Refrigerantes

Introducción

La utilización de los procesos químicos mediante mezclas refrigerantes se puede considerar como una etapa intermedia entre el frio natural y el frio artificial; y desde la antigüedad se conocía que añadir ciertas sales como por ejemplo el nitrato sódico, el agua, se conseguirá disminuir la temperatura. Este procedimiento era muy utilizado en el siglo IV.

Un refrigerante es cualquier cuerpo o substancia que actué como agente de enfriamiento, absorbiendo calor de otro cuerpo o substancia. Desde el punto de vista de la refrigeración mecánica por evaporación de un líquido y la compresión de vapor, se puede definir al refrigerante como el medio para transportar calor desde donde lo absorbe por ebullición, a baja temperatura y presión, hasta donde lo rechaza al condensarse a alta temperatura y presión.

Los refrigerantes son los fluidos vitales en cualquier sistema de refrigeración. Existe un número muy grande de fluidos refrigerantes, fácilmente licuables.

Los refrigerantes se identifican por números después de la letra R, que significa refrigerante. El sistema de identificación ha sido estandarizado por la ASHRAE (American Society of Heating and Air Conditioning engineers)

Antecedentes de los refrigerantes

La práctica de la refrigeración, ha existido desde la época de las cavernas. Con frecuencia, en la historia se menciona el uso de hielo y nieve naturales para fines de enfriamiento. Los chinos, y después los romanos, los usaban para enfriar sus bebidas. En algunos lugares donde sólo tienen hielo en el invierno, lo almacenaban en fosos para usarlo en el verano. En lugares desérticos donde no disponían de hielo o nieve en ninguna época del año, como en Egipto, se utilizaba la evaporación del agua para el enfriamiento de bebidas, y hasta algunos dispositivos ingeniosos para hacer la estancia más confortable. El agua fue el primer refrigerante, con una larga historia de uso, continuando hasta nuestra época. Con el paso del tiempo, se han hecho mejoras en cuanto a su manejo y almacenamiento, pero aún se utiliza el hielo natural por todo el mundo. El uso histórico y fundamental del hielo, ha sido reconocido en una unidad de refrigeración: la tonelada de refrigeración, la cual se define como la cantidad de calor que se requiere para fundir dos mil libras de hielo en 24 hrs.

En refrigeración se dio un gran paso adelante, allá por el año 1600, cuando se descubrió que una mezcla de hielo con sal, producía temperaturas más bajas que el hielo solo. En cierta manera, ésta fue la primera mejora sobre la naturaleza en el campo de la refrigeración.

Durante la primera parte del siglo XIX, se desarrollaron máquinas para la compresión de vapor y se probaron muchos fluidos como refrigerantes, entre los que sobresalieron el amoníaco, bióxido de carbono, bióxido de azufre, cloruro de metilo y en cierta medida, algunos hidrocarburos.

A finales del siglo, la refrigeración mecánica estaba firmemente establecida.

Por muchos años (desde 1876), al amoníaco se le han encontrado excelentes propiedades como refrigerante, y desde entonces, ha sido el refrigerante más utilizado comúnmente.

A principios del siglo XX, se desarrollaron las unidades domésticas y los refrigerantes en uso en ese tiempo, padecían de una o más propiedades riesgosas. Algunos eran tóxicos, otros inflamables, y otros más operaban a muy altas presiones. En 1928, el vicepresidente de una importante compañía de automóviles, C.F. Kettering, decidió que la industria de la refrigeración, si quería llegar a alguna parte, necesitaba un nuevo refrigerante seguro y estable, que no fuera tóxico, corrosivo ni inflamable, y que tuviera las características necesarias para poder usarse en equipos compactos. Kettering solicitó a Thomas Midgely que explorara la posibilidad de desarrollar dicho producto. Un grupo de químicos se pusieron manos a la obra e iniciaron la búsqueda de tal refrigerante. Sabían que las combinaciones de flúor eran muy estables, así que, experimentaron con algunos de los compuestos químicos comunes de carbono, cloro e hidrógeno, sustituyendo átomos de cloro e hidrógeno por átomos de flúor, y en poco tiempo, lograron sintetizar el diclorodifluorometano

