya una versin que utiliza agua y cido

sulfrico.

Figura 1.7. Charles Tellier y el buque Le Frigorifique, en el que Tellier transport

en 1876 la carne de dos bueyes, doce carneros, dos vacas, unas 50 aves y un cerdo

desde Rouen a Buenos Aires.

La carrera del fro sufre un nuevo impulso cuando en 1868 Charles Tellier

construye la primera mquina frigorfica de compresin con gas licuable, en concreto,

con ter metlico. Ocho aos despus Tellier construy un barco frigorfico (Le

Frigorifique) y emprendi un viaje desde Francia hasta Argentina que dur 100 das,

terminado el cual la carne se mantuvo en buen estado. En los aos siguientes, otros

fluidos refrigerantes se van incorporado a la tecnologa de refrigeracin por compresin:En 1875, por una parte, Raoul Pierre Pictet construye la primera mquina frigorfica con

compresin de SO2, y por otra, Carl Von Linde hace lo propio con amoniaco. Adems,

este ltimo, junto con Windhausen, construye la primera mquina de compresin de

CO2.

Por su parte, las mquinas de absorcin prosiguen su desarrollo. El propio

Ferdinand Carr, respondiendo al reto de Tellier, tambin logra transportar 80 toneladas

de carne congelada a 30C con esta tecnologa, en el buque Paraguay, hasta Amrica

en 1886.

Durante el periodo comprendido por los ltimos aos del siglo XIX y los primerosdel XX se descubren otros nuevos mtodos de produccin de fro: En 1887 Albert Von

Ettinghausen y Walter H. Nersnt descubren en la Universidad de Graz (Austria) el

efecto magneto-termo-elctrico o efecto Nersnt-Ettinghausen. En 1890 Carl Von Linde

propone el ciclo Linde para licuefaccin de gases, ciclo que es mejorado nueve aos

despus por G. Claude con el ciclo que lleva su nombre, al aadir una expansin

isoentrpica. El propio Von Linde funda en 1907 la Linde Air Products Company con el

fin de explotar su patente. En 1908 Leblanc y Westinghause disean y construyen la

primera mquina de eyeccin, operando con agua como refrigerante.


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Figura 1.8. De izquierda a derecha, de pie: Walter Nersnt, Franz Streintz, Svante

Arrhenius, Hiecke, sentados: Aulinger, Albert von Ettingshausen, Ludwig Boltzmann,

Ignaz Klemencic, V. Hausmanninger, en la Universidad de Graz, en 1887.

Figura 1.9. Carl Von Linde, y su mquina de produccin de aire lquido.

Figura 1.10. Camin de transporte de aire lquido de la Linde Air Products Company

en 1914.

La industria del fro sigue desarrollndose y gracias a la reduccin de los precios

de sus productos se va extendiendo socialmente, a travs de algunas multinacionales

norteamericanas (Domelre, Kelvinator, Servel, Frigidaire, General Electric). En 1911 la

General Electric comercializa el primer frigorfico domstico, denominado Audiffren.

Sin embargo el impacto de estos logros no acaba de cruzar fronteras. En Estados Unidos

comienzan a comercializarse los alimentos ultracongelados durante estos aos,

costumbre que no se extender a Europa hasta pasada la Segunda Guerra Mundial.


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Figura 1.11. Frigorfico domstico Audiffren

Figura 1.12. Publicidad de frigorficos domsticos de la marca Frigidaire en 1920

Figura 1.13. Frigorficos domsticos de 1928, 1934 y 1950

Tambin las mquinas de refrigeracin por absorcin se incorporan a la carrera

comercial, como consecuencia de los desarrollos posteriores a los hermanos Carr,

principalmente los debidos a los estudiantes suecos Baltzar Von Platen y Carl Munters,

que les conducen a patentar su prototipo en 1923 e iniciar su comercializacin en la

empresa AB Artic. Tres aos despus la marca Electrolux les compra la patente y

comienza su comercializacin en los Estados Unidos del refrigerador domstico

Electrolux, con gran xito comercial. Lo mismo ocurre con una variante de la mquinade absorcin, con un solo nivel de presin, inventada por Albert Einstein y su alumno


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Le Szilrd en 1926, cuya patente tambin fue comprada por Electrolux y

posteriormente explotada por la marca Dometic, nacida de la anterior.

Figura 1.14. Baltzar Von Platen y Carl Munters (izqda.), y fbrica de Dometic en los

aos 30 (dcha.).

Tras profundos estudios sobre numerosos gases, la General Motors descubre en

1928 los hidrocarburos halogenados, como refrigerantes de buenas propiedades

trmicas, comportamiento inerte y seguro, y posibilidades de abaratamiento tras una

produccin a escala industrial. Este descubrimiento provoca una rpida sustitucin de

los refrigerantes hasta entonces usados.

Tabla 1.1. Principales logros histricos de la criogenia

Fecha Cientfico Temperatura Mtodo Objetivo

1840 M. Faraday -110C compresin+enfriamiento

+expansion de amonaco1877 L.P. Cailletet y -183C Expansin isoentlpica Consigue niebla de O

2

1878 R.P. Pictet Expansin isoentlpica Consigue niebla de H2

1895 C. Von Linde -194.5 C Expansin isoentlpica Lica aire

1890 K.S. Olszewski

S.Von Wroblewski

-230C Refrigeradores en cascada

1898 J. Dewar -253C Expansin isoentlpica +

intercambiadores

Lica H2

1899 J. Dewar -259C Expansin isoentlpica +

intercambiadores

Solidifica H2

1908 H.K. Onnes -269C Expansin isoentlpica +intercambiadores

Lica Helio

1911 H.K. Onnes -272C Expansin isoentlpica +

intercambiadores

Intenta solidificar Helio

1936 Haas y Keesom -273.04C Desmagnetizacin adiabtica

1938 Haas y Wiersma 0.003 K Desmagnetizacin adiabtica

1956 Simon y Krti 0.00001 K Desmagnetizacin nuclear

1960 Simon 0.000001 K Desmagnetizacin nuclear

En 1932 Wander Johannes de Haas enuncia en su tesis doctoral el efecto

magnetotrmico, o de desmagnetizacin adiabtica, que Willem Hendrik Keesom logra

llevar a la prctica en 1936 en el Laboratorio de Leiden (Holanda). En los aos 40 laPhilips disea una mquina por ciclo Stirling inverso que permite mantener


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temperaturas por debajo de los 100C. En los aos 50 comienza a aplicarse el efecto

Peltier a los semiconductores.

Las nuevas tcnicas de produccin de fro, unidas a las ms recientes tcnicas

basadas en tecnologa lser, en desmagnetizacin adiabtica a nivel de ncleos

atmicos, o en sistemas de dilucin He3

/He4

, superan los valores absolutos de lastemperaturas negativas hasta entonces logradas. Esta carrera, siempre limitada por la

inalcanzabilidad del cero absoluto (o tercer principio de la termodinmica) enunciada

por Nernst en 1906 en su Teorema del calor, se resume en la Tabla 1.

1.4. Criterios de diseo en la produccin de fro

Otra forma de escribir la historia de la produccin de fro es a travs de los

criterios de diseo que han imperado en esta industria, o los que pueden imponerse en el

futuro:

Primera fase: Durante los primeros aos de desarrollo de esta industria (desdefinales del siglo XIX hasta 1930) las mquinas se disean atendiendo a su viabilidad

(durante las fases de diseo y construccin) y a su fiabilidad, con vistas a su

comercializacin.

