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Refrigerantes Alternos

Wed, 13 Sep 2023 10:55:58 -0600

¿Cuál es el Código de colores para los C.R.?

Wed, 13 Sep 2023 10:52:08 -0600

Código de Colores para los Cilindros de Refrigerantes

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. Hace algunas décadas no había unificación de colores por parte de los fabricantes de refrigerantes. Posteriormente, se estandarizó un código de colores adoptado mundialmente por los fabricantes, aunque no era un método oficialmente reconocido para identificar el contenido del cilindro, como sucedía con otros gases industriales, tales como el nitrógeno, el acetileno, el oxígeno, etc.

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. Pero siempre se debe leer la etiqueta e identificar el contenido, antes de utilizarlo. A continuación, en la figura 12.27, se muestra una lista de los refrigerantes más populares que incluye algunos que ya están descontinuados, y también algunos de los nuevos.

¿Qué sucede cuando mezclas Refrigerantes?

Wed, 13 Sep 2023 10:48:00 -0600

Mezclas de Refrigerantes

Por muchos años ha habido interés por el uso de refrigerantes mezclados, tanto en estudios de calorímetros como en pruebas en el campo. Cuando se considera este tema, surgen una cantidad de preguntas. ¿Es seguro mezclar refrigerantes? ¿Cuáles son las ventajas y desventajas? ¿Cuándo pueden usarse las mezclas? ¿Cómo se afecta el funcionamiento del refrigerante? ¿Cómo cambiará la solubilidad del aceite? Estas y otras preguntas similares, en términos generales, no pueden ser totalmente contestadas. Cada mezcla propuesta debe ser examinada en detalle.

Obviamente, los refrigerantes que se mezclan deben ser compatibles entre sí; es decir, no deben tener efectos químicos uno sobre otro, ni inmediatamente ni por un largo período. Con los refrigerantes halogenados, los cuales por su naturaleza son todos similares, esto no es un problema. En sistemas herméticos, la mezcla no debe tener ningún efecto sobre el aislamiento eléctrico. Deberá tener suficiente estabilidad para dar años de operación libre de problemas. Como con cualquier otro refrigerante, una mezcla se desempeña mejor en el equipo que ha sido diseñado para ella.

Cuando se mezclan dos o más compuestos diferentes, los cuales se utilizan individualmente como refrigerantes, se pueden formar dos tipos de soluciones: una mezcla zeotrópica (o mezcla simple) o una mezcla azeotrópica. Ambos tipos de mezclas pueden operar en equipos de refrigeración, aunque las mezclas azeotrópicas tienen ciertas ventajas.

Un compuesto puro, tal como el R-134a, tiene una sola curva que define sus relaciones de presión y temperatura de saturación. Las mezclas azeotrópicas, tales como el R-502 y el R-507, también tienen una sola relación de presión-temperatura, igual que un solo compuesto puro. Las mezclas zeotrópicas se comportan un poco diferente, como se explicará a continuación.

Mezclas Zeotrópicas. Se llama así a las mezclas formadas por dos o más componentes (refrigerantes puros) de diferente volatilidad. Cuando estas mezclas se evaporan o se condensan en un sistema de refrigeración, su composición y su temperatura de saturación cambian. La palabra zeótropo se deriva de las palabras griegas zein = hervir, y tropos = cambiar.

Al hervir esta mezcla en un evaporador, la composición del líquido remanente cambia. Esto es, al empezar a hervir el líquido, se evapora un porcentaje más elevado del componente más volátil. Por lo tanto, conforme continúa hirviendo la mezcla, el líquido remanente tiene menor concentración del componente más volátil, y mayor concentración del menos volátil.

El cambio de composición del líquido, da como resultado un cambio en el punto de ebullición. La temperatura a la cual empieza a hervir el líquido (líquido saturado), se le conoce punto de burbuja. La temperatura a la cual se evapora la última gota de líquido (vapor saturado), se le llama punto de rocío. A una misma presión, la temperatura del punto de burbuja es más baja que la del punto de rocío para cualquier mezcla zeotrópica. A este fenómeno se le conoce como "deslizamiento de temperatura". En la figura 12.25 se muestra la composición del R-401A, durante su ebullición. Este es una mezcla zeotrópica formada por R-22 (53%), R-152a (13%) y R-124 (34%).

Este deslizamiento de temperatura también ocurre en el condensador, pero aquí, la temperatura de condensación disminuye en lugar de aumentar. El inicio de la condensación es en su punto de rocío, cuando todo el vapor se ha condensado, este es el punto de burbuja.

El deslizamiento de temperatura puede variar, dependiendo de la mezcla, desde 1° ó 2 °C hasta varias decenas de grados centígrados. Cuando una mezcla tiene un deslizamiento menor, que no conduce a errores consecuentes en el cálculo para una aplicación en un sistema de refrigeración, se le llama "mezcla casi azeotrópica".

De 1990 a la fecha, los fabricantes de refrigerantes han desarrollado más mezclas zeotrópicas de las que existían, hasta antes de dicho año. Estas mezclas son transitorias y se desarrollaron para substituir a los refrigerantes HCFC's, tales como el R-12, el R-22 y el R-502. Estos últimos van a dejar de fabricarse y usarse alrededor del año 2030. Estas mezclas ya se encuentran disponibles comercialmente, y algunas se van a quedar permanentemente como reemplazos para el R-22 y el R-502.

A las mezclas zeotrópicas comerciales, se les debe asignar un número de identificación en la serie 400. Este número indica qué componentes se encuentran en la mezcla, pero no el porcentaje de cada uno de ellos. La cantidad se designa como se muestra en la figura 12.3.

Mezclas Azeotrópicas. Se llama así a las mezclas de dos o más componentes de diferente volatilidad, las cuales, al ser utilizadas en un sistema de refrigeración, NO cambian su composición ni su temperatura de saturación al hervir en el evaporador, o se condensan a una presión constante.

La composición del líquido es la misma que la del vapor. Las mezclas azeotrópicas pueden inclusive ser destiladas, sin que cambie su composición. El prefijo "a" antes de la palabra zeótropo, es de raíz latina, y significa una negación, por lo que la palabra azeótropo se puede interpretar como que "no cambia al hervir".

Al combinar los componentes, la mezcla resultante se comporta en muchas maneras, como si fuera un solo refrigerante puro, con una sola temperatura de saturación correspondiente a una presión dada.

Generalmente el punto de ebullición resultante de una mezcla azeotrópica, es menor o igual que el del componente con el más bajo punto de ebullición, como se puede ver en la tabla de la figura 12.26. En esta tabla, se muestran algunos ejemplos de mezclas azeotrópicas, la mayoría de las cuales no tienen importancia comercial, y en algunos casos, incluyen materiales tóxicos o inflamables. Las mezclas que contienen refrigerantes clorofluorocarbonos (CFC) como R-12, R-114, R-115, etc... van a desaparecer ya que estos refrigerantes CFC se dejaron de utilizar a fines del año 1995. Las mezclas que contienen refrigerantes hidroclorofluorocarbonos (HCFC) como el R-22, R-23, R-152a, R-143a, R-125, etc. van a permanecer un poco más tiempo en el mercado, puesto que estos refrigerantes están programados para desfasamiento para el año 2030 o antes.

Algunos fabricantes de refrigerantes se han adelantado al desfasamiento, y han desarrollado mezclas a base de hidrofluorocarbonos (HFC), los cuales no dañan la capa de ozono. Estas mezclas surgieron como alternativas para los HCFC's, tales como el R-22, el R-502 y el R-503 y algunos se van a quedar en forma permanente. Tal es el caso del R-507, el cual es una mezcla azeotrópica con 50% de R-125 y 50% de R-134a, y sustituye al R-22 o al R-502 en aplicaciones de media y baja temperatura.

A las mezclas azeotrópicas que se comercialicen, deberá asignárseles un número de identificación progresiva de la serie 500, como se muestra en la figura 12.26.