En 1929 se le solicitó a una compañía química, que ayudara a desarrollar un proceso comercial práctico para la fabricación del nuevo refrigerante. Con este desarrollo nació la industria de los refrigerantes halogenados, ninguno de los cuales existía antes. El primero de ellos fue el

Freón 12, que durante muchos años, fue el más popular De allí siguieron el Freón 11, el Freón 21, el Freón 114, y el Freón 22, cada uno con sus características especiales.

Con el tiempo, se fueron desarrollando otros compuestos halogenados y creció la familia de los freones. Además de refrigerantes, se les encontraron otras aplicaciones, tales como propelentes, solventes, extinguidores de fuego, agentes espumantes y otros. Algunos años más tarde, otras compañías comenzaron a fabricar los compuestos halogenados con otros nombres comerciales.

Métodos de conservación, almacenamiento y preservación de alimentos

Una de las aplicaciones que comúnmente se le da a la refrigeración tanto en la vida cotidiana, comercial e industrial es en la conservación, preservación y almacenamiento de alimentos debido a que es el mejor procedimiento para la conservación de alimentos y bebidas esto además de un buen envasado que protege a su vez de la luz del oxigeno y de otros factores externos perjudiciales como golpes, humedad etc.

Dos son los tipos de instalaciones utilizadas en las industrias alimentarias:

– Instalaciones de frio por compresión de gases, llamado también frio mecánico, que están en proceso de reconversión por la sustitución de los gases tradicionales por otros no perjudiciales para la capa de ozono.

– Instalaciones de frio mediante gases N2, CO2 que no son perjudiciales para la capa de ozono.

Según la intensidad del frio utilizada podemos distinguir varios tipos de conservación frigorífica:

• Refrigeración de alimentos y bebidas mediante la utilización de temperaturas ligeramente superiores a los 0°C que inhiben durante unos días o semanas el crecimiento de los microorganismos.

• Congelación de los alimentos y bebidas a temperaturas inferiores a los 0°C del orden de -15°C/-25°C que inhiben durante semanas e incluso meses el desarrollo de los microorganismos.

• Ultra congelación rápida de los alimentos y bebidas a bajas temperaturas -18°C/-35°C con lo que solo se inhibe el desarrollo de los microorganismos sino que se conserva mucho mejor la estructura original del producto.

Las causas de la descomposición de los alimentos

Durante el almacenaje se producen modificaciones de los alimentos que disminuyen su valor y conducen finalmente a su descomposición, estos procesos son los siguientes:

• Procesos Físicos

La evaporación del agua tiene como consecuencia no solo una pérdida de peso sino que también produce la desecación y contracción de la superficie junto con coloraciones que perjudican el aspecto, además de que muchas veces se altera el aroma.

• Procesos Químicos y Bioquímicos

En la conservación de alimentos animales y vegetales se producen complicados procesos químicos con intervención de fermentos (enzimas). El almacenaje prolongado inicia en las carnes y pescados la lenta descomposición de los albuminoides proceso que se denomina autolisis y que lleva finalmente a la descomposición. Debido a la influencia del aire se producen oxidaciones de los alimentos que contienen grasas, lo que da lugar a las coloraciones y aparición del sabor rancio.

• Acción de Microorganismos

Otra Causa de la descomposición de los alimentos es por la acción microbiana como bacterias, hongos, incluidas las levaduras.

Enzimas

Las enzimas completamente se destruyen con temperaturas altas las que alteran la composición del material orgánico en el cual existen. Debido a que las enzimas son eliminadas a temperaturas mayores a 160 grados F, la cocción de sustancias alimenticias destruye por completo el contenido de enzimas en las mismas. Por otra parte, las enzimas son muy resistentes a temperaturas bajas y su actividad puede continuar lentamente aun a temperaturas menores a 0 grados F. Sin embargo, es bien conocido el hecho de que la velocidad de la reacción química disminuye cuando baja la temperatura. Por lo tanto, aunque las enzimas no sean destruidas, su actividad se reduce en grande a temperaturas bajas y en particular a temperaturas inferiores al punto de congelación del agua.