Segunda fase: El descubrimiento de los hidrocarburos halogenados relanza a partir

de los aos 30 la industria del fro, abarata sus productos, los hace ms seguros, abre el

mercado al sector domstico y se hace imprescindible en la cadena de fro alimentaria.

Como consecuencia la industria de el fro se hace muy prspera, y las mquinas se

disean y se anuncian bajo criterios econmicos y de seguridad.

Tercera fase: La crisis del petrleo en los aos 70, despierta la conciencia delahorro energtico y la industria empieza a preocuparse por la eficiencia y el consumo

energtico. Al mismo tiempo, ganan importancia los requerimientos de los usuarios,

como son la esttica (se estilizan los frigorficos domsticos), el ruido generado y el

volumen que ocupan los equipos.

Cuarta fase: Desde el descubrimiento y difusin meditica del efecto de los

hidrocarburos halogenados sobre la capa de ozono, y con el calendario de prohibiciones

de uso de ciertos refrigerantes iniciado con el Protocolo de Montreal (1995), los equipos

de fro empiezan a redisearse para trabajar con nuevos refrigerantes, y en la publicidad

de los mismos comienza a valorarse el respeto medioambiental de los equipos de

refrigeracin.

Quinta fase: La enrgica reaccin de la administracin y la buena respuesta de las

empresas en la lucha contra la destruccin de la capa de ozono ha hecho que est est

adquiriendo en la actualidad ciertas expectativas de xito. Sin embargo, otro reto

medioambiental adquiere creciente importancia: el efecto invernadero. Ello exige bien

frenar el creciente consumo elctrico en el sector de la refrigeracin, o bien sustituir las

fuentes energticas de los equipos de refrigeracin por fuentes renovables o residuales.

Los recientes y futuras mecanismos para reducir emisiones de gases invernadero pueden

favorecer en el futuro el desarrollo de mquinas basadas en ciclos de refrigeracin

distintos al de compresin mecnica (que necesariamente consume energa elctrica)

como el de absorcin o el de eyeccin, ms compatibles con el aprovechamiento deenergas trmicas residuales o renovables de bajo coste (solar trmica).


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1.5. Clasificacin de los mtodos de produccin de fro

Una clasificacin completa de los mtodos de produccin de fro se presenta en la

Figura 1.15. La primera distincin que puede hacerse distingue los mtodos qumicos y

los mtodos fsicos de produccin de fro.

Los mtodos qumicos tienen casi nula aplicacin industrial, y se utilizan en

procesos de laboratorio, no siendo en general el efecto de produccin de fro el objetivo

principal del proceso. Estn basados en el carcter endotrmico de algunas disoluciones

de solutos lquidos o slidos en disolventes lquidos. El potencial endotrmico de estas

disoluciones es, en general, bajo, siendo las disoluciones slido lquido las que ms

posibilidades tienen de generar un enfriamiento apreciable debido a que el proceso

consume una cierta cantidad de energa para disgregar las molculas del slido. La

actividad qumica provocada por las disoluciones no siempre origina enfriamiento, pues

otras veces dicha actividad es exotrmica. Uno de los casos ms claros de generacin de

fro por disolucin de un slido es la de nitrato amnico en agua, que una vez disuelto

enfra la mezcla unos 20C. Esta es la base de algunos productos, como el Cold Pack,utilizados para crioterapia de deportistas.

Figura 1.15. Clasificacin de mtodos de produccin de fro

Los mtodos fsicos, por su parte, podran clasificarse (aunque esta distincin ni

siquiera se recoge en la Figura 1.15) en aquellos en los que el fluido al que se cede el

calor (y que por tanto provoca el enfriamiento deseado) es el propio fluido frigorgeno y

en aquellos en los que el calor se cede a un fluido frigorfero que previamente ha cedido

calor (y por tanto se ha enfriado) a otro fluido que est inicialmente fro por causas

naturales o porque procede a su vez de otro sistema de produccin de fro. En definitiva

esto supone considerar como mtodo de generacin de fro lo que en realidad no es ms


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que un intercambio de calor entre dos fluidos como el que tiene lugar en un

intercambiador de calor. La prdida de temperatura del fluido que se enfra hace que

para este fluido, el propio intercambiador sea un generador de fro, y as debe

considerarse sobre todo en las ocasiones en que el fluido fro lo est por causas

naturales.

Salvando el caso anterior, se identifica como mtodos de produccin de fro a

aquellos en los que un fluido (frigorgeno) experimenta en su seno un enfriamiento al

someterse l mismo a un determinado proceso fsico, integrado o no en un ciclo

termodinmico. Entre estos mtodos se pueden distinguir tres grupos de mtodos:

Los basados en cambios de fase

Los basados en procesos de expansin de gases

Los basados en otros efectos especficos, de naturaleza elctrica o magntica.

Con el fin de completar la clasificacin ilustrada en la figura 1.15, a continuacin

se subclasifican los mtodos basados en los cambios de fase, y se indica en qu parte del

temario se profundiza sobre cada mtodo. A los mtodos basados en procesos de

expansin de gases se les dedica el Tema 7 y de los mtodos basados en otros efectos

especficos se ocupa el Tema 8.

1.6. Sistemas de refrigeracin por cambio de fase

Estos mtodos tienen en comn que el enfriamiento se produce sobre el fluido

refrigerante al extraer de ste el calor latente correspondiente al cambio de fase que

experimenta. Dicho cambio de fase puede ser sublimacin, fusin o evaporacin, como

se indica en la figura 1.16. En cualquier caso la temperatura del refrigerante permanece

constante durante el proceso de cambio de fase.

Los procesos de enfriamiento por sublimacin son siempre procesos con fluido

perdido. Esto significa que una vez provocado el cambio de fase y su consecuente

enfriamiento sobre el propio fluido, ste no se recupera para un nuevo ciclo de

enfriamiento. Son por tanto procesos no cclicos, y solo merece la pena su aplicacin

con fluidos abundantes, baratos e inertes (y por tanto no txicos ni medioambiental-

mente agresivos).

p

V

T

PC

p

S VF

T

PC

PT

Figura 1.16. Diagrama p-V-T de una sustancia y cambios de fase que provocanenfriamiento, sobre su proyeccin p-T.


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El caso ms comn es la sublimacin de anhdrido carbnico (CO2), es decir su

transformacin desde slido (nieve carbnica) a gas. La nieve carbnica, tambin

conocida como hielo seco, en contacto con el aire que la rodea produce un intenso

enfriamiento local a costa de su sublimacin directa, efecto que es habitualmente

utilizado para en transporte frigorfico y para extincin de incendios. Las coordenadas

termodinmicas del punto triple del CO2(T= -56.6C,p= 5.18 bar) demuestran que encondiciones de presin atmosfrica la nieve carbnica se sublima, es decir, pasa a vapor

sin fundirse previamente. Si este cambio de fase ocurre a 1 atm, la temperatura de

sublimacin es de 78.5 y el fluido absorbe un calor latente de 582 kJ/kg. En general,

la ecuacin de Clausius-Clapeyron proporciona una buena estimacin del calor latente

de sublimacin.

Otra sustancia que podra utilizarse para producir fro por sublimacin es el agua.

Sin embargo, en este caso las coordenadas del punto triple son (T = -0.01C, p =

0.006112 bar), lo cual requerira presiones bajsimas (menores que la del punto triple,

equivalente a 4.7 mm Hg) para poder llevarse a la prctica. Esta circunstancia, a pesar

de que la entalpa de sublimacin del agua (2835.1 kJ/kg) es mucho mayor que la delCO2, descarta este mtodo como aplicacin de inters industrial, aunque el mencionado

proceso tiene lugar en la atmsfera cuando el aire hmedo se encuentra a temperatura

negativa, y en otros procesos de la naturaleza.