Ventajas de los Azeótropos como Refrigerantes. Ambas mezclas, las zeotrópicas y las azeotrópicas, pueden usarse como refrigerantes. En sistemas con evaporador tipo "seco" o de expansión directa, la mezcla completa se evapora antes de salir del evaporador. La composición permanece igual a través de todo el ciclo de refrigeración, y ambas mezclas pueden utilizarse bajo estas condiciones. En sistemas con evaporadores de tipo "inundado", una mezcla azeotrópica tendrá la ventaja de composición constante durante la evaporación. Con las mezclas zeotrópicas, es probable que el líquido en el evaporador sea mucho más rico en el componente de más alto punto de ebullición.

Otra ventaja es el bajo punto de ebullición del azeótropo, lo que significa temperaturas de evaporación más bajas y con frecuencia, mayor capacidad. Por ejemplo, el R-500 tiene un 20% más de capacidad que el R-12 cuando se utiliza en las mismas condiciones, con el mismo propósito y con el mismo tamaño de motor.

Los refrigerantes de mezclas azeotrópicas más empleadas comercialmente, son el R-500, el R-502, el R-503 y el R-507. Estos son refrigerantes patentados y el proceso de fabricación es bastante complejo, por lo que los técnicos de servicio no deben intentar nunca hacer sus propias mezclas.

Propiedades físicas y químicas de los refrigerantes

Wed, 13 Sep 2023 10:34:13 -0600

Propiedades Físicas y Químicas

Las propiedades físicas y químicas de los refrigerantes, no determinan directamente el calor que un refrigerante puede remover o absorber.

7. No Debe ser Tóxico ni Venenoso

Puesto que los refrigerantes son manejados por muchas personas, desde el fabricante, al distribuidor hasta el usuario, no deben representar ningún peligro. La mayoría de los refrigerantes sintéticos (hechos por el hombre, no encontrados en la naturaleza) no son tóxicos, y el riesgo es muy leve o prácticamente inexistente. Sin embargo, hay algunos refrigerantes que son realmente dañinos al hombre, aún en pequeñas concentraciones. En altas concentraciones en el aire, cualquier refrigerante puede causar asfixia, debido a que desplazan el aire y crean insuficiencia de oxígeno. La magnitud del daño depende de la concen- tración de refrigerante, su naturaleza y del tiempo que se esté expuesto a él.

Hasta esta fecha, en nuestro país no se ha definido claramente una reglamentación o clasificación para refrigerantes, de acuerdo a su seguridad relativa.

En muchos países, los refrigerantes están bien clasificados de acuerdo a su grado de toxicidad, y también a su grado de inflamabilidad.

Organizaciones como Underwriter's Laboratories, Inc. (UL) y National Board of Fire Underwriter's (NBFU) en Estados Unidos, han clasificado los refrigerantes de acuerdo a su toxicidad en 6 grupos. Los refrigerantes del grupo 1 son los más tóxicos, y los del grupo 6 son los menos tóxicos. En la tabla 12.15, se muestran estos grupos.

Por ejemplo, como se puede apreciar en la tabla, el R-12 no es tóxico y una persona puede vivir en una atmósfera con un alto porcentaje de este refrigerante durante períodos prolongados. En cambio, otros refrigerantes como el amoníaco (R-717), son tan tóxicos, que una exposición de 30 minutos en aire, con una concentración de 0.5% en volumen, se considera peligrosa y hasta letal. El bióxido de azufre, que ya no se usa como refrigerante desde hace muchos años, es el más tóxico, ya que la misma concentración, pero con menos tiempo de exposición, puede ser letal.

Un punto interesante es, que estos dos refrigerantes, aunque son los más tóxicos, tienen la ventaja de que su olor es muy ofensivo, y ponen alerta a la persona desde el momento que aparece el primer rastro de refrigerante.

Sin embargo, otros refrigerantes inoloros, como el R-30 (cloruro de metileno) o el R-40 (cloruro de metilo), son muy tóxicos, pero a causa de su cualidad inolora, pueden ser considerados aún más peligrosos, ya que no "avisan" como el amoníaco.

Otro factor que debe ser considerado en el tema de toxicidad de los refrigerantes, es la reacción a la flama. Los refrigerantes halogenados como el R-11, R-12, R-22, R-502, etc., se descomponen cuando se someten a altas temperaturas como las de una flama, formando vapores altamente tóxicos, aunque estos refrigerantes en sí son inofensivos. Cuando se utiliza una flama en presencia de estos refrigerantes, debe estar el área bien ventilada.

8. No Debe ser Explosivo ni Inflamable

Los refrigerantes varían extremadamente en cuanto a su facultad para arder o soportar la combustión.

En E.U. la organización National Refrigeration Safety Code (NRSC), cataloga a los refrigerantes en tres grupos de acuerdo a su grado de inflamabilidad o explosividad:

Grupo Uno - Los refrigerantes más seguros.

Grupo Dos - Refrigerantes moderadamente inflamables.

Grupo Tres - Refrigerantes inflamables.

Grupo Uno. Los refrigerantes en este grupo pueden utilizarse en cantidades mayores en cualquier instalación. Las cantidades permisibles son especificadas por la American Standard Safety Code for Mechanical Refrigeration. Estas cantidades son:

a. Hasta 9 Kg (20 lb) en cocinas de hospitales.

b. Hasta 23 Kg (50 lb) en concurrencias públicas.

c. Hasta 23 Kg (50 lb) en uso residencial (si se toman precauciones).

d. Hasta 9 Kg (20 lb) en sistemas de aire acondicionado residencial.

Algunos refrigerantes del Grupo Uno son:

R-11* Tricloromonofluorometano.

R-12* Diclorodifluorometano.

R-22 Monoclorodifluorometano.

R-500 Mezcla azeotrópica de R-12 (73.8 % ) y R-152a (26.2 %).

R-502 Mezcla azeotrópica de R-22 (48.8 %) y R-115 (51.2 %).

R-503 Mezcla azeotrópica de R-23 (40.1 %) y R-13 (59.9%).

R-744 Bióxido de carbono.

* El R-11 y el R-12, junto con otros clorofluorocarbonos (CFC's), están en proceso de desfasamiento, ya que existe evidencia de que dañan la capa de ozono estratosférica (ver capítulo 9). Hasta esta fecha, los refrigerantes van a substituirlos (R-123 y R-134a), aunque tienen propiedades similares y se sabe que no son tóxicos ni inflamables, se les ha clasificado provisionalmente en el Grupo Uno, hasta que se concluyan sus pruebas toxicológicas. Grupo Dos. Los refrigerantes de este grupo pueden ser ligeramente inflamables, independientemente de que sean o no tóxicos.

Algunos refrigerantes de este grupo son:

R-717 Amoníaco.

R-40 Cloruro de metilo.

R-764 Bióxido de azufre.

El amoníaco fue uno de los primeros refrigerantes utiliza- dos, y en la actualidad, se emplea solamente en grandes instalaciones industriales y en algunos refrigeradores de absorción.

El R-40 y el R-764 ya no se usan en la actualidad. En un tiempo, el bióxido de azufre era el refrigerante más utilizado en refrigeradores domésticos. Aún existen algunas unidades trabajando cargadas con R-764 y R-40.

Grupo Tres. Los refrigerantes de este grupo forman mezclas combustibles, cuando se combinan con el aire. Los más comunes son:

R-170 Etano.

R-290 Propano.

R-600 Butano.

Estos compuestos en la actualidad ya no se utilizan como refrigerantes; por el contrario, debido a su alta inflamabilidad, algunos de estos refrigerantes, como el R-170, arden tan bien y tan rápidamente, que se usan como combustibles.

La diferencia entre un refrigerante muy inflamable (Grupo Tres) y uno moderadamente inflamable (Grupo Dos), depende de la proporción mezclada con el aire y el límite más bajo del rango. Un refrigerante del Grupo Dos, puede ser tan riesgoso como uno del Grupo Tres, si es que hay presente una cantidad suficiente. Por ejemplo, el rango inflamable del R-290 está entre 2% a 9% en el aire, mientras que el rango para el R-717 está entre 15% a 27%. El R-290 está catalogado de mayor riesgo, porque en pequeñas cantidades puede ser inflamable o hasta explosivo; sin embargo, el R-717 puede ser igual de riesgoso si está presente una cantidad suficiente para caer dentro del rango inflamable. La temperatura de flama cuando el amoníaco arde en el aire es arriba de 1,650°C, y para el propano, es ligeramente más alta.

