Básicamente, los gases refrigerantes que se emplean en todos los sistemas de refrigeración se clasifican en naturales y sintéticos. El amoniaco y el dióxido de carbono son los refrigerantes naturales más usados, debido a sus excelentes propiedades termodinámicas. Por otra parte, los refrigerantes a base de fluorocarbonos son sustancias sintéticas, las cuales se comenzaron a desarrollar y producir a partir de 1930.
En este post hablaremos de las características y aplicaciones de los principales refrigerantes naturales y sintéticos que se usan en la actualidad.
Importancia de los gases refrigerantes en los sistemas de refrigeración
Las propiedades termodinámicas de los gases refrigerantes son la esencia del funcionamiento de todo sistema de refrigeración. Por tanto, el diseño y construcción del compresor, evaporador, condensador y válvula de expansión determina el tipo de refrigerante que habrá de emplearse.
Los refrigerantes son sustancias con una gran capacidad para absorber calor de un sitio, y luego disiparlo en otro sitio. En este sentido, la absorción de calor se realiza aprovechando la baja temperatura que adquiere el refrigerante, en condiciones de baja presión. Por otro lado, la disipación de calor se efectúa gracias a la facilidad del refrigerante de calentarse, en condiciones de alta presión.
Tanto en la refrigeración industrial como en la doméstica y comercial, los gases refrigerantes se mueven a través de un circuito. Este circuito tiene una zona de baja presión y otra de alta presión, en las cuales se produce el enfriamiento y calentamiento del refrigerante, respectivamente.
Gases refrigerantes naturales
Los gases refrigerantes naturales más importantes de la refrigeración industrial son el amoniaco (NH3) y el dióxido de carbono (CO2). Además, también hay que destacar el dióxido de azufre (SO2), el cual se usó a principios del siglo XX en pequeños equipos de refrigeración. A continuación, hablaremos de cada uno de ellos y también del gas propano.
Amoniaco
El amoniaco es el refrigerante más empleado para enfriar grandes cámaras frigoríficas, desde 1876. La clasificación ASHRAE asigna al amoniaco el código R-717. Este es un gas altamente tóxico y corrosivo. Por tanto, las instalaciones frigoríficas que usen este refrigerante deben cumplir con estrictas medidas de seguridad.
Con el amoniaco se pueden alcanzar temperaturas tan bajas como -70 °C, en plantas frigoríficas por absorción. Por otra parte, empleando sistemas de compresión mecánica se pueden alcanzar temperaturas de -40 °C. Los evaporadores para refrigeración con amoniaco trabajan a una presión promedio de 20 psig, mientras que los condensadores trabajan a unos 155 psig.
Por otra parte, la temperatura de ebullición del amoniaco a presión atmosférica es de -33 °C, pero la temperatura crítica es de 133 °C. Además, la temperatura de congelación del amoníaco es de -78 °C.
El amoniaco tiene un potencial de agotamiento del ozono (PAO) igual a cero (0). Por otro lado, el potencial de calentamiento atmosférico (PCA) del amoniaco es también cero. Todas las características mencionadas hacen del amoníaco un excelente refrigerante natural y ecológico.
Dióxido de carbono
El dióxido de carbono, también conocido en la normativa ASHRAE como R-744, es un gas refrigerante mucho menos tóxico y corrosivo que el amoniaco. Sin embargo, el aprovechamiento de sus cualidades termodinámicas se consigue a presiones de trabajo más altas. En consecuencia, requiere de compresores, evaporadores para refrigeración, condensadores y tuberías más robustos.
Los sistemas de refrigeración industrial en base a CO2 trabajan en régimen subcrítico o transcrítico, aunque estas últimas requieren instalaciones relativamente más complejas.
Dióxido de azufre
A mediados de 1930, el dióxido de azufre (SO2) se utilizaba como gas refrigerante en pequeños refrigeradores domésticos. Sin embargo, fue desplazado rápidamente por los gases refrigerantes sintéticos a base de clorofluorocarbonos. Las principales causas para tal sustitución fueron su alta toxicidad y corrosividad.