Debido a la dificultad en hacer circular slidos, los procesos de enfriamiento por

fusin son tambin siempre procesos con fluido perdido. Por tanto, igual que en el caso

de la sublimacin, requieren procesos no cclicos y requieren fluidos abundantes e

inertes. A veces, en cambio, el fluido utilizado se recupera una vez cumplida su funcin

sometindolo a un posterior proceso de congelacin en una mquina congeladora, con

lo que el proceso global podra observarse como cclico, aunque discontinuo. Las

aplicaciones ms comunes son la fusin del hielo en agua lquida (siendo el calor latenteabsorbido de 333 kJ/kg, casi independientemente de la presin), o la fusin de mezclas

eutcticas de punto de congelacin algo ms bajo que el del agua, si los requerimientos

de baja temperatura son mayores. Ambas son soluciones habituales en sistemas de

transporte de corto recorrido.

De los basados en cambio de fase, el mtodo ms importante para producir fro es

sin duda la vaporizacin. En este caso el proceso no siempre es a fluido perdido. En

caso de que lo sea se denomina vaporizacin directa, y si el fluido se recupera y se

repite el proceso de forma cclica y continua se denomina vaporizacin indirecta.

La vaporizacin directa es un proceso discontinuo que tiene como ventaja que nonecesita aporte energtico externo. El requisito trmico principal es que la temperatura

del refrigerante se encuentre entre las de los puntos triple y crtico. El fluido no suele

recuperarse y por tanto los refrigerantes utilizados deben ser abundantes e inertes. Los

casos de mayor aplicacin son el agua, el aire lquido y el nitrgeno lquido. El agua se

utiliza masivamente a travs de este mtodo para extincin de incendios de gran escala,

mientras que las aplicaciones del aire lquido y del nitrgeno, cuyo almacenamiento en

estado lquido es mucho ms costoso, se restringen a aplicaciones de muy pequea

escala como los tneles de congelacin, y la refrigeracin de componentes electrnicos

o de equipos de instrumentacin.

La vaporizacin indirecta se basa en ciclos termodinmicos inversos, que enconsecuencia requieren una aportacin energtica externa, bien en forma de calor o en


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forma de trabajo mecnico. La ciclicidad del proceso se asegura condensando

continuamente el vapor que se va generando a base de disipar calor desde el vapor a un

agente externo, por lo que adems de un evaporador constan de un condensador. Esto

conduce a que el refrigerante atraviesa dos niveles de temperatura, y por tanto tambin

de presin. Por eso, el requisito trmico es que la temperatura del refrigerante a su paso

por el condensador (nivel alto) sea inferior a la crtica y que la temperatura delrefrigerante a su paso por el evaporador (nivel bajo) sea superior a la del punto triple.

Son muchos los fluidos que cumplen este requisito, y que por tanto pueden ser

utilizados como refrigerantes, por lo que otros requisitos trmicos, como el rango de

temperaturas de trabajo, y otros, permiten seleccionar el ms adecuado para cada

aplicacin. Las aplicaciones de los sistemas de vaporizacin indirecta son muchas tanto

en el sector industrial, como en el domstico y en el de transporte, pero se describirn

con ms detalle al abordar ms profundamente cada sistema.

La existencia necesaria de dos niveles de presin para cerrar el ciclo

termodinmico inverso, obliga a que los sistemas de refrigeracin por vaporizacin

indirecta incorporen, adems del evaporador y el condensador, un sistema para pasar delnivel bajo de presin al alto (presurizacin del vapor) y otro para volver de nuevo al

nivel bajo de presin (expansin del lquido), quedando la secuencia de procesos as:

Presurizacin del vapor

Condensacin del vapor en condensador (con agente externo)

Expansin del lquido

Enfriamiento por evaporacin del lquido

Es precisamente el primero de estos procesos el que distingue los diferentes

mtodos de refrigeracin por vaporizacin indirecta, clasificndose stos como sigue:

Compresin mecnica: la presurizacin del vapor se produce por medio de un

compresor, que tiene un consumo de energa mecnica, procedente por lo general

de energa elctrica. Es el mtodo ms extendido, con predominio en todos los

sectores: industrial, domstico y transporte. Se estudiar con ms profundidad en

los temas 3 y 4.

Absorcin: la presurizacin del vapor se consigue por disolucin del vapor en un

lquido (absorcin) y posterior bombeo de la disolucin lquida. Para la

recuperacin del vapor se requiere de un aporte trmico a baja temperatura. Sus

aplicaciones, crecientes, se centran principalmente en la industria qumica, de

alimentacin, en algunos refrigeradores domsticos, y cada vez ms asociados asistemas energticos integrales. Esta tecnologa se estudiar con ms detalle en el

Tema 5.

Eyeccin: la presurizacin tiene lugar por conversin de energa cintica en

entalpa por medio de un difusor, para lo que previamente es necesario inducir

dicha energa cintica al flujo de refrigerante, proceso que aprovecha el efecto

ventur proporcionado por un eyector (conjunto tobera-inductor-difusor). Tambin

requiere una fuente trmica de baja temperatura. El gran tamao de las

instalaciones restringe su aplicacin a determinadas industrias. Su pasado auge

puede despertar de nuevo en el futuro. Este mtodo se describe en detalle en el

Tema 6.


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Adsorcin: Es un caso particular de refrigeracin indirecta, en el que sin embargo el

proceso no es continuo. La presurizacin se consigue por calentamiento del recinto

en volumen cerrado. Previamente al calentamiento el vapor (de agua o de alcohol)

procedente del evaporador se adsorbe en la superficie de un slido poroso (carbon

activo, silicagel o zeolitas) situado en el mismo recinto. Cuando el slido est

saturado, comienza el calentamiento y presurizacin, y como consecuencia ladesorcin del vapor, que se descarga hacia el condensador. Solo requiere una fuente

trmica de baja temperatura, y el proceso puede hacerse casi continuo combinando

dos unidades de adsorcin/desorcin. Su aplicacin es escasa, siendo ms bien

objeto de investigacin, principalmente destinada a la reduccin de los tiempos de

transferencia de masa y calor. Este mtodo no se aborda con ms detalle en temas

posteriores.

1.7. Bibliografa

1.

Reid, R.C.; Praunitz, J.M.; Poling, B.E. The properties of gases and liquids. Fourth

Edition. McGraw-Hill, USA, 1987

2.

Torrella, E. La produccin de Fro. Servicio de Publicaciones de la Universidad

Politcnica de Valencia. Valencia, 1996.

3. Pistono, J. La refrigeracin industrial: antecedentes histricos. Refrigeracin Frial.

Marzo, 1996.

4. Pistono, J. Crnica de la Ingeniera Trmica. Universidad de Oviedo. Abril, 1999.

5. Ruiz, E. Neveras y pozos de nieve (Soria): el arte de fabricar hielo. Celtiberia 96,

pp.191-228. 2002.

6. Cui, Q.; Tao, G.; Chen, H.; Guo, X, Yao, H. Environmentally benign working pairs

for adsorption refrigeration. Energy 30, 261-271. 2005.