Los refrigerantes del Grupo Tres arden fácilmente en una amplia proporción de mezcla con el aire, y explotan violentamente si quedan encerrados en un lugar. Por supuesto que los refrigerantes inflamables pueden utilizarse con seguridad, y de hecho, así sucede, con vigilancia de parte del operario en lugares donde el riesgo de incendio es mínimo; pero es importante reconocer estos riesgos.

Clasificación Combinada. Una clasificación más actual de los refrigerantes es la clasificación combinada en grupos de seguridad, hecha por las organizaciones American National Standards Institute (ANSI) y la American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers, Inc. (ASHRAE), conocida como la norma ANSI/ASHRAE 34-1992. Esta clasificación combina la toxicidad con la inflamabilidad de los refrigerantes, y surgió de la revisión hecha a la norma 34-1989, la cual se hace cada cinco años; pero en esta ocasión se hizo a los tres años (1989-1992). La necesidad de esta revisión surgió al desarrollarse nuevos refrigerantes y descontinuar otros que destruyen la capa de ozono. Se volvió aparente que el sistema de clasificación existente, el cual había evolucionado a través de muchos años, no sería adecuado para clasificar los refrigerantes nuevos. Se ingenió un sistema menos arbitrario, y se cambió la manera de identificación de como se venía haciendo anteriormente, de clasificar por separado la toxicidad de la inflamabilidad con un designador básico.

La nueva clasificación de grupos de seguridad es de acuerdo a los siguientes criterios:

a. La clasificación deberá consistir de dos caracteres alfanuméricos. La letra mayúscula indica la toxicidad, y el número arábigo denota la inflamabilidad (por ejemplo, B2 o A1).

b. En la clasificación de toxicidad, se asigna a los refrigerantes una de las dos clases - A o B - en base a la exposición permisible: la clase A, incluye refrigerantes a los cuales, no se ha identificado su toxicidad en concentraciones menores o iguales a 400 ppm (ligera- mente o nada). La clase B, incluye refrigerantes para los cuales, existe evidencia de toxicidad en concentraciones por debajo de 400 ppm. (muy tóxicos).

c. En la clasificación de inflamabilidad, los refrigerantes se deberán asignar a una de tres clases - 1, 2 ó 3. La clase 1, incluye a refrigerantes que no muestran propagación de flama, al ser probados en aire a 101 kPa y a 18°C. La clase 2, incluye a refrigerantes que tienen un límite de inflamabilidad bajo (LFL)*, de más de 0.10 kg/m³ a 21°C y 101kPa, y un calor de combustión menor a 4,540 kcal/kg (19,000 kJ/kg). La clase 3, comprende los refrigerantes que son sumamente inflamables, tal como se define por medio del LFL*, menos o igual a 0.10 kg/m³ a 21°C y 101kPa, o por medio de un calor de combustión mayor o igual a 4,540 kcal/kg. En la tabla 12.16, se muestran estas clasificaciones.

* LFL, Lower Flammability Limit - Límite de Inflamabilidad Baja, es la concentración mínima de refrigerante que es capaz de propagar una llama, a través de una mezcla homogénea de refrigerante y aire, bajo ciertas condiciones de prueba.

En la tabla 12.17, se resume una comparación del sistema actual de clasificación de refrigerantes con el sistema anterior, de acuerdo a la norma ANSI/ASHRAE 34.

9. No Debe Tener Efecto Sobre Otros Materiales

Los materiales empleados en la construcción de equipos de refrigeración, generalmente no son directamente de interés para el técnico de servicio, puesto que la elección de esos materiales la hacen los fabricantes de equipo. Sin embargo, a continuación se mencionarán los efectos de algunos refrigerantes sobre varios materiales representativos, tales como metales, plásticos y elastómeros.

Compatibilidad con Metales. Debe seleccionarse un refrigerante que no tenga ningún efecto sobre los metales. Algunos refrigerantes, afortunadamente muy pocos, bajo ciertas condiciones, tienen efectos corrosivos sobre algunos metales o producen reacciones químicas que forman productos indeseables o contaminantes. A continuación se mencionan algunos ejemplos.

Los refrigerantes halogenados, bajo condiciones normales de operación, pueden utilizarse satisfactoriamente con la mayoría de los metales que comúnmente se usan en los sistemas de refrigeración, tales como: acero, hierro fundido, bronce, cobre, estaño, plomo y aluminio. Sin embargo, en condiciones severas de operación, como alta temperatura y en presencia de humedad, se afectan sus propiedades y reaccionan con los metales. No se recomienda utilizar refrigerantes halogenados con aluminio que contenga más del 2% de magnesio o magnesio y zinc, aún cuando la presencia de humedad sea muy pequeña.

Otras excepciones de reacciones con metales son las siguientes:

El R-717 (amoníaco) no debe utilizarse con cobre o cualquier aleación de cobre como bronce, estaño y zinc, ya que el amoníaco se combina rápida y completamente con cualquier humedad presente, provocando la corrosión de esos metales.

El R-40 (cloruro de metilo) no debe utilizarse con aluminio en cualquier forma. Se forma un gas altamente inflamable, y es grande el riesgo de explosión.

El R-764 (bióxido de azufre) en presencia de agua forma ácido sulfuroso, el cual ataca rápidamente al acero, al fierro, y en menor grado, a otros metales.

Compatibilidad con Elastómeros. Existe una variación considerable, en cuanto a los efectos producidos por los refrigerantes en los elastómeros y hules utilizados, tales como anillos "O", juntas, sellos, empaques y demás. Esto se debe a que los elastómeros contienen, además del polímero base, plastificantes y otros productos.

En la tabla 12.18, se muestran los efectos producidos en algunos elastómeros. Para medir este efecto, se sumergen muestras del material en refrigerante a temperatura ambiente, hasta conseguir la deformación (hinchamiento lineal) de equilibrio o máxima. Otros efectos, tales como extracción e hinchamiento o encogimiento permanente, son también importantes para determinar la compatibilidad de los refrigerantes con los elastómeros o plásticos, pero el hinchamiento lineal, es una muy buena indicación. En algunas circunstancias, la presencia de aceite lubricante, tenderá a alterar el efecto de refrigerante puro.

Compatibilidad con Plásticos. La mayoría de los materiales plásticos, no son afectados por los refrigerantes halogenados, por lo que se pueden utilizar en forma satisfactoria en la mayoría de las aplicaciones. Una excepción es el poliestireno, ya que algunos refrigerantes como el R-11 y el R-22, lo disuelven; el R-12 también, pero en menor grado.

En la tabla 12.19, se muestra el efecto de algunos refrigerantes sobre los plásticos más comunes.

En general, el efecto sobre los plásticos disminuye, a medida que aumenta el contenido de flúor en la molécula de los refrigerantes. Antes de utilizar algún material plástico con los refrigerantes, es conveniente realizar un ensayo de compatibilidad para una aplicación específica.

La resistencia del plástico a los refrigerantes, se puede ver alterada por variaciones en la estructura del polímero, agentes aglutinantes, plastificantes, temperatura, proceso de moldeado, etc.

10. Fácil de Detectar Cuando se Fuga

Todos los refrigerantes tienen una tendencia a fugarse, y cuando esto sucede, el refrigerante seleccionado debe ser fácilmente detectable.

En la actualidad, esto ya no es una deficiencia en ningún refrigerante, ya que se han desarrollado varios métodos para detectar fugas de cualquier refrigerante. Existen varios factores que determinan la tendencia de los refrigerantes a fugarse. Presión, viscosidad y densidad, son algunos de ellos. Cuando estas características son las mismas para diferentes refrigerantes, el que tiene más tendencia a fugarse, es el de menor peso molecular.