La acción enzimática es muy fuerte en la presencia en la presencia de oxígeno libre

Las enzimas son catabólicas así como también anabólicas. O sea, que éstas actúan para consumir las células muertas así como también para mantener las células vivas de los tejidos. De hecho, las enzimas son los agentes principalmente responsables del deterioro y descomposición de todos los materiales orgánicos, como por ejemplo la putrefacción de la carne y el pescado y de la pudrición de frutas y vegetales.

Refrigeración mecánica

Se entiende por "refrigeración a todo proceso por el cual se puede obtener y mantener dentro de un recinto, teóricamente aislado, a una temperatura inferior a la del medio ambiente circundante.

La obtención y mantenimiento de una baja temperatura implica la absorción o extracción de calor ya sea de un recinto, fluido o producto enfriado.

La función de un equipo frigorífico es producir una "transferencia de calor" desde un lugar de baja temperatura (recinto aislado) a un lugar de mayor temperatura (medio ambiente).

Hay varios sistemas para poder refrigerar, uno es el sistema por compresión: Consiste fundamentalmente en el empleo de refrigerantes que al ser sometidos a un descenso de presión su punto de ebullición disminuye ostensiblemente. En el evaporador, el refrigerante ebulle absorbiendo calor del medio provocando un descenso en la temperatura de la cámara. Luego, el vapor de refrigerante que es comprimido y enfriado a presiones elevadas mediante agua o aire se licúa en el condensador.

Consta de 4 componentes principales:

• Evaporador

• Compresor

• Condensador

• Dispositivo de expansión

Evaporador: Intercambiador de calor ubicado dentro del recinto que se desea enfriar al cual el refrigerante entra en estado líquido o mayoritariamente líquido a baja presión y por consiguiente a una baja temperatura de ebullición. Al entrar en contacto con las paredes del evaporador, comienza su evaporación con la consiguiente absorción de calor.

Compresor: Succiona los vapores del refrigerante desde el evaporador y los comprime. En este elemento es donde debemos entregar la fuerza motriz necesaria para el funcionamiento del sistema, es decir, aquí se realiza el gasto de energía.

Condensador: Es el segundo intercambiador de calor, tiene por finalidad condensar los vapores refrigerantes a alta presión provenientes del compresor. La condensación de estos vapores significa convertirlos en líquidos y para ello debemos enfriarlos. El calor extraído al refrigerante es entregado al medio ambiente. A la salida del condensador nos encontramos con líquido refrigerante a alta presión.

Dispositivo de expansión: Tiene como finalidad reducir la presión del líquido refrigerante proveniente del condensador y entregarlo como líquido a baja presión al evaporador. Esta reducción de presión es fundamental para poder lograr la evaporación del refrigerante en el evaporador.

Propiedades físicas y químicas

Para que un líquido pueda ser utilizado como refrigerante, debe reunir ciertas propiedades, tanto termodinámicas como físicas. El refrigerante ideal, sería aquél que fuera capaz de descargar en el condensador todo el calor que absorba del evaporador, la línea de succión y el compresor

Las propiedades físicas y químicas que debería tener un refrigerante son:

• No debe ser tóxico ni venenoso.

• No debe ser explosivo ni inflamable.

• No debe tener efecto sobre otros materiales.

• Fácil de detectar cuando se fuga.

• Debe ser miscible con el aceite.

• No debe reaccionar con la humedad.

• Debe ser un compuesto estable.

Fácilmente se comprende que ninguno de los refrigerantes conocidos reúne todas estas cualidades; es decir, no existe un refrigerante ideal, por lo que, en base a un balance de ventajas, deberá seleccionarse el que reúna el mayor número de estas características de acuerdo al diseño requerido.