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Tema 2. Fluidos refrigerantes 31

TEMA 2. FLUIDOS REFRIGERANTES

2.1. Definicin, funcin y requisito. ................................................... ................................................. 33

2.2. Clasificacin en funcin de la presin de trabajo ...................................................................... 33

2.3. Clasificacin en funcin de su seguridad y toxicidad ................................................................ 34

2.4. Clasificacin en funcin de su naturaleza y composicin .......................................................... 35

2.5. Fluidos secos y fluidos hmedos .................................................................................................. 37

2.6. Evolucin histrica de los fluidos refrigerantes ......................................................................... 37

2.7. Efecto medioambiental de los refrigerantes ............................................................................... 392.6.1. Tipos de impacto y causas de emisin................................ ................................................. 392.6.2. Destruccin de la capa de ozono........................................................................................... 402.6.3. Calentamiento atmosfrico..................................................... ................................................. 41

2.8. Directivas y estrategias de sustitucin de refrigerantes ............................................................ 43

2.9. Los refrigerantes naturales ......................................................... ................................................. 44

2.10. Cdigos de identificacin de los refrigerantes .................................................... .................... 46

2.11. Criterios de seleccin de los refrigerantes .............................................................................. 472.10.1. Criterios trmicos......................................................... ........................................................... 472.10.2. Criterios tcnicos....................................................................................... ............................. 492.10.3. Criterios de seguridad, medioambientales y econmicos................................................ 51

2.12. Bibliografa ........................................................... ........................................................... .......... 51


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Tema 2. Fluidos refrigerantes.32


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TEMA 2. FLUIDOS REFRIGERANTES

2.1. Definicin, funcin y requisito.

La definicin ms amplia de fluido refrigerante incluye a cualquier fluido capaz

de producir fro, es decir, de evacuar calor de un recinto o de otro fluido, con el objetivode enfriarlo. Inmediatamente a continuacin de esta definicin surge la necesidad dehacer una primera clasificacin de fluidos refrigerantes, que distingue:

Fluidos frigorgenos. Son fluidos en cuyo seno tiene lugar la generacin del fro, esdecir son fluidos que se enfran ellos mismos como consecuencia de un proceso deexpansin o de un cambio de fase, y como consecuencia, reciben calor del entorno,enfriando dicho entorno.

Fluidos frigorferos. Son fluidos que, al igual que en caso anterior, reciben calor delentorno y por tanto lo enfran, pero que, a diferencia de los frigorgenos, no generan

el fro en su seno, sino que se han enfriado gracias a un intercambio de calor previo(generalmente sensible) con otro fluido frigorgeno. Se suelen denominar tambinfluidos caloportadores.

Hecha esta primera clasificacin, a partir de ahora se entender como fluidosrefrigerantes exclusivamente los frigorgenos. Adems, aunque como se ha visto en elTema 1, existen mtodos de produccin con fluido perdido, generalmente se considera,al hablar de fluidos refrigerantes, a aqullos que evolucionan cclicamente en lamquina frigorfica, y que, por tanto, tienen como funcin transportar calor desde unfoco fro hasta un foco caliente.

Dado que la mayora de los sistemas de refrigeracin se basa en los cambios defase del propio fluido refrigerante, es habitual a la hora de escoger un refrigerante quesea condensable en el rango de temperaturas en las que debe trabajar la mquina. Este esun requisito que no cumple, por ejemplo, el aire, que sin embargo cumple su funcincomo fluido refrigerante en las mquinas basadas en la expansin isoentrpica de dichofluido. Por eso, no se tratar en este tema el aire como fluido refrigerante.

2.2. Clasificacin en funcin de la presin de trabajo

Las mquinas de refrigeracin por vaporizacin indirecta tienen dos presiones detrabajo, que corresponden con las temperaturas de absorcin (evaporador) y de cesin

de calor (condensador). Como en condiciones de saturacin a cada temperatura lecorresponde una presin, la necesidad de situar las temperaturas de trabajo en un rangoadecuado para la funcin frigorfica deseada, solo puede satisfacerse ajustando las

presiones de trabajo. Segn el resultado esperable de este ajuste en la mquina en la quetrabajen, pueden clasificarse los fluidos refrigerantes como:

De baja presin: Son aqullos fluidos con altas temperaturas de ebullicin (Tb:temperatura de evaporacin a 1 atm). Puede entenderse como temperaturas altas,las que superan los 0C. Como las mquinas frigorficas requieren generalmentetrabajar en rangos de temperatura bajos, para lograrlo es necesario que las mquinastrabajen en depresin. Aun as, estos fluidos no permiten alcanzar temperaturas

muy bajas. Por el contrario las mquinas sern voluminosas debido a los volmenesespecficos altos causados por las bajas presiones. Ejemplos de estos fluidos son el


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agua (Tb=100C), que nunca puede bajar de 0C (punto triple) o el ter etlico(Tb=34.6C), protagonista de las primeras mquinas frigorficas. A estos fluidos,que en condiciones ambientales son lquidos, se les denomina a veces lquidosvoltiles.

De media presin: Son los fluidos con temperaturas de ebullicin medias,comprendidas entre 30C y 0C. Para lograr las temperaturas de trabajo deseadassuelen trabajar parte en depresin (evaporador) y parte en moderada sobrepresin(condensador). Aun as, son fluidos adecuados para cargas trmicas moderadas.Algunos ejemplos son el butano (Tb=-0.5C), el SO2 (Tb=-10C) o algunos de losrefrigerantes usados en equipos de aire acondicionado como el R-134a (Tb=-26.16C) y el R-152a (Tb=-25C).

De alta presin: Son los fluidos con temperaturas de ebullicin bajas, comprendidasentre 60C y -30C. Trabajan sometidos a presiones superiores a la atmosfrica entoda la mquina, con presiones moderadas en la parte de baja y altas presiones en la

parte de alta, a no ser que trabajen en rangos de temperatura muy bajos. Algunosejemplos son el amonaco (Tb=-33.3C), el propano (Tb=-44.1C) o el R-22 (Tb=-40.76C) y el R-502 (Tb=-45.4C).

De muy alta presin: Son los fluidos con temperaturas de ebullicin muy bajas, pordebajo de los 60C. Generalmente requieren trabajar a presiones elevadas para

poder situarse en el rango trmico de trabajo. Son los refrigerantes adecuados paralas cargas trmicas muy intensas. A menudo se utilizan como refrigerantes en lasetapas ms bajas de la refrigeracin en cascada. Algunos ejemplos son el CO2(Tb=-78.4C), el etano (Tb=-88.8C), el etileno (Tb=-103.7C), o los refrigerantes propiosde la criogenia (sistemas de refrigeracin que enfran por debajo de los 150C)

como el aire, nitrgeno o Argn.

Esta clasificacin es importante porque distingue los refrigerantes en funcin desus posibilidades de aplicacin, y por tanto tiene un carcter muy prctico.

2.3. Clasificacin en funcin de su seguridad y toxicidad

El Reglamento de Seguridad para Plantas e Instalaciones Frigorficas, establece lasiguiente distincin para los refrigerantes en funcin de sus niveles de seguridad:

De alta seguridad: Comprende a los refrigerantes no combustibles, que adems son

poco o nada txicos.

De media seguridad: Comprende a los refrigerantes que o bien tengan una ciertacapacidad txica o corrosiva, o bien sus mezclas con aire pueden ser explosivas enconcentraciones del 3.5 % en volumen o ms.

De baja seguridad: Son los refrigerantes cuyas mezclas con aire son explosivas enconcentraciones menores del 3.5 % en volumen.

Otra clasificacin, mejor cuantificada, es la que propone la ASHRAE, quecombina las caractersticas de seguridad y de toxicidad como se muestra en la tabla 2.1,

entendindose:


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Clase A (Baja toxicidad): El refrigerante no es txico en concentraciones de 400ppm volumtricas.