El razonamiento de por qué sucede esto, es simple. El refrigerante con mayor peso molecular, tiene moléculas más grandes. Esto significa que por una grieta de cierto tamaño, se fugaría más fácilmente un refrigerante de bajo peso molecular, que uno de mayor peso molecular.

En la tabla 12.20, se muestran los olores característicos, el peso molecular, y la raíz cuadrada del peso molecular de algunos refrigerantes. Matemáticamente, el tamaño de las moléculas de un compuesto, es proporcional a la raíz cuadrada del peso molecular. En la tabla se puede observar que el amoníaco, tiene una molécula de aproximadamente la mitad de tamaño de la del R-22. Esto significa que, en condiciones iguales de las propiedades mencionadas, se requeriría una grieta del doble de tamaño para que se fugue el R-22 que para el R-717. Esta es la razón por la que en las instalaciones de refrigeración de amoníaco, es muy común el olor, debido a la facilidad con que se fuga este refrigerante.

Un poco de olor en los refrigerantes puede ser una ventaja, ya que cualquier fuga, por muy pequeña, podría ser notada de inmediato y efectuarse la corrección de la misma, antes de perder todo el refrigerante o se haya ocasionado un daño mayor.

Aunque un olor fuerte y picante, como el de amoníaco, ayuda a indicar la presencia de una fuga, también podría ocasionar pánico en lugares públicos, o sacar a la gente de sus casas, y en general, crear problemas más importantes que la simple pérdida de refrigerante. Por lo tanto, aunque un ligero olor pudiera ser ventajoso, un refrigerante sin olor será normalmente mejor que un olor extremadamente ofensivo. La excepción a esto, son los refrigerantes que no tienen olor y son muy tóxicos, como el R-170. Algunas veces se añaden a estos compuestos algún olor irritante, como medida de precaución.

Detección de Fugas. La detección de fugas es un proble- ma continuo, principalmente con los refrigerantes que no tienen olor apreciable, como los halogenados, pero en la actualidad se han mejorado los métodos que facilitan su detección.

Por muchos años, el personal de servicio ha usado equipo detector de fugas, al hacerle servicio a sistemas de refrigeración. Los detectores de fugas existen no sólo para señalar fugas en puntos específicos, sino también para monitorear un cuarto de máquinas entero sobre una base continua. Existen varias razones para detectar fugas, como son: conservación de los refrigerantes, protección de equipo valioso, reducción de emisiones a la atmósfera y protección de los empleados.

El método para probar fugas varía con el refrigerante utilizado. Sin embargo, todos los métodos tienen un procedimiento común: aplicar presión al sistema con nitrógeno o bióxido de carbono.

Detección de Fugas. La detección de fugas es un problema continuo, principalmente con los refrigerantes que no tienen olor apreciable, como los halogenados, pero en la actualidad se han mejorado los métodos que facilitan su detección.

El método para probar fugas varía con el refrigerante utilizado. Sin embargo, todos los métodos tienen un procedimiento común: aplicar presión al sistema con nitrógeno o bióxido de carbono.

Precaución: Nunca utilice oxígeno o acetileno para desarrollar presión, al intentar detectar fugas. El oxígeno explota en la presencia de aceite. El acetileno se descompone y explota, si se presuriza arriba de 210 a 310 kPa (15 a 30 psig).

Con la precaución debida, se pueden utilizar el nitrógeno y el bióxido de carbono con seguridad, cuando se presurice un sistema para detectar fugas. La presión en el cilindro de nitrógeno, es aproximadamente 14 mega pascales MPa (2,000 psig), y en un cilindro de bióxido de carbono es de aproximadamente 6 MPa (800 psig). Cuando se pruebe de fugas con cualquiera de estos dos gases, siempre debe usarse un dispositivo reductor de presión que tenga regulador y válvula de seguridad.

Si se acumulara presión dentro de un sistema de refrigeración, éste explotaría. Muchos accidentes han sido causados por usar exceso de presión al probar de fugas.

La mayoría de los sistemas tienen una placa donde se recomienda la presión de prueba. Antes de presurizar el sistema con nitrógeno o bióxido de carbono, debe buscar- se esa placa. Si no se conoce esa presión, nunca sobre- pase los 1,300 kPa (170 psig) al probar parte o todo el sistema.

Al iniciar la prueba, es necesaria una presión positiva (mayor que la atmosférica) de 140 a 310 kPa (5 a 30 psig), a través de todo el circuito. Si no se encuentran fugas, entonces se prueba otra vez a la presión normal de condensación para el refrigerante utilizado, (p.e. 730 a 1,040 kPa [90 a 130 psig] para el R-12).

Es necesario revisar que no existan fugas, antes de hacer vacío a la unidad. La humedad puede entrar al sistema a través de una fuga, durante la evacuación. Si se detectan una o varias fugas, es muy importante revisar de nuevo toda la unidad completa, una vez hecha la reparación respectiva. Esto sirve para probar la reparación, y al mismo tiempo, detectar si hay fugas adicionales.

Tipos de Detectores. Las fugas en los sistemas de refrigeración, son usualmente muy pequeñas. Por lo tanto, los dispositivos detectores deben ser muy sensibles. Los detectores de fugas pueden ubicarse en dos amplias categorías: los que señalan fugas en puntos específicos y los monitores de área. Algunos de los dispositivos común- mente empleados son: soluciones de burbujas (jabón), lámpara de haluro, detectores electrónicos, tintes fluorescentes y tintes para refrigerantes. Cada método tiene su ventaja. Antes de comprar cualquiera de ellos, deberán considerarse varios criterios instrumentales, incluyendo la sensibilidad, los límites de detección y la selectividad.

Usando la selectividad como criterio, los detectores de fugas pueden ubicarse en una de tres categorías: no selectivos, selectivos de halógeno o específicos compuestos. En general, mientras más específico es el detector, es más complejo y más caro.

Los detectores no selectivos, son aquellos que detectan cualquier tipo de fuga o vapor presente, sin importar su composición química. Típicamente, estos detectores son simples de usar, muy robustos, no son costosos y casi siempre portátiles. Sin embargo, su incapacidad para ser calibrados, su falta de selectividad y su falta de sensibilidad, limitan su uso a monitoreo de área.

Los detectores selectivos de halógeno utilizan un sensor especializado, que les permite detectar compuestos que contienen flúor, cloro, bromo y yodo, sin interferencia de otros compuestos. La mayor ventaja de estos detectores, es la reducción en el número de las molestas "falsas alarmas", causadas por la presencia de compuestos en el área, diferentes a los del objetivo.

Estos detectores típicamente son fáciles de usar, y tienen una mayor sensibilidad que los anteriores. Los límites de detección típicamente son: menos de 5 ppm cuando se usan como monitores de área, y menos de 1.4 g/año (0.05 oz/año) cuando se usan como detectores en puntos específicos. Son muy durables, y además, pueden ser calibrados fácilmente.

Los detectores específicos compuestos son los más complejos y también los más costosos. Estas unidades son típicamente capaces de detectar la presencia de un solo compuesto, sin interferencia de otros compuestos.

A continuación, se describen los métodos más comúnmente utilizados para detectar fugas, y algunas precauciones que se deben tener al utilizar los detectores.

Soluciones de Burbujas. El método de burbujas para detectar fugas, es probablemente tan antiguo como la necesidad de detectar las fugas, pero aún tiene su lugar. Consiste en usar una solución jabonosa, la cual se aplica con cepillo o esponja sobre el área donde se sospecha que hay fuga. El gas que pasa a través de la solución formará burbujas.

Existen soluciones especiales patentadas y diseñadas para detectar fugas, en vez de simple jabón. Estas forman una burbuja con una película más fuerte y más durable. La solución deberá limpiarse de la tubería o conexión después de la prueba.

En algunos casos, el ensamble completo se sumerge en agua, en kerosina o en alguna otra solución especial para detectar fugas. Agregar detergente en el líquido es útil, para evitar que las burbujas se adhieran al objeto donde no puedan ser vistas con facilidad.

Para los refrigerantes hidrocarburos (como el etano o el metano), el método de burbujas es el único método práctico, ya que estos refrigerantes no tienen olor, y no se pueden detectar con la lámpara de haluro o detector electrónico.