Clases de refrigerantes

Existen muchos tipos de refrigerantes, algunos de los cuales se usan comúnmente. En las primeras instalaciones de refrigeración se empleaban, por lo general, el amoniaco, bióxido de azufre, propano, etano y cloruro de etilo, los cuales aún se usan en varias aplicaciones. Sin embargo, debido a que estas sustancias son tóxicas, peligrosas o tienen características no deseadas, han sido reemplazadas por otras creadas especialmente para usarse en refrigeración.

Los clorofluorocarbonos CFC"S

Como su nombre lo indica, los clorofluorocarbonos (CFC"s) consisten en cloro, flúor y carbono. Como no contienen hidrógeno, los refrigerantes CFC son químicamente muy estables, inclusive cuando son liberados a la atmósfera. Pero debido a que contienen cloro en su composición, están dañando la capa de ozono. Permanecen en la atmósfera de 60 a 1700 años.

Los hidroclorofluorocarbonos HCFC"s

Los hidroclorofluorocarbonos (HCFC"s) son la segunda categoría de refrigerantes que están vigentes actualmente. Aunque contienen cloro, que daña la capa de ozono, los refrigerantes HCFC's también contienen hidrógeno, que los hace químicamente menos estables una vez que suben a la atmósfera.

Mezclas zeotrópicas

Están formadas por dos o más sustancias simples o puras, que al mezclarse en las cantidades preestablecidas generan una nueva sustancia, la cual tiene temperaturas de ebullición y condensación variables.

Mezcla azeotrópicas

Se identifica por un número de tres cifras que comienza con el 5.

Está formada por dos o más sustancias simples o puras que tienen un punto de ebullición constante y se comportan como una sustancia pura, logrando mejores características de desempeño.

Los Hidrofluorocarbonos (HFC"s)

Son sustancias que contienen hidrógeno, flúor y carbono. No contienen cloro y por consiguiente no dañan la capa de ozono,

Transporte y almacenamiento de refrigerantes

El almacenamiento de refrigerantes sigue algunas normas. Los contenedores utilizados para el manejo de refrigerantes ya sea a granel, en tambores, latas o cilindros retornables o desechables, se codifican con algún color. En años recientes, con el surgimiento de una gran cantidad de nuevos refrigerantes para reemplazar a los CFC's y algunos HCFC's, la codificación de colores no se hace arbitrariamente. La mayoría de los fabricantes se apegan a los lineamientos establecidos por el ARI (Air Conditioning and Refrigeration Institute), para la asignación de colores a los contenedores de refrigerantes.

Esta codificación, permite a los técnicos y contratistas identificar rápida y fácilmente el refrigerante, por el color del contenedor, evitando mezclar accidentalmente diferentes refrigerantes en un sistema.

Otras consideraciones que deben tomarse para almacenar refrigerantes son que los cilindros deberán almacenarse en el exterior y nunca en establecimientos residenciales. Según lo disponga la autoridad que tenga jurisdicción, los cilindros pueden conservarse en establecimientos comerciales o industriales de acuerdo con las siguientes pautas de almacenamiento:

?? Las cantidades que se almacenen deberán colocarse en áreas o cajas especiales y específicas.

?? El acceso a las zonas de almacenamiento deberá estar restringido "únicamente para personal autorizado". Estos lugares deberán señalizarse con avisos que prohíban fumar y la utilización de fuentes potenciales de ignición.

?? Los cilindros que contengan refrigerantes deberán almacenarse al nivel del suelo, nunca en sótanos. Los cilindros deberán almacenarse en posición vertical y deberán contar con un fácil acceso.

Aplicaciones de los refrigerantes

Las aplicaciones de la refrigeración son entre muchas:

• La Climatización, para alcanzar un grado de confort térmico adecuado para la habitabilidad de un edificio.

• La Conservación de alimentos, medicamentos u otros productos que se degraden con el calor.

• Los Procesos industriales que requieren reducir la temperatura de maquinarias o materiales para su correcto desarrollo.

