La Refrigeración - Que es, características y tipos

La refrigeración es la rama de la ciencia que trata el proceso de reducir y mantener más baja la temperatura de un espacio dado y su contenido; con respecto a su alrededor. El mantenimiento de la baja temperatura requiere de la extracción de calor del cuerpo o espacio a refrigerar y la cesión de este calor a una temperatura más alta. En cualquier proceso de refrigeración el calor absorbido es transferido a otro cuerpo y el cuerpo empleado como absorbente de calor se llama agente de refrigeración o agente refrigerante, comúnmente llamado refrigerante.

LOS REFRIGERANTES.

Refrigerante es cualquier sustancia capaz de absorber  calor de otra, estas sustancias pueden ser sólidas o líquidas entre las sólidas se incluyen sobre todo el  CO2 y el hielo. Hasta hace poco, el hielo era el que más se usaba en refrigeración doméstica, pero hoy en día, en la mayoría de los casos ha sido sustituida por otros refrigerantes que superan las desventajas que tiene el hielo:

1.No se pueden obtener tan bajas temperaturas como con otras sustancias. Con el cloruro de sodio o el calcio se consiguen  0^o F, en cambio con el hielo sólo 32^o F

2.Es necesario reponer manualmente el hielo.

3.Se produce condensado.

4.Es difícil controlar la refrigeración.

Por otro lado para refrigerar ciertos vegetales, verduras, pescado, y demás;  se prefiere el hielo por que evita que se deshidraten y los conserva en buenas condiciones.

     Como la refrigeración mecánica se basa en la evaporación y la subsecuente condensación del fluido para absorber y disipar el calor, el refrigerante debe poseer tales características físicas, para que se pueda repetir en ella  la transformación del líquido en gas y del  gas en líquido.

     Se requiere también que las transformaciones se realicen a la temperatura adecuada para los diferentes servicios y a la presión conveniente y apropiada a la economía, diseño, construcción y operación de los equipos. Además de las características físicas se deben tener en cuenta otros factores como son las propiedades ambientales,  termodinámicas, químicas, de seguridad, economía y otras.

     La capacidad de los líquidos de absorber calor mientras se evaporan, es la  base de la refrigeración moderna. Entre las muchas ventajas  de un refrigerante líquido están:

·   Control de cantidad de calor absorbida

·   Se consigue una recirculación continua del refrigerante sin necesidad de reponerla.

·   Se consiguen rangos de temperatura muy amplios, pues existen una gran cantidad de refrigerantes líquidos con diferentes puntos de ebullición.

     Para los refrigerantes líquidos más conocidos hay tablas y curvas que indican sus propiedades bajo diferentes condiciones.

REQUISITOS DE UN BUEN REFRIGERANTE

     El refrigerante debe entrar en ebullición a una temperatura que se aproxime a la temperatura a la cual se congela el agua para poder enfriar los alimentos y conservarlos en buen estado. Además el refrigerante debe reunir otras características a saber:

·   No puede  ser nocivo a la salud.

·   No debe ser corrosivo.

·   No debe ser explosivo en forma alguna para que pueda usarse sin peligro en el refrigerador.

·   Tiene que ser de tal naturaleza para que se mezcle bien con el aceite que usa para lubricar el compresor.

     Por  supuesto  que hay otras cualidades que deben tener los refrigerantes, pero las que acabamos de mencionar son las principales.  Hay cerca de una docena de combinaciones químicas que podrían usarse como refrigerantes pero ninguna reúne todas las características necesarias. Unas son venenosas, otras son explosivas y muy corrosivas y muchas otras requieren excesivas presiones para convertirlas del estado gaseoso a líquido.

CARACTERISTICAS GENERALES

     La propiedad más importante de los refrigerantes consiste en que  se  conviertan  de  gas  a líquido sin dificultad y que el calor latente al efectuarse la evaporación tenga un valor elevado. En lo que respecta al proyecto del sistema, aplicación y funcionamiento, se deben tener en cuenta ciertas características necesarias y adaptar estos requisitos a las propiedades especifica de los refrigerantes disponibles.  Son características importantes de los refrigerantes las siguientes:

I  Inflamabilidad y peligro de explosión:  La mayor parte de los refrigerantes de uso común son totalmente inflamables y no explosivos. Para clasificarlos según su nivel de inflamación se utilizan dos normas ASA B9.1 y la clasificación norteamericana de los Underwrites’ Laboratories. Es necesaria esta clasificación bajo el punto de vista  de seguridad, debido a que en el sitio de trabajo las fugas pueden causar una concentración crítica y producir incendios o explosiones; para evitar esto se deben tener muchas precauciones como ventilación, extracción, alarmas y otros.