Algunas ventajas de utilizar el método de burbujas, son la facilidad de uso, bajo costo y fácil aplicación, comparado con la instrumentación. Una desventaja es que las fugas muy grandes, soplan a través de la solución y no aparecerán burbujas.

Tintes. Los tintes tanto de refrigerante como fluorescentes, son otra herramienta para ayudar a resolver problemas de fugas. El tinte de refrigerante dentro de un sistema, producirá un color rojo brillante en el punto de la fuga.

El refrigerante teñido de rojo (esta mezcla la prepara el fabricante de refrigerante) se introduce al sistema. Al escapar el refrigerante teñido por alguna grieta, el refrigerante se evapora y el tinte queda sobre la tubería en forma de mancha roja, muy persistente. Para asegurar una máxima detección de fugas, en la mayoría de los sistemas debe ser reemplazada la carga completa de refrigerante, por el refrigerante que contiene el tinte. La mayoría de las fugas se mostrarán en un tiempo muy corto. Sin embargo, en algunos casos será necesario esperar hasta 24 horas, debido a la proporción de circulación de aceite; ya que este método depende de la proporción con que circula el aceite.

Otro método empleado desde hace varios años, es el tinte fluorescente. Estos tintes, invisibles bajo la luz ordinaria, pero visibles bajo luz ultravioleta (UV), se utilizan para señalar fugas en los sistemas. Estos tintes comúnmente se colocan en el aceite lubricante, al momento de darle servicio al sistema. Al igual que los otros tintes, en el lugar de la fuga quedará una mancha, la cual se detecta solamente mediante la luz ultravioleta.

Antes de agregar los tintes al sistema, es recomendable asegurarse que sean compatibles con el refrigerante y el aceite.

Lámpara de Haluro. También se le conoce como antorcha o soplete de haluro. Esta ha sido utilizada durante muchos años para detectar fugas de refrigerantes halogenados.

El principio sobre el que funciona este detector es el siguiente: la mayoría de los sopletes (alcohol, propano, acetileno, etc...) arden con una flama casi incolora. Si se coloca una tira de cobre en esta flama, seguirá siendo incolora. Sin embargo, si se pone en contacto con la tira caliente de cobre aún la más pequeña cantidad de refrigerante halogenado (R-12, R-22, R-500, R-502, etc.), la flama inmediatamente tomará un color verde claro. El color se debe a la reacción entre el refrigerante descompuesto y la placa de cobre caliente, montada en el centro del quemador de la antorcha. El aire para la combustión es atraído hacia el quemador, a través de una manguera flexible. El otro extremo de la manguera está libre, y es el que se mueve a diferentes partes del sistema. Si este extremo de la manguera se coloca cerca de una fuga, algo del vapor del refrigerante fugado será succionado a través de la manguera hacia el quemador. Inmediatamente, el color de la flama se volverá verde, indicando la fuga.

La lámpara de haluro puede utilizarse con todos los refrigerantes halogenados, excepto aquellos que contienen un alto porcentaje de flúor, tales como el R-13 y el R-14. Una vez adquirida la habilidad de uso, es fácil y rápida de usar, y puede detectar fugas muy pequeñas.

Puesto que la detección de fugas con la lámpara de haluro depende de la observación visual, su buen uso depende de qué tan bien pueda apreciar el operador los cambios de color . Hay indicios de que después de largos períodos de uso, el ojo se fatiga y es más difícil notar el cambio de color.

No se recomienda el uso de la lámpara de haluro para detectar fugas de refrigerantes altamente inflamables, como el R-170 (etano).

Detector Electrónico. El detector de fugas más sensible de todos, es el electrónico. Utiliza circuitos transistorizados y el abastecimiento de energía es por medio de pilas. Existen tres tipos:

1. Detector de fuentes de Iones.

2. Tipo termistor (basado en cambio de temperatura).

3. Tipo dieléctrico, mide el balance en el aire circundante,

y luego responde sólo a gas halógeno.

El detector de fugas electrónico se ha vuelto el más ampliamente utilizado, tanto en el campo de servicio, como en la fabricación y ensamble de equipos.

Para ponerlo en operación, el detector se enciende y se ajusta en una atmósfera normal. Al hacer esto, el detector sólo zumba; cuando "siente" algún refrigerante halogenado (R-12, R-22, R-502, R-500, etc.) el detector lo delatará. Entonces, la sonda detectora de fugas se pasa sobre las superficies sospechosas de fugas. Si hay una fuga, por pequeña que sea, el refrigerante halogenado es atraído hacia la sonda. El detector de fugas emitirá un sonido estridente o una luz intermitente, o ambos; porque el nuevo gas cambia la resistencia en el circuito.

El principio de operación de los detectores de fugas electrónicos, está basado en la diferente conductividad de diferentes gases. En el detector del tipo de fuente de iones, el refrigerante es descompuesto a alta temperatura por un alambre de platino, y se mide el cambio de corriente debido a la ionización del refrigerante. Algunos detectores se basan en la diferencia dieléctrica de los gases. Los gases fluyen entre las capas de un capacitor. Estos gases actúan como el dieléctrico (aislante) para cada capacitor. Las diferentes frecuencias de un oscilador indican la fuga.

Debido a la gran sensibilidad de estos detectores, se deben tener algunos cuidados, para asegurarse que no se obtengan falsas indicaciones.

1. Aunque están diseñados para usarse con refrigerantes halogenados, algunas sustancias pueden interferir en la prueba, tal es el caso del alcohol y el monóxido de carbono.

2. La sensibilidad depende de la naturaleza del refrigerante; por ejemplo, el R-12 y el R-22 pueden detectarse igualmente bien. El R-11 requerirá una fuga 1.25 veces la del R-12, para la misma sensibilidad. Para el R-13, la fuga necesitaría ser más de 30 veces la del R-12.

3. Deben reducirse al mínimo las corrientes, apagando ventiladores y otros dispositivos que causen movimiento de aire.

4. Siempre coloque la punta censora debajo de donde se sospeche que hay fuga, ya que los refrigerantes halogenados son más pesados que el aire, tendiendo a ir hacia abajo.

Al localizar fugas con el detector electrónico, se debe de mover muy lentamente la punta censora (aproximadamente 3 cm por segundo).

El detector electrónico, al igual que la lámpara de haluro, es difícil de usar alrededor de tuberías o componentes aislados con uretano o poliestireno; ya que estos materiales se "espuman" con algunos refrigerantes halogenados (R-11 o R-12), al quedar estos atrapados en las pequeñas celdas. Al reventarse, estas celdas liberan pequeñas cantidades de refrigerante; por lo que estos dispositivos darán indicación de fuga todo el tiempo. En estos casos, es mejor usar la prueba de burbujas.

Para localizar fugas en sistemas que usan amoníaco como refrigerante, existen dos métodos: la mecha (o vela) de azufre y el papel tornasol. El más común es el primero, y no es otra cosa que una mecha impregnada de azufre, la cual prende y se mueve por donde se sospecha que hay fuga. Al arder el azufre se forma bióxido de azufre, el cual en presencia del amoníaco, produce un humo blanco muy denso, indicando la fuga. Mientras mayor sea la fuga, más blanco y más denso es el humo.

El método del papel tornasol consiste en acercar una tira húmeda de este papel, a las partes donde se sospecha que haya fuga. Como el amoníaco es extremadamente alcalino, al contacto con la tira de papel tornasol, ésta cambiará de color.

En la tabla 12.21, se muestran las pruebas de fugas aplicables a cada refrigerante.

11. Debe ser Miscible con el Aceite

La miscibilidad del aceite y el refrigerante, juega un papel muy importante en el diseño de los sistemas de refrigeración. La miscibilidad del aceite con el refrigerante, se puede definir como la capacidad que tienen estos para mezclarse. En el capítulo 4, "Separadores de Aceite", se explica ampliamente la miscibilidad de los refrigerantes con los aceites, tanto minerales como sintéticos.