Normatividad

Todas las normas nacionales e internacionales en vigor están sujetas a revisión. Cualquier referencia de una de ellas se considerará la última edición de la misma. Se insista a las Partes de acuerdos sujetos a dichas normas que tomen las medidas adecuadas para utilizar las versiones más actuales.

ANSI/ARI 700 Especificación de refrigerantes a base de fluorocarbono

ANSI/ASHRAE B16.5 Collarines de tuberías y sus accesorios

ANSI/ASHRAE 34 Designación numérica y clasificación de refrigerantes según su seguridad.

ANSI/ASME B31.5 Tuberías de refrigeración

ANSI/ASME B36.10M Tuberías de acero soldadas y de forjado sin costura

ANSI/UL 1963 Equipos de recuperación y reciclaje de refrigerantes.

ARI Standard 700 Norma de especificación para refrigerantes a base de fluorocarbono

ARI Standard 740 Norma para equipos de recuperación y reciclaje en refrigeración

ARI Standard 793 Especificación para fluorocarbonos y otros refrigerantes

AS 1571 Tuberías de cobre forjado sin costuras para la refrigeración y la climatización

Contaminación e impacto ambiental

La destrucción de la capa de ozono ha sido uno de los problemas ambientales más graves en los últimos años.

La problemática ambiental desatada por la destrucción de la capa de ozono ha llevado a que países, motivados por este fin, tomen medidas a través de convenios internacionales que permitan reducir el impacto causado por los

Compuestos contaminantes involucrando tanto a países desarrollados como a países en desarrollo.

El convenio de Viena, el protocolo de Montreal y el protocolo de Kyoto, han sido instrumentos determinantes para canalizar el compromiso y la participación de los países desarrollados y en vía de desarrollo.

Convenio de Viena

El Convenio de Viena, aprobado en marzo de 1985, representó el primer paso mundial para la protección de la capa de ozono, puesto que busca unificar el trabajo de varios países en la búsqueda de alternativas a través de la investigación.

A mayo de 2006, 190 países han firmado y ratificado el Convenio de Viena.

Protocolo de Montreal

Mediante el protocolo de Montreal, aprobado en septiembre de 1987 y actualizado mediante enmiendas de Londres (1990), Copenhague (1992), Viena (1995), Montreal (1997), Beijing (1999), se establecieron las fechas de control de las sustancias agotadoras de la capa de ozono, restricciones de importación y exportación de las mismas y adopción de un mecanismo de financiación.

México en 1987.

Sustancias agotadoras de la capa de ozono y sus sustitutos

Entre los principales compuestos agotadores de la capa de ozono se encuentran los siguientes:

• Los CFC (clorofluorocarbonos), los cuales han sido altamente utilizados en el contexto mundial para refrigeración, acondicionamiento de aire y

Espumación, como solventes, esterilizantes y propulsores en aerosol.

 En promedio un átomo de cloro es capaz de destruir hasta 100.000 moléculas de ozono. 

• Los Halones también producen un efecto aún más crítico que los CFC ya que el bromo puede reaccionar con el ozono entre diez y cien veces más que el cloro.

Otras sustancias, como el bromuro de metilo, se utilizan con gran frecuencia y representa una amenaza para la capa de ozono.

Sustitutos

Los hidroclorofluorocarbonos (HCFC), los hidrofluorocarbonos (HFC), los hidrocarburos (HC) y algunos refrigerantes naturales como el amoniaco y el dióxido de carbono (CO2).

Otras opciones de sustitución son el amoníaco y las sustancias orgánicas, cuyas emisiones directas tienen efecto muy reducido en el clima, aunque sus emisiones indirectas pueden afectar el sistema.

Usos

• Refrigeración domestica.

• Refrigeración comercial.

• Transporte refrigerado.

• Aires acondicionados.

• Aire acondicionado móvil.

• Aerosoles.

• Espumas.