Propano
El propano es un gas refrigerante derivado del petróleo y tiene excelentes propiedades termodinámicas. Su principal desventaja es que es muy inflamable, lo cual obliga a tomar ciertas condiciones de seguridad en caso de fugas. Sin embargo, tiene la ventaja de tener un precio muy bajo.
En la nomenclatura ASHRAE, al propano se le conoce como R-290 y es muy utilizado en sistemas industriales de refrigeración. Además, es un gas refrigerante con un PAO igual a cero y un PCA de apenas 3. Por tanto, es una alternativa muy ecológica.
Gases refrigerantes sintéticos
Para 1930, las empresas de refrigeración entendieron que los refrigerantes naturales nunca les iban a permitir expandir la refrigeración, a los hogares y pequeños comercios. Es decir, a parte de la alta toxicidad y corrosividad de casi todos los refrigerantes naturales, sus características no permitían construir equipos compactos. En consecuencia, gracias a un gran esfuerzo de investigación y desarrollo, surgieron los primeros refrigerantes sintéticos.
Para la época, estos nuevos refrigerantes eran lo más parecido al refrigerante ideal. De esta forma, se creó el diclorodifluorometano (CCl2F2), el cual también se conoce en la normativa ASHRAE como R-12. Sin embargo, con los años se determinó que los refrigerante a base de fluorocarbonos dañaban la capa de ozono y colaboraban con el calentamiento global. En consecuencia, en el Protocolo de Montreal (1986) se acordó su sustitución a nivel mundial.
El R-12 fue sustituido por el clorodifluorometano (HCFC), el cual se conoce también como R-22. Sin embargo, este gas refrigerante sintético fue sustituido rápidamente por una nueva generación de gases HFC (hidrofluorocarbonos), los cuales ocasionan menos efectos dañinos al ambiente.
R-134a, uno de los gases HFC más usados actualmente
Este refrigerante HFC tiene un potencial de agotamiento del ozono (PAO) igual a cero. Por otro lado, el potencial de calentamiento atmosférico (PCA) es de 1430. Cuando se utiliza el R-134a en compresores diseñados para R-12, se deberá sustituir el aceite mineral por aceite sintético a base de polioléster (POE).
El R-134a puede sustituirse a su vez por un gas más moderno a base de hidrofluoroolefinas (R-513A). Este gas refrigerante de última generación tiene un PCA de 630, el cual es mucho menor al del R 134a.
R-152a para refrigeración industrial
El R-152a es un gas refrigerante a base de difluoroetano, el cual tiene un PCA de 124 y no destruye la capa de ozono. Este refrigerante tiene propiedades termodinámicas superiores al R-134a, y es muy utilizado en sistemas de refrigeración tipo Chiller.
Mezclas zeotrópicas de gases refrigerantes
Todos los refrigerantes mencionados anteriormente son sustancias químicamente puras. Por tanto, tienen un solo punto de ebullición y condensación, a determinada presión y temperatura. Sin embargo, las mezclas zeotrópicas refrigerantes son compuestos formados por dos o más refrigerantes puros, con diferentes puntos de ebullición y condensación. Estas mezclas forman la serie 400 de la clasificación ASHRAE.
Las mezclas zeotrópicas más usadas actualmente son las siguientes: R-404A, R-410A, R-450A y R-448A. En todas ellas se tiene en cuenta el deslizamiento producido por los distintos puntos de ebullición y condensación de las sustancias que conforman cada mezcla.
Intersam, empresa especializada en condensadores y evaporadores para refrigeración comercial e industrial
Las nuevas normativas ambientales son cada vez más estrictas para lograr la sustitución definitiva de los fluorocarbonos y gases HFC, de los sistemas de refrigeración. Por tanto, deberá estudiar previamente los cambios necesarios para adoptar los nuevos gases refrigerantes sintéticos o naturales. Estos cambios no solo afectan al evaporador, sino también al condensador, compresor, tuberías, etc. Por esta razón, necesitará de una empresa especializada como Intersam, que pueda asesorarle en relación al condensador y al evaporador.