Toxicidad :   Un refrigerante  tóxico  es el que es perjudicial a los seres humanos cuando se mezcla en el aire en pequeños porcentajes. Todos los refrigerantes comunes excepto el aire pueden causar sofocación, pero esto ocurre solamente a altas concentraciones.  El grado de toxicidad varia de un refrigerante  a otro; depende  de sus características y del tiempo en que se esté expuesto a los mismos.

Relación de compresión:  Es la que existe entre la presión de compresión y la presión de  evaporación  del refrigerante. Esta relación refleja la potencia requerida por el compresor y la presión necesaria para realizar la compresión del refrigerante.

Calor específico del refrigerante líquido:   El efecto de refrigeración es igual que su calor latente de vaporización, menos el calor sensible perdido en enfriar él liquido de la entrada al evaporador hasta la salida del mismo. Por lo anterior, mientras más pequeño sea el calor específico del liquido mayor será el efecto de refrigeración 

 Punto de  congelación: mientras que la mayoría de los refrigerantes tienen un punto de congelación menor que el punto de congelación del agua (de -20 ^oF a 10^oF), cuando se requiere temperaturas de  extrabajas, se deben tener mucho cuidado al escoger los refrigerantes. El punto de  congelación de un refrigerante  debe ser bastante menor que la más baja temperatura  obtenida del evaporador 

Estabilidad  química  y efecto de la humedad: los refrigerantes deben ser  de tal naturaleza que los continuos cambios  de presión y temperatura no afecte sus propiedades.  Asimismo, deben resistir cualquier  descomposición química ocasionada por contaminación del aceite, aire o agua.  Muchos refrigerantes, en su  estado puro, no son corrosivos,  pero al combinarse con agua se vuelven muy corrosivos.

Relación refrigerante- aceite:  La presencia de aceite  lubricante en un sistema es  obvia, porque el refrigerante y el aceite deben ser compatibles química y físicamente. El refrigerante ideal  es el que permanece químicamente estable  en presencia de aceite lubricante y, a su vez, no influye en las características   químicas del lubricante. 

     Hay refrigerantes  que tienen la capacidad de  mezclarse  con el aceite  (miscibilidad) en cualquier proporción,  algunos se mezclan poco  y otros nada.  El efecto de la miscibilidad  es reducir la viscosidad del aceite y disminuir la temperatura a la que se congela un lubricante.  El efecto de un lubricante en el sistema  es bajar la eficiencia, ya que se forma una capa en los tubos del evaporador y baja la transmisión; esto sucede con refrigerante poco miscibles. Cuando el refrigerante es miscible, no hay posibilidad de tener deposito en el evaporado, ya que el aceite no viene solo sino  mezclado.

Velocidad de fugas: La velocidad de fuga de  un gas refrigerante aumenta  de modo directamente proporcional  a la presión y inversamente  proporcional al peso molecular 

La detección de fugas:  La detección de fugas del refrigerante debe ser sencilla y eficaz por razones de mantenimiento, costo y seguridad.  El uso de una llama o antorcha de haluro hace posible detectar y localizar  minúsculas fugas de refrigerantes. Algunos refrigerantes tienen mas capacidad  para fugarse  que otros; mientras más denso es un refrigerante, menor es su posibilidad de fuga.

La densidad  del vapor:  La densidad del vapor afecta  a la capacidad del compresor  y al dimensionado  de los tubos.  Una alta densidad del vapor acompañada  de un calor latente de evaporizacion relativamente elevado  es conveniente  en un refrigerante.  Un caudal reducido hace posible la adopción de un equipo compacto  y un diámetro de tubo menor.  Los compresores centrífugos  requieren de un refrigerante de baja densidad de vapor para el rendimiento óptimo  con capacidad frigorífica relativamente baja. 