Aunque la función del aceite es lubricar las partes móviles del compresor, no se puede evitar que algo de aceite se vaya hacia el sistema junto con el refrigerante, aun cuando se cuente con un separador de aceite. Por lo tanto, hay dos partes del sistema donde esta relación es de interés: el cárter del compresor y el evaporador.

Esta miscibilidad tiene sus ventajas y desventajas. Las principales ventajas son: la facilidad relativa para retornar el aceite al compresor, y la lubricación de diferentes partes del sistema, como válvulas. Las desventajas son: la dilución del aceite en el cárter del compresor, disminución de la transferencia de calor en el evaporador, falta de lubricación y problemas de control.

En la tabla 12.22, se muestran las relaciones de solubilidad entre un aceite mineral y los refrigerantes. Como se puede observar, algunos refrigerantes son completamente miscibles con el aceite, algunos son parcialmente solubles, y otros prácticamente son insolubles. Los ejemplos de esta tabla son soluciones que contienen un 10% en peso de aceite mineral.

A continuación, se analizarán brevemente las relaciones entre refrigerantes y aceites, en los dos puntos de interés mencionados. En el capítulo 4, "Separadores de Aceite", se mencionan con más detalle estas relaciones en todos los componentes del sistema.

Solubilidad en el Cárter. Los refrigerantes que son completamente miscibles con el aceite, como el R-12, el mayor problema es la dilución del aceite en el cárter del compresor cuando el sistema no está en operación. Puesto que la presión tiende a igualarse entre el lado de alta y el de baja, cuando el sistema no está operando, el refrigerante tiende a acumularse en el cárter. Debido a la miscibilidad, el refrigerante se disuelve en el aceite y cuando esto sucede, los cojinetes pueden no tener la lubricación suficiente por un breve período al arranque del compresor. Eventualmente, esta condición puede causar desgaste excesivo y falla de los cojinetes.

Este problema se previene reduciendo la cantidad de refrigerante en el aceite, por medio de dos métodos:

a) Calentadores de cárter.

b) Mediante el uso de una válvula solenoide conectada al control de baja o al termostato (pump down).

Si el refrigerante no es soluble en el aceite o es parcialmente soluble, como es el caso del R-717 y el R-22, se pueden formar dos capas en el cárter cuando el sistema no está operando. Con los refrigerantes pesados como el R-22, la capa de aceite estará arriba, mientras que con los ligeros como el amoníaco, la capa de aceite estará abajo. Puesto que la capa de aceite no contiene mucho refrigerante, sus propiedades lubricantes no cambian significativamente. Aunque en el fondo esté la capa de refrigerante líquido rodeando los cojinetes, generalmente a éstos les queda suficiente aceite para darles una lubricación adecuada durante el arranque, hasta que se obtengan las condiciones normales de operación.

Las temperaturas a las que se forman dos capas líquidas son diferentes para cada refrigerante, como se muestra en la tabla 12.22. La temperatura de separación, depende también de la clase y cantidad de aceite. Por ejemplo, con una mezcla de 90% refrigerante 22 y 10% de aceite mineral, están presentes dos capas líquidas a temperaturas menores a -9°C. Cuando el aceite aumenta a 18%, la temperatura de separación es de 1°C. A concentraciones más altas de aceite, la temperatura disminuye de tal manera, que la separación se lleva a cabo a -40°C o menos, cuando está presente un 70% de aceite. Por esta razón, es muy poco probable que se presenten dos capas líquidas en el cárter cuando se usa R-22.

Solubilidad en el Evaporador. En el evaporador las temperaturas son, por supuesto, más bajas que en el cárter; y la concentración de aceite es, relativamente más baja. Bajo estas condiciones, el factor importante es la viscosidad del aceite. Esto es importante porque un aceite demasiado viscoso, es difícil de remover del evaporador; mientras que un aceite demasiado ligero es fácilmente "arrastrado" por el refrigerante, fuera del evaporador. Cuando el refrigerante se disuelve en el aceite, se reduce la viscosidad. Por lo tanto, como regla general, cuando la solubilidad del refrigerante en el aceite es alta, el aceite tiende a ser removido más fácilmente del evaporador. El diseño del evaporador y las dimensiones de la tubería, son también factores importantes para ayudar al aceite a salir del evaporador.

12. No Debe Reaccionar con la Humedad

Todos los refrigerantes absorben humedad en cantidades variables. En un sistema de refrigeración, esta cantidad debe mantenerse por debajo del límite máximo permisible, para que pueda operar satisfactoriamente. Por lo tanto, es imperativo que se elimine la humedad de los componentes del sistema durante su manufactura, y que se tomen precauciones para evitar que entre al sistema, durante las operaciones de instalación o de servicio. Los refrigerantes y los aceites son abastecidos por los fabricantes, con límites muy bajos de humedad. Se debe hacer un gran esfuerzo por mantener la humedad fuera de los sistemas de refrigeración, por dos principales razones:

1. El exceso de humedad, como el "agua libre", puede congelarse a bajas temperaturas y restringir o detener el paso de refrigerante, a través de la válvula de termo expansión o del tubo capilar.

2. El exceso de agua puede reaccionar con el refrigerante formando ácidos corrosivos, los cuales causarán atascamientos, corrosión, quemaduras del motocompresor, y en general, deterioro del sistema de refrigeración.

En el capítulo 1, "Filtros Deshidratadores", viene más información sobre la solubilidad del agua en los refrigerantes, y los problemas que causa en los sistemas de refrigeración.

La tabla 12.23, muestra la solubilidad del agua en fase líquida para algunos refrigerantes. El R-170 (etano) no está indicado porque por ser un hidrocarburo, para efectos prácticos, no absorbe agua; es decir, el agua no es soluble en este refrigerante, por lo que el agua está normalmente "suelta", congelándose en los puntos de baja temperatura. El R-717 (amoníaco) es miscible con el agua en todas las proporciones y a todas las temperaturas, por lo que no es problema la formación de hielo.

En la mayoría de los demás refrigerantes, la solubilidad con el agua es baja, especialmente a bajas temperaturas. Si en un refrigerante hay más agua de la que puede tener en solución a temperaturas por abajo de 0°C, se formará hielo y éste puede depositarse en las válvulas de expansión o tubos capilares. Se puede ver que este problema es más serio para el R-12 y menos serio para el R-22 y el R-134a, ya que, por ejemplo, a -10°C, el R-134a puede contener disueltas 476 ppm y el R-12 sólo puede tener 14 ppm.

El agua por sí sola, puede causar corrosión de las partes metálicas de un sistema de refrigeración, especialmente si algo de aire está presente. Se puede formar moho e incrustaciones, y emigrar a partes del sistema donde su presencia causará problemas. Cuando hay exceso de agua en un sistema de amoníaco, se forma una base fuerte, la cual puede afectar el aislamiento, las juntas, empaques y otras partes no metálicas del sistema.

Con los refrigerantes halogenados, el agua puede formar ácidos mediante una reacción llamada hidrólisis, principalmente ácido clorhídrico. Estos ácidos pueden corroer los metales y atacar el aislamiento del devanado del motocompresor. Normalmente, esta hidrólisis es muy lenta y se vuelve más seria si hay presente agua suelta. También, las altas temperaturas de operación aceleran la reacción.

Desde cualquier punto de vista, la presencia de agua en un sistema de refrigeración es indeseable.

En sistemas normales que estén razonablemente limpios y secos, la estabilidad del refrigerante no es un problema. La mayoría de los refrigerantes tienen una estabilidad adecuada para las aplicaciones donde se utilizan. Las temperaturas máximas recomendadas de exposición para diferentes refrigerantes, aparecen en la tabla 12.24. Se supone que el cobre, el acero y el aceite lubricante siempre están presentes en el sistema. Estas temperaturas límite se basan en la prueba de tubo sellado (ver capítulo 10 "Aceites"). De cualquier manera, son una buena guía para la operación de los equipos de refrigeración. Si no se exceden estos límites, el sistema debe operar satisfactoriamente por muchos años, en lo que al refrigerante concierne. Bajo condiciones anormales, habiendo presente excesivas cantidades de humedad, aire y quizá otros materiales extraños, las temperaturas de la tabla 12.24 pueden ser muy altas. Cuando esto ocurre, pueden resultar problemas operacionales, aún a temperaturas más bajas.