Clase B (Alta toxicidad): El refrigerante muestra toxicidad en concentracionesinferiores a 400 ppm volumtricas.

Grupo 1: No propagan la llama con aire a 18C y 1 atm. Grupo 2: Sus mezclas con aire tienen lmite inferior de inflamabilidad mayor que

0.1 kg/m3 a 19C y 1 atm, y adems, tienen poder calorfico inferior menor que19000 kJ/kg.

Grupo 3: Sus mezclas con aire tienen lmite inferior de inflamabilidad menor que0.1 kg/m3a 19C y 1 atm, o bien, tienen poder calorfico inferior mayor que 19000kJ/kg.

Baja toxicidad Alta toxicidadNo propagan llama A1 B1

Baja inflamabilidad A2 B2Alta inflamabilidad A3 B3

Tabla 2.1. Clasificacin ASHRAE segn la seguridad y toxicidad de los refrigerantes

2.4. Clasificacin en funcin de su naturaleza y composicin

Segn su naturaleza los refrigerantes pueden clasificarse en orgnicos oinorgnicos. Ejemplos de stos ltimos son el H2O, el SO2, el CO2y el NH3.

Los refrigerantes orgnicos, a su vez, se clasifican en hidrocarburos nohalogenados (o hidrocarburos a secas), y en hidrocarburos halogenados (o refrigeranteshalogenados a secas, que durante muchos aos han sido conocidos como freones,haciendo eco de la marca comercial Freon). Ejemplos de hidrocarburos con interscomo refrigerantes son: el etano, el propano, el butano, y en menor medida dada su bajatemperatura de ebullicin, el metano.

Por su parte, los refrigerantes halogenados se pueden clasificar en funcin delhidrocarburo del que proceden (principalmente del metano o del etano), aunque es mshabitual clasificarlos en los siguientes grupos:

Totalmente halogenados: Tienen todos sus tomos de hidrgeno sustituidos portomos de gases halgenos. A su vez se clasifican en:

o Cloro-Fluoro-Carbonos (CFC). Los tomos halgenos que los constituyenson de flor y de cloro.

o Bromo-Fluoro-Carbonos (BFC). Los tomos halgenos que los constituyenson de flor y de bromo.

o Bromo-Cloro-Fluoro-Carbonos (BCFC). Los tomos halgenos que losconstituyen son de flor, de bromo y de cloro.

o Per-Fluoro-Carbonos (PFC). Los tomos halgenos que los constituyen sontodos de flor.


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Parcialmente halogenados: Tienen algunos de sus tomos de hidrgeno sustituidospor tomos de gases halgenos, pero conservan tomos de hidrgeno en suestructura. A su vez se clasifican en:

o Hidro-Cloro-Fluoro-Carbonos (HCFC). Contienen tomos de hidrgeno, deflor y de cloro.

o Hidro-Bromo-Fluoro-Carbonos (HBFC). Contienen tomos de hidrgeno, deflor y de bromo.

o Hidro-Fluoro-Carbonos (HFC). Solo contienen, adems de los de carbono,tomos de hidrgeno y de flor, pero no tienen ni bromo ni cloro.

Mezclas de refrigerantes halogenados: Son mezclas de los anteriores (dos o tres oincluso cuatro), que no necesariamente pertenecen al mismo grupo. Las mezclas seclasifican, a su vez, en:

o Mezclas zetropas. Son las que no contienen ningn punto azetropo, o que

contenindolo, no se encuentran en la composicin correspondiente a dichopunto. Por tanto, las proporciones de sus diversos componentes no estnsujetas a una estricta precisin. Tienen como inconveniente que los procesosde cambio de fase no se producen a temperatura constante, sino que sta sufreuna variacin denominada Glide o deslizamiento trmico (g), entre elcomienzo de la evaporacin (punto de burbuja) y el final (punto de roco), oentre el comienzo de la condensacin (punto de roco) y el final (punto de

burbuja). Esta propiedad tiene, adems del mencionado deslizamiento, otraconsecuencia durante los procesos de evaporacin y condensacin: alcoexistir las fases vapor y lquido, la primera se enriquece del componentems voltil, y la fase lquida en el menos voltil. Este efecto, denominado

fraccionamiento, puede provocar cambios en la composicin por causa de lasfugas de refrigerante.

Figura 2.1. Mezcla zetropa (izquierda) y mezcla azetropa (derecha)

Figura 2.2. Deslizamiento provocado en las mezclas zetropas, en diagramas T-s y p-h


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o Mezclas azetropas. Son mezclas en las que la concentracin de suscomponentes corresponde exactamente a la composicin de un puntoazetropo, en el que los procesos de evaporacin y de condensacin tienenlugar a temperatura constante. Se comportan, por tanto, como sustancias

puras, y en ellas no tiene lugar ni el deslizamiento ni el fraccionamiento de su

composicin.

2.5. Fluidos secos y fluidos hmedos

Una ltima clasificacin de los refrigerantes distingue los fluidos hmedos de lossecos. Esta distincin tiene implicaciones en el diseo de la instalacin y en la

posibilidad de otros usos. Se denomina fluidos hmedos a aqullos cuya curva de vaporsaturado tiene siempre valores negativos de dT/ds, y son la gran mayora de losrefrigerantes. Esta condicin hace que la compresin isoentrpica siempre causesobrecalentamiento del vapor y por tanto no existen restricciones para aproximar elestado de aspiracin del compresor a la lnea de vapor saturado. Por el contrario, los

refrigerantes secos se caracterizan por que tienen valores positivos de dT/ds, al menosen cierto rango de presiones. Ejemplos de refrigerantes secos son algunos CFCderivados del etano (R113, R114 y R115), otros derivados del propano (R227) y elisobutano (R600a). Estos refrigerantes requieren que el vapor sea sobrecalentado

previamente a su entrada en el compresor con el fin de evitar condensaciones en suinterior, y adems tienen usos de gran inters en mquinas de produccin de energamecnico-elctrica a travs de ciclos termodinmicos directos en los que se utilizanfuentes de calor a baja temperatura como es el caso de la solar trmica, la geotrmica ociertas corrientes residuales. La imposibilidad de recalentar el vapor tras la evaporacin

por el bajo contenido trmico de la fuente, impide el uso del agua (fluido de trabajohabitual en ciclos de potencia) o de cualquier otro fluido hmedo que al expandirse en

la turbina directamente desde condiciones de vapor saturado condense parcialmente.

S=cte

S=cte

h h

p p

Figura 2.3. Fluido hmedo (Izqda.) y fluido seco (dcha.)

Como se ha visto, la denominacin de fluidos secos y hmedos hace referencia asu posible expansin, como fluidos de potencia, desde vapor saturado, si bien deberaser justamente la inversa en aplicaciones de refrigeracin: los fluidos secos sonrefrigerantes hmedos y los fluidos hmedos son refrigerantes secos.

2.6. Evolucin histrica de los fluidos refrigerantes

La evolucin histrica de los fluidos refrigerantes se puede dividir en variasgeneraciones, que se separan entre s por algunos cambios histricos de gran impactosobre el sector.

En primer lugar se puede hablar de una etapa pre-industrial que podra extendersedesde la fecha de la primera mquina, construida por Jacob Perkins en 1834, y queutiliz ter sulfrico (que en realidad es ter etlico) como refrigerante, hasta la dcada


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de los sesenta de ese mismo siglo, poca en la que empezaros a comercializarse lasprimeras mquinas y surgi un industria del fro que tardara poco en consolidarse.Entre estas fechas, algunas mquinas de refrigeracin son diseadas y construidas porlos pioneros de la refrigeracin (ver Tema 1) utilizando como refrigerantes aire(mquina de J. Gorrie, 1850), ter metlico (Ch. Tellier, 1868), ter etlico, o incluso, en

la primera mquina de absorcin, amonaco (F. Carr, 1859). Salvando este ltimo caso,los refrigerantes utilizados en mquinas de refrigeracin por compresin trabajaban, engeneral, en vaco.