Costo y disponibilidad:  El costo de un refrigerante  en unidades pequeñas, no es de mucha importancia; lo contrario sucede en instalaciones grandes.  El costo se  debe analizar   bajo el punto de vista de la eficiencia térmica  y no simplemente del costo por peso.  El refrigerante  que  absorba o ceda calor   al mínimo costo  por BTU es él más económico, sin importar el costo  por peso.

 

TIPOS  DE  REFRIGERANTES

       La norma  34 de la  American Society of Refrigerating Engineers  clasifica los refrigerantes  en varios grupos, los más importantes de estos grupos son:

·   HIDROCARBUROS   HALOGENADOS.

·   MEZCLA   ACEOTROPICAS.

·   HIDROCARBUROS.

·   COMPUESTOS    INORGANICOS.

·   SUSTANCIAS   ORGANICAS   NO   SATURADA

I.- HIDROCARBUROS HALOGENADOS

El sistema  de numeración del grupo de los hidrocarburos halogenados sigue la siguiente regla:  El primer dígito a partir de la derecha  es él numero de  átomos de flúor en el compuesto; el segundo  dígito es uno más que el  número de átomos de hidrógeno del compuesto; y el tercero  es uno menos que el número de átomos de carbono del compuesto. Cuando el último  dígito es cero, se omite.

Designación Numérica	Nombre químico
11	Tricloromonofluorometano
12	Diclorodifluormetano
13	Monoclorotrifluormetano
22	Monoclorodifluormetano
30	Cloruro de  metileno
40	Cloruro de Metilo
113	Triclorotrifluoretano
114	Diclorotetrafluoretano
114a	Diclorotetrafluoretano
152a	Difluoretano

II.-  MEZCLA ACEOTROPICAS.

Una mezcla aceotropica de dos sustancias  es una mezcla que no se puede separar en sus dos componentes  por destilación.  Una  mezcla aceotropica  se evapora y se condensa  como una sustancia  simple, con  propiedades  que son diferentes  de las de sus constituyentes.  La única mezcla aceotropica  comercial es el Refrigerante 500, que es una mezcla de  Refrigerante 12 y Refrigerante 152ª  en una proporción de 73,8 y 26,2 %. En peso respectivamente.

III.-  HIDROCARBUROS.

Designación Numérica	Nombre  Químico
50	Metano
170	Etano
290	Propano

 

IV.-  COMPUESTOS INORGANICOS

Designación  Numérica	Nombre Químico
717	Amoniaco
718	Agua
729	Aire
744	Anhídrido  carbónico
764	Anhídrido sulfuroso

  

V.-  SUSTANCIAS ORGANICAS NO SATURADAS.

 Dos refrigerantes raramente utilizados  son compuestos orgánicos  no saturados. Refrigerante  1150, etileno, y Refrigerante 1270, propileno.

CRITERIOS DE SELECCIÓN DE UN REFRIGERANTE.

En cualquier ciclo cerrado, la elección del fluido operante es irrestricta y suele recaer en aquel cuyas propiedades son más idóneas para las condiciones de operación. La elección depende de diversos factores, algunos de los cuales pueden no relacionarse directamente con la capacidad del refrigerante para extraer calor. Por ejemplo, la inflamabilidad, toxicidad, densidad, viscosidad, disponibilidad y otras características similares son con frecuencia factores decisivos. La idoneidad de un refrigerante también depende de factores tales como el tipo de compresor por usar (centrifugo, de empuje rotatorio o de movimiento alternativo, seguridad de su aplicación, diseño del cambiador de calor, aplicación de códigos, magnitud del trabajo e intervalos de temperatura. los factores siguientes, deben tenerse en cuenta al elegir un refrigerante.

Presión de descarga condensación: Debe ser lo suficientemente baja para adaptarse a la presión de diseño de los recipientes de presión, envolventes de compresores etc. , disponibles en el comercio. Sin embargo, la presión de descarga es decir, la presión del liquido contenido en el condensador debe ser lo suficientemente alta para suministrar refrigerante liquido a todas las partes del sistema que lo requiere.

