lunes, 26 de diciembre de 2011

Fluidos Refrigerantes para las Instalaciones de Frío


FLUIDOS REFRIGERANTES PARA LAS INSTALACIONES DE FRÍO
  
El fluido refrigerante actúa como un vehículo de transporte del calor en el circuito de refrigeración, razón por la cual debe ser un fluido con una gran capacidad de absorción de calor y dotado de una masa relativamente pequeña. Antiguamente se utilizaban dióxido de carbono, anhídrido sulfuroso, cloruro de metilo, o amoníaco, extinguiéndose por su baja eficacia, toxicidad, e incluso peligrosidad. En la actualidad se utilizan los fluidos derivados clorados y fluorados de los hidrocarburos, más conocidos con los nombres comerciales: freón, frigen, kaltron, etc. que presentan en principio las propiedades: ininflamables, no explosivos,  atóxicos, no irritantes, inodoros y químicamente inestables; aunque también en los últimos años se han observado algunos inconvenientes derivados de su uso, como la destrucción de la capa de ozono de la atmósfera y el efecto invernadero que también producen.

Estos fluidos se representan por la letra R, seguida por un número de tres cifras, donde en la de las unidades se indica el número átomos de flúor que contiene la molécula, en la de las decenas restándole una unidad, el número de átomos de hidrógeno, y en la de las centenas sumándole una unidad, el número de átomos de carbono. Las valencias sobrantes se saturan con átomos de cloro, o con átomos de bromo indicándose entonces con la expresión B1. Así un freón R 012 corresponde a una molécula de C Cl2 F2, o bien un R 115 correspondería a la molécula C Cl F2 – C F3.

El circuito de refrigeración debe ser totalmente hermético, para impedir fugas hacia el exterior debido a que se alcanzan presiones de trabajo entre 10 a 20 kg / cm2, que reducen la eficacia de refrigeración de la máquina, y también producen los inconvenientes sobre el medio ambiente. Del mismo modo al ser muy higroscópicos, una posible entrada de agua en el circuito, puede ocasionar graves problemas de corrosión, así como de obstrucciones por la formación de hielo en el evaporador, admitiéndose un máximo de 1 gramo de agua por 100 kg de gas. Para la lubricación de los compresores se utilizan aceites minerales, que permanecen mezclados con el fluido refrigerante en una parte del circuito, mientras que en la parte del evaporador no conviene que así sea, para lo que debe de disponerse de un dispositivo separador de aceite antes de su entrada.
  
El aceite arrastrado por el fluido refrigerante, puede estar en forma de gotas, o bien como aerosoles que son gotas mucho más finas de diámetro entre 0,01 a 0,80 micras, e incluso también como vapores de aceite. En los separadores de aceite, la descarga del vapor del fluido frigorígeno se hace pasar por barboteo a través de un baño del mismo refrigerante líquido, descendiendo desde 80º a 100º C hasta –40º C, donde el aceite se separa quedándose en la parte inferior del dispositivo, pudiendo ser entonces fácilmente purgado y reenviado hacia el compresor.

Los primeros freones que se utilizaron, fueron los CFC o cloro-fluor-carbonados, prohibidos en la Unión Europea desde el año 1995 por su acción destructora del ozono, estos fluidos han sido sustituidos por los HCFC o hidro-cloro-fluor-carbonados, que al contener menos átomos de cloro o bromo en sus moléculas, se reduce la acción destructora sobre el ozono, autorizándose una utilización temporal en la Unión Europea hasta el año 2015. Los CFC más conocidos son los R 022, R 123, R 124, R 141 b y R 142 b.

Los anteriores serán sustituidos por los fluidos HFC o hidro-fluor-carbonados, que no poseen el efecto destructor del ozono atmosférico de los freones anteriores, pero que sin embargo presentan un mayor responsabilidad sobre el efecto invernadero. Entre estos HFC destacan los R 125, R 134 a, R 143 a, R 152 a, y R 032.

También se ha propuesto utilizar mezclas de freones generalmente a base de dos fluidos refrigerantes.

El empleo de estas mezclas presenta en problema de presentar diferentes temperaturas de evaporación (mezclas zeotrópicas), aunque en algunos casos en un cierto intervalo de temperatura pueden hacerlo al mismo tiempo (mezclas azeotrópicas), como en el caso del prohibido R 502. La diferencia de las temperaturas de evaporación se determina por un “coeficiente de deslizamiento”, de tal manera que cuando éste es menor de 5 K, la mezcla se llama cuasiazeotrópica. Otro inconveniente que tienen estas mezclas, se produce en los casos de fugas, donde el fluido más volátil es el que primero abandona el circuito.

La sustitución de los freones prohibidos por los autorizados, también ocasionan frecuentes problemas, debiendo recuperarse el fluido sustituido en recipientes especiales, para proceder a su posterior destrucción en un establecimiento especializado. Del mismo modo el aceite debe ser también sustituido, puesto que los CFC utilizan aceites minerales, mientras que los HFC son aceites de base éster incompatibles con los anteriores, siendo admisible permitir un residuo máximo del aceite sustituido del 3 %.