Se puede reconocer una primera generacin de refrigerantes a partir de lamencionada dcada de los 60, cuando empiezan a comercializarse las mquinas derefrigeracin con amonaco (tanto de absorcin, E. Carr, como de compresin, VanLinde, 1875), con CO2(Van Linde y Windhausen), con SO2, o con Cloruro de metilo(CH3Cl) y Cloruro de metileno (CH2Cl2). Son refrigerantes con escaso o nulo

procesamiento qumico, y con el inconveniente de que algunos de ellos son inflamableso txicos, pero que demuestran ser capaces de responder a las cada vez mayores

exigencias de los equipos (alta presin, solubilidad de lubricantes necesarios para elcompresor, etc.), y por tanto, artfices del inicial desarrollo de la industria del fro.

La segunda generacin de los refrigerantes surge en los aos 20 del siglo XX,como consecuencia del descubrimiento y desarrollo de los CFC. Aunque el primerantecedente es la patente del dicloroetileno (todava sin tomos de Fluor y hoydenominado R-1130), presentada en 1922 por W.H. Carrier y R.W. Waterfill, el origende tal desarrollo tiene lugar cuando en 1930 Thomas Midgley propone el R-12, comofluido refrigerante capaz de resolver los problemas de toxicidad, inflamabilidad oinestabilidad de los anteriores refrigerantes. Midgley concluy con esta propuesta unexhaustivo estudio, que haba comenzado dos aos antes, en el que fue descartando

metales, materiales inestables, sustancias txicas o gases nobles (con puntos deebullicin demasiado bajos) como elementos a combinar. En los aos siguientes, losinvestigadores de la General Motors Coorporation, Charles Kettering y ThomasMisling, impulsan el desarrollo y la fabricacin (por la Kinetic Chemicals Companynacida de la asociacin entre las compaas General Motores y DuPont) de losrefrigerantes halogenados, no solo los CFCs sino posteriormente tambin los HCFC ylos HFCs. Esto provoca la progresiva desaparicin de los refrigerantes naturales hastaentonces utilizados, de los cuales prcticamente solo resiste el amonaco debido a sus

buenas propiedades trmicas. El mayor xito de mercado es conquistado por losrefrigerantes R-12, R-22 y R-11. En 1985 se fabrican entre los tres ms de un tercio demilln de toneladas, solo en Estados Unidos, lo que convirti a la industria de losrefrigerantes en una de las ms potentes del sector de la industria qumica. El carcterinodoro e incoloro de estos gases, y sus precios decrecientes motiv una notabledespreocupacin por el mantenimiento y las operaciones de rellenado, lo que provocemisiones muy altas a la atmsfera durante bastantes aos.La aparicin de la tercerageneracin de refrigerantes se puede datar en 1995, y ocurre como consecuencia de dosdescubrimientos que tienen lugar unos cuantos aos antes de esa fecha. Por una parte,dos investigadores de la Universidad de California, Rowland y Molina descubren en1974 que los refrigerantes halogenados con tomos de cloro en su estructura molecularse disocian en presencia de luz solar ultravioleta, generando iones de cloro quedestruyen las molculas de ozono. Este descubrimiento (que les mereci el premio

Nobel en 1995), unido al que tiene lugar a finales de los 70 en la Antrtida sobre laprdida de espesor de la capa estratosfrica de ozono y de los efectos de dicha prdida


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sobre el medio ambiente y la salud humana, conducen a atribuir al uso de los freonesen equipos de refrigeracin gran parte de la responsabilidad de tal efecto. La comunidadcientfica tarda unos aos en reaccionar, y en 1987 tiene lugar el Protocolo de Montreal,en el que 43 pases se comprometen a iniciar calendarios de eliminacin de los CFCs,si bien las resoluciones no son de obligado cumplimiento. Posteriores enmiendas a

dichos acuerdos, como las que tienen lugar en Viena 1995 y en Pekn 1999, conducen aun calendario de prohibicin de CFCs y de HCFCs, cuya ltima versin es elReglamento 2037/2000 del ao 2000, que se alarga hasta el ao 2015. Por tanto, latercera generacin de refrigerantes la constituyen los HCFCs que sustituyen

bruscamente a los CFCs y los HFCs que van sustituyendo paulatinamente a losHCFCs a medida que stos van agotando etapas del calendario de prohibicin, ademsde algunos refrigerantes que se mantienen en sus sectores (amonaco) y otros que vansurgiendo como refrigerantes ecolgicos (principalmente hidrocarburos) adelantndoseal calendario de prohibicin.

An se puede hablar de una probable cuarta generacin para el siglo XXI, en la

que se podra volver a los refrigerantes naturales que ya tuvieron su auge en la primerageneracin, en sustitucin de los HFCs. Este nuevo cambio puede estar motivado por elefecto invernadero de algunos de los hidrofluorocarbonos y perfluorocarbonos, y por sularga permanencia en la atmsfera, que puede ocasionar riesgos hoy en dadesconocidos, como tambin lo eran los de los CFCs cuando se impusieronindustrialmente. Al fin y al cabo son sustancias manufacturadas y ajenas al medioambiente. Por el contrario, los refrigerantes naturales, tales como el agua, el anhdridocarbnico, el amonaco y algunos hidrocarburos, pertenecen al ciclo natural deformacin/destruccin del medio ambiente y son abundantes y por lo general baratos.Los inconvenientes de toxicidad e inflamabilidad que provocaron su desuso pueden serhoy en da resueltos de forma fiable y segura como consecuencia del desarrollo

tecnolgico que los equipos de refrigeracin han sufrido durante todos estos aos. Porltimo, la investigacin sobre nuevos refrigerantes es activa en la actualidad, lo que dejaigualmente abierta la puerta a la aparicin de nuevos refrigerantes sintticos o nuevasmezclas con quiz mejores propiedades trmicas que los actuales y sin problemas deseguridad ni medioambientales.

2.7. Efecto medioambiental de los refrigerantes

2.6.1. Tipos de impacto y causas de emisin

El impacto medioambiental de los refrigerantes se produce principalmente debido

a dos causas: su capacidad de destruccin de la capa de ozono (ODP: ozone depletionpotential) y su contribucin al calentamiento atmosfrico por efecto invernadero (GWP:global warming potential). Adems, la estabilidad del refrigerante, tradicionalmenteconsiderada como ventajosa al implicar bajos niveles de inflamabilidad, toxicidad, ycapacidad oxidante (es el caso de los hidrocarburos halogenados), se vuelve en contracuando el gas emitido tiene algn impacto no autodestructivo, como son los dosimpactos mencionados, ya que, al permanecer mucho tiempo en la atmsfera, multiplicasus efectos acumulativos. Las emisiones de gases refrigerantes a la atmsfera puedenser provocadas por las siguientes causas:

Fugas en las instalaciones

Prdidas durante las operaciones de recarga o de mantenimiento


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No recuperacin del refrigerante tras el desecho de la instalacin.