El amoníaco es un refrigerante estable bajo condiciones normales de operación, aun cuando las temperaturas de descarga del compresor, sean generalmente, más altas que las de los refrigerantes halogenados.

¿Qué propiedades tiene el vapor sobrecalentado?

Wed, 13 Sep 2023 09:16:33 -0600

Propiedades del Vapor Sobrecalentado

En un sistema de refrigeración, el vapor saturado en el evaporador, es sobrecalentado un poco en el momento que sale del evaporador (generalmente de 4° a 7°C), y luego se sobrecalienta un poco más en la línea de succión.

Al llegar al compresor, se le agrega un sobrecalentamiento adicional por el trabajo hecho por la compresión. En el condensador, algo del calor removido es latente, y otra parte es sensible al sobrecalentamiento.

Las tablas de propiedades del vapor sobrecalentado, proporcionan esta información adicional. Aunque los diagramas de Mollier son más fáciles de usar, no son tan precisos como las tablas.

En la tabla 12.14, se muestra una sección de las tablas de vapor sobrecalentado del R-22, a intervalos de presión.

En el primer renglón está la presión absoluta (kPa), en el siguiente renglón está la presión manométrica (psig), y en seguida, la temperatura de saturación correspondiente a esas presiones. Por ejemplo, a la presión absoluta de 1,200 kPa, la presión manométrica es 159.3 psig, y la temperatura de saturación a esa presión es 30.25°C.

Enseguida, hay tres columnas: "V" o volumen en litros por kilogramo; "H" o contenido de calor (entalpia) en kilocalorías por kilogramo arriba de líquido a -40°C, "S" o entropía en kilocalorías por kilogramo y por grado Kelvin (desde -40°C).

Los valores entre paréntesis, son las propiedades de saturación; es decir, 19.61 es el volumen del vapor saturado de R-22, a la presión de 1,200 kPa y a la temperatura de 30.25°C. Todas las demás cantidades en cada columna debajo de estas propiedades, son los valores del vapor sobrecalentado a diferentes temperaturas de sobrecalentamiento. Por ejemplo, la entalpia del vapor de R-22 a una presión de 159.3 psig, con un sobrecalentamiento de 12.75°C (43-30.25), es 64.59 kcal/kg.

Tablas de Propiedades Termodinámicas

Wed, 13 Sep 2023 09:13:12 -0600

Tablas de Propiedades Termodinámicas

Todas las propiedades termodinámicas vistas hasta aho- ra, tales como presión, temperatura, volumen específico y entalpia, se publican en forma de tabla para cada refrigerante. Estas tablas las elaboran los fabricantes de refrigerantes y algunas asociaciones relacionadas con refrigeración, y se pueden encontrar en libros de texto, manuales o boletines técnicos.

En la tabla 12.12, se muestra una parte de las propiedades termodinámicas del R-22, en condiciones de saturación, donde se pueden observar además de las propiedades ya vistas, otras como la densidad y entropía.

Las unidades de densidad en fase vapor están en g/l (1 g/l = 1kg/m³); es decir un litro de vapor de R-22 a 30°C, pesa 50.6 gramos, y un litro de vapor de amoníaco pesa 9 gramos.

Los valores del volumen específico de un refrigerante (y en general de cualquier fluido), como los que se muestran en la tabla 12.10, son el recíproco de los valores de la densidad. Por ejemplo, la densidad de R-22 líquido a -15°C es 1.334 kg/l. Si dividimos 1 entre este valor, obtenemos el valor del volumen específico del R-22 líquido a -15°C, o sea, 0.7496 l/kg. Lo mismo es cierto para los valores del vapor saturado a -15°C. La densidad del R-22 es 12.882 g/l; por lo que su volumen específico es 1/12.882 = 0.0776 l/g (77.6 l/kg).

Los valores de la densidad tienen algunas aplicaciones útiles para cálculos de ingeniería, mayormente la densidad en fase líquida. La densidad en fase vapor es útil en problemas que involucran al evaporador, la línea de succión y el condensador. La densidad en fase líquida se utiliza, entre otras cosas, para calcular la capacidad de cilindros o tanques recibidores.

Por ejemplo, un tanque recibidor tiene un volumen interno de 0.04816 m³ (si no se conoce el volumen del tanque, se puede calcular con el diámetro interior y la altura). Si se fuera a utilizar con R-22, ¿cuál sería su capacidad de líquido segura? Existen dos métodos para determinarla.

a) Si la temperatura ambiente es de 25°C, el R-22 tiene una densidad de 1,194 kg/m³ (o bien, 1.194 kg/l); así que, el recibidor, tendría una capacidad de 1,194 x 0.04816 = 57.5 kg y estaría completamente lleno. Pero si la temperatura ambiente (y la del tanque) aumentara a 38°C, a este recibidor sólo le cabrían 54.9 kg (0.04816 x 1,140, la densidad a 38°C). Es decir, 2.6 kg menos que a 25°C, por lo que el tanque podría reventarse. A mayor temperatura, como 52°C, sería aún peor; (0.04816 x 1,075 = 51.77 kg), o sea 5.73 kg menos que a 25°C.

Se puede permitir arbitrariamente un 15% de factor de seguridad, y llenarlo a un 85% de su capacidad total de líquido. Entonces, 0.85 x 57.5 = 48.87 kg, que es la cantidad que se deberá poner en este tanque recibidor. Este método, es similar al método que se basa en el volumen de agua de cilindros para refrigerante.

b) Un método mejor y más fácil, es determinar la temperatura más alta a la que podría estar expuesto el tanque recibidor, y multiplicar la densidad del líquido a esa temperatura por el volumen interno del tanque. Nunca se debe considerar esta temperatura máxima menor a 55°C. En climas calientes donde un recibidor, cilindro u otro recipiente pueda estar expuesto a los rayos directos del sol, se debe usar una temperatura máxima de 60°C, o aún de 65°C, y seleccionar la densidad del líquido a esa temperatura.

En nuestro ejemplo, estableceríamos una capacidad máxima del recibidor, basándonos en una temperatura de 55°C de (0.04816 x 1,059) = 51.0 kg.

Para otros refrigerantes, el mismo tanque recibidor tendrá diferente capacidad. Por ejemplo, seleccionando una temperatura máxima de 55°C para el R-12, tendría una capacidad de (0.04816 x 1,188.80) = 57.25 kg.

La densidad del vapor de cada refrigerante también varía con la temperatura. Sin embargo, hay una diferencia importante: la densidad del vapor saturado aumenta al subir la temperatura, mientras que la densidad del líquido disminuye al aumentar la temperatura. Por ejemplo, a 4°C de saturación, la densidad del vapor del R-22 es 24.03 g/l, pero a -18°C es solamente 11.58 g/l. Nótese que son vapores saturados. Si se sobrecalienta un vapor saturado, como sucede en la línea de succión, se expande y su densidad se vuelve menor. Esta no es la misma condición que al calentar un líquido, ya que la densidad de un vapor saturado de un líquido más caliente es mayor que la de un líquido más frío.

Esta es la razón principal por la que un sistema de refrigeración tiene mayor capacidad con un evaporador a 4°C, que con un evaporador a -18°C. El vapor saturado a 4°C está más del doble denso que el vapor saturado a -18°C; por lo que en un cilindro de compresor el vapor a 4°C pesa más del doble que a -18°C. Consecuentemente, en el compresor circula más del doble de refrigerante, resultando más del doble de capacidad.

¿Cómo se identifcan los Refrigerantes?

Tue, 12 Sep 2023 12:11:21 -0600

Identificación de Refrigerantes

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, Refrigerating and Air Conditioning Engineers). Es necesario estar familiarizado con los números, así como con los nombres de los refrigerantes. En la tabla 12.3, aparecen los refrigerantes más comunes. Cabe mencionar que las mezclas azeotrópicas, son refrigerantes transitorios que se desarrollaron para substituir al R-22 y al R-502, aunque algunas de estas, van a permanecer como sustitutos de estos refrigerantes.