Presión de aspiración(evaporación): Debe ser mayor que aproximadamente 3.45 kPa (0.5 lb/pulg2 abs.) para una elección practica del compresor. Cuando sea posible, es mejor que la presión de aspiración sea mayor que la atmosférica para evitar la entrada de aire y humedad en el sistema. Normalmente se considera necesaria una presión positiva cuando se trata con hidrocarburos, debido al peligro de explosión por cualquier entrada de aire al interior del sistema.

Presión de reserva (saturación a temperatura ambiente): Debe ser lo suficientemente baja para adaptarse a la presión de diseño del equipo a menos de que el sistema cuente con otros medios para manejar el refrigerante durante la inactividad, por ejemplo, con la inclusión de tanques de expansión.

Temperatura y Presión criticas: Deben estar muy por encima del nivel de operación. A medida que se alcanza la presión crítica, del desobrecalentamiento  del gas de descarga del compresor se libera menor calor latente que calor sensible, por lo que se reduce la eficiencia del ciclo. Suelen emplearse metano (R-50) y clorotrifluorometano (R-13) en cascada con otros refrigerantes. debido, a sus bajos puntos críticos.

Volumen de Aspiración: Determina el tamaño del compresor. los grandes volúmenes de aspiración hacen necesarios compresores centrífugos o de tornillo. y los volúmenes reducidos determinan el uso de compresores de movimiento alternativo. Los volúmenes de aspiración también suelen influir en el diseño del evaporador, particularmente a bajas temperaturas, en virtud de que debe incluirse el espacio suficiente para la separación adecuada de gas y liquido.

Punto de congelación: Debe ser menor que la temperatura de operaci6n mínima. Esto no suele ser un problema, a menos de que se use salmuera como refrigerante.

Potencia teórica: La necesaria para la compresi6n adiabática del gas es ligeramente menor con algunos refrigerantes que con otros. Sin embargo, esta suele ser una consideración secundaria contrarrestada por los efectos de la elección de equipos particulares, tales como las caídas de presión en las líneas, etc., sobre el consumo de energía del sistema.

Densidad del vapor (o el peso molecular): Es una característica importante cuando el compresor es centrifugo, debido a que los gases más ligeros requieren más impulsores para un aumento dado de la presión (carga hidrostática) o de la temperatura. Por otra parte, los compresores centrífugos tienen una limitación relacionada con la velocidad acústica en el gas, y esta velocidad disminuye al aumentar el peso molecular. Son deseables bajas densidades del vapor para minimizar la caida de presión en tuberias largas de aspiración y descarga.

Densidad del liquido: Las velocidades del liquido son comparativamente bajas, de modo que la caída de presión no suele ser un problema. Sin embargo, la carga estática puede afectar las temperaturas del evaporador, y debe considerarse cuando es necesario suministrar 1iquido a partes elevadas del sistema.

Calor latente: Este calor ha de ser elevado, en virtud de que reduce la cantidad de refrigerante que es necesaria hacer circular. Sin embargo, los grandes flujos son más fáciles de controlar debido a que permiten el uso de dispositivos de estrangulación y aberturas mas grandes y menos sensibles.

Costo del refrigerante: Depende del tamaño de la instalación y debe considerarse tanto desde el punto de vista de la carga inicial como de la composición, debido a las pérdidas que ocurren durante el servicio. Si bien un refrigerador doméstico contiene una cantidad de refrigerante de costo relativamente bajo, la carga de una planta química típica puede tener un costo muy elevado.

Otras propiedades deseables: Los refrigerantes deben ser estables y no corrosivos. En base a consideraciones de transferencia de calor, un refrigerante debe tener baja viscosidad, elevada conductividad térmica, y alto calor               especifico. Con fines de seguridad para personas y bienes, un refrigerante no debe ser tóxico inflamable, contaminar la atmósfera u otros productos en caso de fuga y tener baja tendencia  a la fuga en materiales de construcción normales.

                REFRIGERANTES MÁS COMUNES

REFRIGERANTES DE BAJA PRESIÓN Y ALTA TEMPERATURA.

 Utilidad:  Aire acondicionado (teatros, oficinas, auditorios, equipos de enfriamiento,...).