2.6.2. Destruccin de la capa de ozono

La capa de ozono consiste en un aumento de la concentracin de ozono (O3), de

alrededor de un orden de magnitud, que se observa en los primeros kilmetros de laestratosfera. El principal beneficio de esta capa de mayor concentracin es que actacomo escudo protector de los organismos vivos ante la radiacin ultravioleta delongitud de onda


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(hidrocarburos sustituidos con tomos de flor y bromo) es incluso ms destructivo,aunque su utilizacin es menos comn.

Fa-milia

Refrige-rante

Frmula Nombre Duracinatmosfrica

(aos)

Potencialdestructor

de O3

GWP(t=100

aos)

CFC

R-11 CCl3F Triclorofluorometano 59.4 1.00 4000R-12 CCl2F2 Diclorodifluorometano 121.7 0.93 8500R-13 CClF3 Clorotrifluorometano 1.00 11700R-113 CCl2FCClF2 Triclorotrifluoroetano 97.8 0.83 4200R-114 CClF2CClF2 Diclorotetrafluoroetano 244.2 0.71 6900R-115 CClF2CF3 Cloropentafluoroetano 538.7 0.38 6900

HCFC

R-22 CHClF2 Clorodifluorometano 17.8 0.049 1700R-123 CHCl2CF3 Diclorotrifluoroetano 1.9 0.017 120R-124 CHClFCF3 Clorotetrafluoroetano 7.6 0.019 480R-141b CCl2FCH3 Diclorofluoroetano 8.3 0.088 440

R-142b CH3CClF2 Clorodifluoroetano 21.7 0.054 1600

HFC

R-23 CHF3 Trifluorometano 264 0 11700R-32 CH2F2 Difluorometano 5.6 0 650R-125 CHF2CF3 Pentafluoroetano 31.3 0 2800R-134a CH2FCF3 Tetrafluoroetano 18.3 0 1300R-143a CH3CF3 Trifluoroetano 47.0 0 3800R-152a CHF2CH3 Difluoroetano 1.7 0 140

PFCR-14 CF4 Perfluorometano 50000 0 6500R-116 CF3CF3 Perfluoroetano 10000 0 9200R-218 CF3CF2CF3 Perfluoropropano 2600 0 7000

Tabla 2.2. Estabilidad atmosfrica y potencial destructor de ozono y potencial decalentamiento global de algunos hidrocarburos halogenados

2.6.3. Calentamiento atmosfrico

El efecto invernadero es la expresin utilizada para describir el principio delcalentamiento atmosfrico. Este fenmeno, conocido desde principios del siglo XIX, es

provocado por la absorcin de radiacin infrarroja por ciertos gases de la atmsfera, conel consiguiente calentamiento de las capas bajas de la atmsfera. A estos gases se lesconoce como gases de efecto invernadero, o directamente, gases invernadero.

El efecto invernadero es un requisito para la vida en el planeta, pues sin l latemperatura media en la superficie terrestre sera de 18 C. Las emisiones de gasesinvernadero provocadas por fuentes naturales (ocanos, vegetacin y suelos), que en elcaso del CO2constituyen ms del 96 %, se equilibran con la absorcin provocada porestas mismas fuentes. El problema es que tal equilibrio se rompe como consecuencia dela contribucin de fuentes no naturales. Segn algunas estimaciones, este desequilibrio

puede provocar un aumento de un par de grados centgrados sobre la temperatura mediade la atmsfera en los prximos 30 aos, puede tener importantes efectosmeteorolgicos como variaciones en la distribucin de precipitaciones, aumento de lafrecuencia de acontecimientos catastrficos (sequas, huracanes, inundaciones), y puedetambin conducir a un aumento del nivel del mar como consecuencia de la

descongelacin parcial de los polos, lo que a su vez tendra consecuencias graves sobreciertas regiones de cotas bajas.


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Gas invernadero Participacin sobre el total (%)Anhdrido carbnico (CO2) 35-65Metano (CH4) 10-25Hidrocarburos halogenados CFCs, HFCs y PFCs 5-25xidos nitroso (N2O) 2-10

Ozono (O3) troposfrico 2-10

Tabla 2.3. Participacin de los gases en el efecto invernadero

La tabla 2.3 muestra la contribucin de los distintos gases invernadero de origenantropognico. Se observa que aunque el CO2 sea el mayor precursor del efectoinvernadero debido a que las cantidades emitidas del mismo, principalmente comoconsecuencia de los procesos de combustin, son muy superiores a las de otras especies,la intensidad de accin de algunos gases invernadero es mucho mayor (por unidad demasa emitida) que la del CO2. Por ejemplo el potencial de calentamiento del metano es21 veces superior al del CO2, el del N2O 310 veces superior y el de los hidrocarburos

halogenados es muy variable pero salvo excepciones al menos 1000 veces superior (vertabla 2.2). Esta relacin comparativa queda precisamente establecida por el parmetroGWP, definido como la masa en kg de CO2que tendra que ser emitida a la atmsfera

para provocar el mismo efecto sobre el calentamiento atmosfrico que la emisin de 1kg de una determinada sustancia. Numricamente, se cuantifica como el cociente entrela intensidad de absorcin de radiacin infrarroja (a) provocada en un intervalotemporal (que puede establecerse en 20, 100 -lo ms habitual- y 500 aos) por laemisin de 1 kg de una sustancia a la atmsfera, y la absorcin provocada en el mismotiempo por la emisin de 1 kg de CO2. Para este clculo, es necesario tener en cuentahasta qu punto se diluye el gas en la atmsfera, ya que la capacidad de absorcindepende de su concentracin. Por tanto:

GWPi=

t

COCO

t

ii

dtCa

dtCa

22

(2.7)

Otra forma de valorar el efecto sobre el calentamiento global de los refrigeranteses cuantificar el efecto de las instalaciones que los usan. Esto tiene inters porque cabela posibilidad de que un gas tenga mayor GWPque otro y por tanto su efecto sobre elcalentamiento atmosfrico a causa de emisiones de gas por fugas, recargas o no

recuperacin sea mayor (efecto directo, D), y sin embargo pueda ser utilizado conmayor eficacia en instalaciones que por tanto consuman menos energa primaria ycontribuyan en menor medida a la emisin de CO2a la atmsfera (efecto indirecto, I ).El parmetro que tiene en cuenta ambos efectos en una instalacin, el directo y elindirecto, se denomina TEWI (Total Equivalent Warming Impact), y la expresin que

permite su estimacin, en unidades de masa de equivalente de CO2, es (los dos primerossumandos corresponden al efecto directo, y el tercero al indirecto):

TEWI=D+I= GWP.m.f.t+ GWP.m.(1-)+E.t.A (2.8)

donde mes la carga de refrigerante de la instalacin (kg), fes la proporcin anual

de fugas (kg/kg/ao), t es el tiempo estimado de vida til del equipo (aos), es lafraccin de refrigerante recuperado al final de la vida de la instalacin (kg/kg), Ees el


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consumo anual de energa de la instalacin (kWh/ao) y A es la previsin de masaemitida de CO2por unidad energtica elctrica disponible por el usuario, en funcin deltipo de fuente energtica de la que procede (kg/kWh). Como previsin de emisin deCO2, dado que la energa elctrica se distribuye por una red nica independientementede su origen de produccin, suele tomarse un valor medio de A=0.6 kg/kWh, salvo que

la instalacin sea alimentada de forma autnoma por energa procedente de una fuenteespecfica, como es el caso, por ejemplo, de los sistemas de aire acondicionado deautomviles.

La distincin de los efectos directo e indirecto permiten comprobar que por logeneral el indirecto es mucho ms importante que el directo, siendo esta conclusin msacusada cuanto mayor es el consumo elctrico de los equipos. La tabla 2.4 muestraalgunas cifras tpicas, por sectores de produccin de fro, de la importancia relativadichos efectos en relacin al impacto total de la instalacin.