La destrucción de la capa de ozono (O3) por los freones, se debe a la descomposición de éstos por la luz, liberando el cloro o el bromo que contienen, y transformando estos el ozono en oxígeno, pudiendo un átomo de cloro llegar a destruir millares de moléculas de ozono. El ozono está situado en la troposfera a unos 50 km de la superficie de la tierra, y tiene por misión filtrar las radiaciones ultravioletas de la luz solar, que en caso de desaparecer las consecuencias podrían ser muy graves para los seres humanos. Se denomina ODP (ozone depletion potential) o potencial de destrucción de ozono, el poder que tienen los freones de degradar el ozono, estableciéndose como unidad de medida la del R 011 con el valor de la unidad.

Por otra parte, el efecto invernadero es otro de los problemas que pueden derivarse del uso de estos fluidos. La radiación solar que recibe la tierra, parte puede ser absorbida por la misma o por los seres que viven sobre ella, y otra parte es devuelta al espacio en forma de radiación infrarroja. Algunos gases en la atmósfera no permiten el escape de estas radiaciones, devolviéndolas de nuevo hacia la superficie de la tierra, aumentando la temperatura de manera progresiva y con consecuencias también nefastas para la humanidad. El anhídrido carbónico (CO2) es el principal gas responsable de este efecto, pero también los son los gases frigoríficos, bien de una manera directa como tales, o bien indirectamente por el desprendimiento de anhídrido carbónico generado en la producción de energía eléctrica utilizada en el funcionamiento de los compresores frigoríficos.

El efecto invernadero directo (EID) se denomina también  GWP (global warming potential), tomando como la unidad el propio gas carbónico, mientras que el efecto invernadero indirecto (EII) de las instalaciones de refrigeración es muy variable y depende del sistema de producción de energía eléctrica de los países.

Otros inconvenientes que se señalan en los freones, están en que los CFC y HCFC expuestos en incendios al aire pueden producir un gas letal llamado fosgeno, mientras que los HFC pueden transformarse en ácido fluorhídrico. Además estos gases son indetectables y pesan más que el aire, pudiendo acumularse en zonas bajas de edificios y provocar accidentes por asfixia, mostrando las estadísticas unas pérdidas de carga en circuitos frigoríficos del orden del 10 a 30 % y año. Las altas temperaturas también pueden llegar a degradar estos fluidos refrigerantes, catalizados por la presencia de agua en el circuito, o bien por virutas y óxidos, o por último por un aceite degenerado por el uso.
      
Otra posibilidad consiste utilizar los fluidos refrigerantes naturales, muchos de ellos utilizados hace años y abandonados en la actualidad, volviendo el amoníaco a recuperar un protagonismo, por no generar los problemas de destrucción de la capa de ozono, ni tampoco por el efecto invernadero, aunque puede presentar otros problemas de peligrosidad en su manejo.

El amoníaco (NH3) es también un fluido refrigerante también conocido como R 717, que posee unos valores de ODP y GWP nulos, así como un TEWI también muy reducido, por lo que resulta un refrigerante ideal desde el punto de vista del medio ambiente, ya que como tal compuesto forma parte del ciclo natural del nitrógeno en la biosfera, estimándose una producción anual del planeta del orden de 3 . 109 toneladas de amoníaco. Además es un producto muy barato y de unas propiedades refrigerantes superiores a la de los freones citados. El problema que se plantea es su peligrosidad, pues las mezclas del amoníaco con el aire son explosivas, siendo una concentración del 4 % el límite de seguridad práctico.

Aunque este gas es menos pesado que el aire, sin embargo cuando una fuga se produce en aire húmedo, se forma un aerosol de sal de amonio, más pesado que el aire y se puede entonces acumular en partes bajas de recintos poco ventilados. La temperatura de ignición de la mezcla es bastante alta y del orden de 650º C, por lo que debe existir un incendio previo o una chispa de gran potencia. Las fugas de amoníaco son fácilmente detectables, debido a la formación de escarcha en el lugar de desprendimiento y al fuerte olor sofocante que despide este gas.

El acero, aluminio y el hierro son materiales compatibles con el amoníaco, mientras que el cobre, el cinc y sus aleaciones no lo son, debiendo prestarse especial atención a la construcción de las máquinas de refrigeración. Del mismo modo la soldadura autógena siempre es preferible a la soldadura con aportación de metales, y mejor las uniones embridadas en vez de las conexiones abocardadas.

Para compatibilizar el uso de este excelente fluido refrigerante con su peligrosidad, se plantea en algunas grandes industrias, unificar en un solo lugar la central de frío con amoníaco, aislándola del resto de las instalaciones y dotándola de grandes medidas de seguridad, enviando el frío generado a los distintos puntos de consumo, mediante los llamados fluidos refrigerantes secundarios. Estos fluidos suelen ser soluciones de agua con determinadas sustancias, que hacen descender notablemente la temperatura de congelación del agua. Antiguamente se utilizaban salmueras de cloruro sódico o cálcico, mientras que en la actualidad se emplea como productos  anticongelantes, la glicerina, el etilenglicol (C2H6O2), el propilenglicol (C3H8O2), el diclorometano (CH2Cl2), o el tricloroetileno (C2HCl3). Nuevos anticongelantes se ofrecen en este sentido, como el benciltoluol, el poliglicol, o el glicoéter, desarrollándose los llamados “fluidos bifásicos o sorbetes”, que son una mezcla de agua y cristales de hielo muy finos, donde además del calor sensible, también se aprovecha el calor latente de la congelación.

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