Propuesta para disminuir el uso de refrigerantes

EL hombre, con su actividad productiva ha desarrollado productos que pueden generar sustancias que cuando llegan a la estratósfera deterioran la capa de ozono, lo que implica profundos desgastes y deterioro para la vida de los seres vivos.

Nosotros concluimos que el mayor impacto de los refrigerantes en el medio ambiente se debe al uso de refrigerantes CFC"s HCFC"s y Halones.

Nuestra primer propuesta es disminuir el uso de estos compuestos, principalmente los CFC"s dado que son los que causan el mayor impacto a la capa de ozono. La reducción en el uso de estos refrigerantes no es fácil y no se puede hacer a corto plazo, porque habría que cambiar los sistemas actuales de refrigeración en la mayor parte de las industrias, y este cambio representaría un gasto importante. Esto solo se puede lograr gradualmente, a corto plazo significa hacer una disminución de consumo mediante la reducción de fugas de refrigerante de los sistemas existentes.

Los tres tipos de causas para las pérdidas de refrigerantes son:

Fugas propias

Fugas accidentales

Emisiones provocadas por procedimientos incorrectos al transferir el refrigerante ya sea para vaciar o rellenar el sistema.

Con la intención de reducir el uso de CFC"s se han usado como sustitutos los HCFC`s que tienen un efecto menos destructivo que los primeros, sin embargo 1 ton de HCFC"s tiene el mismo efecto que 300 ton de CO2. Otros refrigerantes son los Halones, que son de menos usados, pero su efecto en la destrucción del ozono es hasta 10 veces más fuerte que el de los CFC"s.

Es por eso que es necesario dejar de usar este tipo de refrigerantes, y consecuentemente usar sustitutos de estos que sean más amigables con el medio ambiente. Los sustitutos que podrían usarse son el CO2, NH3, gases inertes como el N2 y el Argón. Algunas empresas como Coca Cola, Mc Donalds, Wal-Mart etc., han cambiado el uso de CFC"s por algunos de los gases antes mencionados.

El cambio de la utilización de los gases "tradicionales" a estos nuevos, implica un gasto fuerte en la empresas, es por eso que solo las empresas más grandes han hecho este cambio; como ya se dijo anteriormente dejar de usar los refrigerantes no es una tarea que se pueda realizar a corto plazo, creemos que una opción es reciclar los refrigerantes, de esta manera ya no se escaparan hacia la atmósfera, esto es una medida que no representa gastos excesivos en las empresas, y puede realizarse en el tiempo que poco a poco se da la eliminación del uso de CFC"s totalmente.

Conclusiones

Concluimos que los tres aspectos importantes de los refrigerantes son:

Su importancia en la vida del ser humano

Sus efectos ambientales

La búsqueda de sustitutos de los refrigerantes nocivos por refrigerantes amigables con el medio ambiente.

1.- Los refrigerantes son vitales en el desarrollo de la vida del ser humano, ya que nos permiten tener el control sobre la temperatura en diversos aspectos necesarios, desde el hogar hasta procesos industriales.

2.- Los refrigerantes a pesar de que son de gran importancia tanto en el hogar como en la industria no siempre son recomendables debido a que se ha llegado a la conclusión que muchos de ellos tienen efectos nocivos en la capa de ozono, ya que se ha comprobado que las altas emisiones de gases como los CFC han degradado considerablemente la capa de ozono provocando como consecuencia inmediata el calentamiento global.

3.- Seria de gran importancia sustituir los refrigerantes nocivos por otros más amigables con el medio ambiente, aunque esto represente un gasto adicional o importante en la industria, pues de no hacerlo, provocaremos daños en la vida de nuestro planeta y es un problema que a todos nos compete.

Autor:

Aguiar Villanueva Alejandra De La Paz

Altamirano Ibarria Sergio Alejandro

Gonzalez Chavez Fernando

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE NAYARIT

CIENCIAS BASICAS E INGENIERIAS

INGENIERIA DE SERVICIOS

ING. ANTONIO BETANCOURT PATRON