Sector D/TEWI.100 I /TEWI.100Frigorficos domsticos 1 99Fro comercial 20 80Aire acondicionado en edificios 4 96Aire acondicionado en vehculos 25 75

Tabla 2.4. Importancia relativa de los efectos directo e indirecto sobre el calentamiento

global provocado por diferentes instalaciones de produccin de fro.

En el Anexo II de la Directiva europea 2003/87/CE figuran como gases de efectoinvernadero, adems del dixido de carbono y de otros tres gases, los HFC y los PFC.La ausencia en esta lista de los CFC y los HCFC (que como se observa en la Tabla 2.2tienen valores de GWP del mismo orden que los HFC y PFC) se justifica porque estn

afectados por el calendario de prohibicin provocado por su efecto destructor de la capade ozono, y por tanto no cabe especular con la reduccin de sus emisiones.

2.8. Directivas y estrategias de sustitucin de refrigerantes

El Reglamento 2037/2000 de la Unin Europea, publicado en Octubre de 2000,establece una prohibicin inmediata para todos los refrigerantes CFC y BFC y una

prohibicin progresiva para los refrigerantes HCFC. Aunque el reglamento establecefechas para la suspensin de todas las actividades de produccin, comercializacin yutilizacin de los distintos refrigerantes, en la relacin que sigue solo se mencionan las

prohibiciones relacionadas con la utilizacin:

CFCs y BFCs: 1/10/2000: Ventas prohibidas incluso fuera de la UE 1/01/2001: Servicio de mantenimiento prohibido (rellenado, reparacin) 1/01/2001: Recuperacin y destruccin con tecnologa aceptable para el M.A.

HCFCs: 1/01/2001: Prohibicin de uso en nuevos equipos de: refrigeracin acondicionamiento de aire de >100kW

1/07/2002: Prohibicin de uso en nuevos equipos de:

acondicionamiento de aire de


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aire acondicionado reversibles a bomba de calor 1/01/2010: Prohibicin de uso de HCFCs vrgenes 1/01/2015: Prohibicin de uso de todos los HCFCs, incluyendo reciclados

Adems, el reglamento exige revisiones anuales a todo equipo que contenga msde 3 kg de refrigerante, tanto si ste es CFC o HCFC, y tambin exige una cualificacinmnima a todo el personal encargado del mantenimiento de los equipos y de lamanipulacin de los refrigerantes.

Este calendario de prohibicin obliga a preparar las nuevas instalaciones paraoperar con refrigerantes HFC o naturales. La Tabla 2.5 resume las principalestendencias de sustitucin, por sectores o rangos trmicos, de los CFCs por HCFCs y

posteriormente por HFCs.

CFC HCFC HFCAlta T (>0C) R-11 Sistemas aire acondicionado;

Simple etapaMedia-alta T(>-10) R-12 R-401A R-134aR-409A R-152a

Sist. aire acond. automviles;Simple etapa

Media T(>-20) R-22 R-407CR-410A

Equipos estticos;Simple/doble etapa

Media-baja T(>-40) R-115 R-22 R-404AR-502 R-507A

Equipos estticos;Simple/doble etapa

Baja T (>-70C) R-13 R-503 R-23 Sistemas en cascada

Tabla 2.5. Estrategias de sustitucin de CFCs por HCFCs y por HFCs.

Estas estrategias se vern probablemente afectadas en un futuro prximo debido al

previsible sobrecoste que las emisiones de algunos gases de elevado efecto invernadero(como el R-23) puedan causar a travs del mercado de derechos de emisin, si bien, ladirectiva europea actualmente vigente (2003/87/CE) solo contempla de momento elcontrol de las emisiones de CO2.

2.9. Los refrigerantes naturales

Se describe a continuacin el comportamiento, aplicaciones, ventajas einconvenientes de algunos refrigerantes que, al ser naturales y no ser por tanto extraosa la atmsfera, tienen perspectivas de ser protagonistas en un futuro prximo.

Amonaco (NH3). Este refrigerante, denominado R-717, presenta una alta eficienciatrmica, debido a su gran conductividad trmica y a su gran calor latente devaporizacin. Apenas tiene impacto medioambiental, ya que su contribucin tanto ala destruccin de la capa de ozono como al calentamiento global de la atmsfera

por efecto invernadero son nulas. Adems, es barato (entre 10 y 20 veces ms quelos hidrocarburos halogenados) y poco viscoso, por lo que provoca escasas prdidasde carga en los conductos. Su rango de trabajo es muy amplio ya que tiene altatemperatura crtica y en cambio baja temperatura de ebullicin (-33C). Frente aestas importantes ventajas, hay que sealar como inconvenientes su toxicidad, loque puede ser un problema cuando existen fugas en los equipos. Sin embargo,

mucho antes de alcanzarse concentraciones peligrosas (a partir de 2000 ppm) elamoniaco diluido en aire es detectable por su intenso olor (desde 5 ppm), por lo que


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no es difcil evitar la posibilidad de emisiones que alcancen niveles txicos.Tambin puede apuntarse como inconveniente su inflamabilidad, pero sta ocurre aalta temperatura (600C) y en un estrecho rango de concentraciones. Por ltimo, latradicional desventaja de la mala miscibilidad con los lubricantes (que obligaba arealizar purgas de aceite) es cada vez menos importante, ya que los avances en la

bsqueda de nuevos lubricantes solubles son notables. El amonaco es unrefrigerante adecuado para equipos de refrigeracin por compresin de granpotencia y rango trmico medio y bajo, y adems (como se ver en el Tema 5) tienetambin aplicacin en equipos de absorcin, en combinacin con el agua comoabsorbente.

Hidrocarburos, como el propano, isobutano, n-butano, etc. Tambin sonrefrigerantes con buenas propiedades trmicas: mejores que los hidrocarburoshalogenados aunque no tan buenas como el amonaco. No presentanincompatibilidades con los materiales usados en los equipos de refrigeracin y noson txicos. Su mayor inconveniente es su inflamabilidad, pero este inconveniente

puede ser contrarrestado adoptando las medidas de seguridad pertinentes. Al fin yal cabo, el manejo de combustibles incluso de mayor inflamabilidad es hoy en dahabitual en calderas o cocinas domsticas, y por tanto no ser difcil establecermedidas de inspeccin y precaucin en el manejo. Ya hoy en da muchosfrigorficos domsticos y bombas de calor utilizan hidrocarburos como refrigerante.

Anhdrido carbnico (CO2). Se denomina R-744, y aunque su mercado esactualmente escaso, sus posibilidades futuras son muy grandes. Es abundante,

barato, carece de toxicidad y de incompatibilidades con materiales, y es inocuo almedio ambiente, tanto en relacin a la capa de ozono como al efecto invernadero.Esta ltima afirmacin, que puede sorprender, se basa en sus bajos valores de

GWP, que hacen referencia a la unidad msica emitida. La gran contribucin alcalentamiento atmosfrico del CO2 es debida a las masivas emisiones de este gasdebido a los procesos de combustin, pero frente a estas cantidades, las posiblesemisiones por fugas de refrigerante son insignificantes. La principal desventajatradicionalmente atribuida al CO2 como refrigerante es la necesidad de elevar la

presin para alcanzar temperaturas de evaporacin en el rango de inters industrial.Sin embargo, la posibilidad de fabricar hoy en da circuitos duraderamenteresistentes y estancos, casi convierte este condicionante en ventaja,

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