 Refrigerantes:  Freón 113, Freón 11, Dicloroetano, Tricloroetano, Clorometano, Agua.

 

REFRIGERANTES DE PRESION MEDIA Y TEMPERATURA MEDIA. 

Utilidad: Doméstica (refrigeradores, enfriadores de agua...); comercial (refrigeradores, cámaras de refrigeración...); industrial.

Refrigerantes:  Freón 12, Freón 114, Clorometano, Dioxido de Azufre, Isobutano.

 

REFRIGERANTES DE ALTA PRESION Y BAJA TEMPERATURA.

Utilidad: Industrial (cremerías, cervecerías, fábricas de helados);doméstica y comercial (congeladores).

Refrigerantes: Amonicaco, Dioxido de Carbono, Freón 22, Freón 12, Propano,Kulene 131.

 

REFRIGERANTES DE MUY ALTA PRESION  Y MUY BAJA TEMPERATURA.

Utilidad: Industrial (Túneles de viento aerodinámicos,metalurgia, licuefacción de gases).

Refrigerantes: Eteno, Etano, Freón13, Freón 14.

 

REFRIGERANTES SECUNDARIOS.

 Agua, cloruro de sodio, cloruro de calcio, eteno, glicol etilénico, metano, glicerina... 

CUADRO SINOPTICO
R	Punto Ebullición (OC)	Tipo Compresor		Aplicación	Toxicidad   (ppm)	Inflamabilidad	Sustituto
FREON 11	23,8	CENTRIFUGO		TURBO COMPRESOR,	1000	NO	HCFC-123
FREON 12	-29,8	ALTERNATIVO ROTATIVO, CENTRIFUGO		Aire acondicionado, refrigeración en general, turbocompresor de tamaño grande y de baja temperatura	1000	NO	HFC-134a
FREON 13	-81,4	ALTERNATIVO ROTATIVO		Equipo de super baja temperatura
FREON 21	8,9	idem		Enfriador de cabina para grúa
FREON 22	-40,8	ALTERNATIVO,   .................... CENTRIFUGO		Aire acondicionado, refrigeranción en general, congelador de varios tipos, equipos de baja temperatura ...................................... turbo compresor de tamaño grande, y baja temperatura	1000	NO
FREON 113	47,6	CENTRIFUGO		TURBO COMPRESOR DE TAMAÑO PEQUEÑO
FREON 114	3,6	ALTERNATIVO ROTATIVO ........................ CENTRIFUGO	Enfriador de cabina para grúa   .................................................. Turbocompresor		1000	NO	HCFC-124
FREON 500	-33,3	ALTERNATIVO ROTATIVO   ........................... CENTRÍFUGO		Aire acondicionado, refrigeranción en general ......................................................Turbo compresor de tamaño  grande y de baga temperatura
FREON 502	-45,6	alternativo Rotativo		Caja de exposición,Unidad para baja temperatura,   Refrigeración en general, Aire Acondicionado	1000	NO	BLEENDS HP
AMONIACO		ALTERNATIVO,     ..................... CENTRIFUGO		Equipo para fabricar hielo, Equipo de Refrigeración para salmuera, Congelación de varios tipos, Equipo (enfriador de plantas) ....................................... pista de patinaje de hielo, para enfriar salmuera,para enfriar plantas químicas.		SI
134a						NO	AUTOS
ETANO						SI
PROPANO						SI

BIBLIOGRAFIA.

W. F.  STOECKER . Refrigeración y Acondicionamiento de Aire,  Editorial Mc Graw-hill , Primera edición en español, Mexico 1970.

 HERNADEZ GORIBAR EDUARDO. Fundamentos de Aire Acondicionado y Refrigeración, Editorial Limusa, Primera Edición, Mexico 1973.

 NATIONAL   SCHOOL S, Refrigeración ,  Editorial Pan-american, Mexico 1970.

 DOSSAT J. ROY.  Principios de Refrigeración, Editorial Continental, Primera Edición, Mexico 1974.

 ENCICLOPEDIA TECNICA Y MECANICA OCEANIA

 MANUAL DUPONT, Alternativas en gases refrigerantes, Camara Venezolana de Ventilación, Aire Acondicionado y Refrigeración.

 CATALOGO CARRIER