¿Cuál es la historia de los Refrigerantes?

Tue, 12 Sep 2023 11:48:03 -0600

Historia de los Refrigerantes

La práctica de la refrigeración, probablemente 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 primer mejora sobre la naturaleza en el campo de la refrigeración.

Hacia finales del siglo XVIII, la inventiva del hombre se había dirigido hacia la producción de frío en el momento y tiempo que se deseara. Se desarrollaron máquinas para disminuir la presión del vapor del agua y acelerar su evaporación. También recibió considerable atención el arte de producir frío por la liberación de aire comprimido. 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. Aún en la actualidad, ha demostrado ser satisfactorio, sobre todo en refrigeración industrial en grandes plantas.

En las décadas siguientes, la atención fue orientada hacia el mejoramiento del diseño mecánico y la operación de los equipos. 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; por lo que para estos equipos más pequeños, los ingenieros se enfocaron al refrigerante de más baja presión de operación: el bióxido de azufre. Este refrigerante tiene algunas fallas serias, como la formación de ácido sulfuroso cuando se combina con el agua; es muy corrosivo y ataca las partes del sistema. Adicional a esto, cuando se fuga aún en pequeñísimas cantidades, causa tos violenta y ahogamiento. Estas cualidades indeseables, obligaron a los fabricantes a hacer las unidades menos propensas a fugas y a tener precaución de secarlas, logrando reducir los requerimientos de servicio hasta un punto, donde las desventajas del refrigerante no eran tan grandes. Literalmente, se construyeron millones de esas unidades que utilizaban bióxido de azufre, las cuales operaban satisfactoriamente.

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. Demostraron que no era inflamable y que tenía una toxicidad inusualmente baja.

Los experimentos consistieron en reordenar la molécula de tetracloruro de carbono. En la figura 12.1-A, se muestra la fórmula estructural de la molécula de tetracloruro de carbono, usada para fabricar algunos de los refrigerantes halogenados. Comparándola con la molécula de metano en la figura 12.1-B, se ve que las dos son similares, excepto que el metano tiene 4 átomos de hidrógeno y el tetracloruro tiene 4 átomos de cloro. Reemplazando un átomo de cloro por un átomo de flúor, se tiene otro compuesto más estable llamado tricloromonofluorometano o R-11, como se muestra en la figura 12.1-C. Si se reemplazan dos átomos de cloro por dos de flúor, se obtiene el diclorodifluorometano o R-12, como se muestra en la figura 12.1-D.

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 (ver figura 12.2). De allí siguieron el Freón 11, el Freón 21, el Freón 114, y el Freón 22, cada uno con sus características especiales.

Sin embargo, el desarrollo de los refrigerantes Freón no tuvo una recepción entusiasta. Las comisiones de seguridad eran prudentes en sus sanciones; los técnicos de servicio estaban inconformes respecto a las fugas, porque no los podían detectar con el olfato; los contratistas los rechazaban porque costaban más que el bióxido de azufre, y algunos de los fabricantes líderes, se rehusaban a diseñar el equipo de refrigeración que se ajustara a las propiedades termodinámicas de estos refrigerantes.

Gradualmente, surgieron diseños que usaban pequeñas cantidades de estos refrigerantes costosos. Se diseñaron compresores, evaporadores, condensadores e intercambiadores; se construyeron unidades paquete con un mínimo de uniones, y cada unión estaba cuidadosamente diseñada y fabricada para eliminar fugas. Se utilizaron nuevos materiales que no podían ser utilizados con seguridad con los antiguos refrigerantes, los técnicos se volvieron expertos en la detección de fugas, y el Freón arribó como un refrigerante aceptado. El resultado fue que los freones eran virtualmente la base de todas las unidades pequeñas, y era usado también en trabajos grandes de aire acondicionado..

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.

Para la década de los setenta, ya había sospechas de que estos compuestos afectaban la capa de ozono de la atmósfera, pero no se podía demostrar, y tal aseveración no era aceptado por los fabricantes. Al principio de los ochenta, estudios hechos por científicos de la NASA por medio de satélites, descubrieron un "adelgazamiento" de la capa de ozono en la Antártida, y estudios posteriores, comprobaron que el deterioro del ozono estratosférico era debido a la emisión de compuestos halogenados, principalmente los que contienen bromo y cloro (ver capítulo 9).

Después de varios años de negociaciones, se llevó a cabo un acuerdo internacional en 1989 en la ciudad de Montreal, Canadá, por lo que se le conoce como el Protocolo de Montreal. Este protocolo es un esfuerzo unido de gobiernos, científicos, industrias y grupos ecologistas coordina- dos por la UNEP (Programa Ambiental de las Naciones Unidas). Este acuerdo consistió en regular la producción y uso de los clorofluorocarbonos (CFC) de manera gradual, hasta su total desfasamiento antes del año 2000, partiendo de la base de los niveles de producción mundial que había en 1986.

Mientras tanto, los fabricantes de refrigerantes trabajaban en la búsqueda de productos nuevos para substituir los que iban a desaparecer. Rápidamente desarrollaron compuestos para substituir al R-11 y al R-12, que tienen propiedades termodinámicas muy similares, pero que no afectan la capa de ozono. Estos refrigerantes son el R-123 y el R-134a, que en la actualidad ya se están produciendo comercialmente, y algunos fabricantes de equipo original ya los están incluyendo en sus unidades. Dichos productos pueden utilizarse también en equipos usados que actual- mente funcionan con R-11 o R-12, haciendo algunas modificaciones al compresor, tales como utilizar aceite sintético en lugar de aceite mineral y cambiar algunos sellos o empaques, por otros de diferente material.

Se desarrollaron también refrigerantes como el R-124 y el R-125, para substituir al R-114 y algunas aplicaciones del R-502, respectivamente. Otras alter- nativas aceptables para reemplazar al R-12 y al R-502 durante el período de transición, hasta el desfasamiento total, son las mezclas ternarias. Las mezclas ternarias, son mezclas azeotrópicas de tres diferentes refrigerantes de entre los siguientes: 22, 124, 125, 134a, 152a y propano. Estas mezclas tienen características muy similares a los clorofluorocarbonos, pero con un impacto ambiental grandemente reducido y que requieren un mínimo de cambios en los equipos, comparados con otros refrigerantes alternos.

La historia se repite de manera similar, como a principios de la década de los años treinta, cuando se introdujo comercialmente el R-12. La introducción de los nuevos refrigerantes va a requerir de información y capacitación tanto de técnicos, contratistas y fabricantes de equipo original. Su costo actualmente es entre 2.5 y 4 veces más, pero a diferencia de la primera vez, en esta ocasión son la única alternativa, y además, existe la conciencia ecológica, lo que hace que tengan que aceptarse estos nuevos productos.

Para poder utilizar los en sistemas que actualmente están trabajando, va a ser necesario rehabilitar el compresor del sistema en lo que se refiere a cambiar algunos materiales como sellos o empaques, ya que los que son compatibles con el R-11 y el R-12, no lo son con el R-123 y el R-134a. Además, para estos refrigerantes sustitutos se tiene que utilizar aceites sintéticos a base de polialquilenglicol (PAG), de poliol-éster (POE), o de Alquil Benceno.

A continuación, se mencionan algunos hechos históricos en el desarrollo de los refrigerantes y la industria de la refrigeración.

1600-Se encontró que una mezcla de nieve y sal, bajaba la temperatura del agua lo suficiente para congelarla.
1775-Un profesor de la Universidad de Edinburgo, utilizó una bomba de aire para reducir la presión y bajar la temperatura de ebullición del agua.
1810-Sir John Leslie, en Escocia, utilizó ácido sulfúrico para absorber vapor de agua y ayudar a mantener una baja presión baja.
1834-La primer máquina refrigeradora práctica que usaba el ciclo de refrigeración, fue construida por Jacob Perkins, en Londres, utilizando éter como refrigerante.
1845-Se usó la expansión de aire comprimido para congelar agua.
1850-Se desarrolló una máquina de absorción práctica y pequeña por E. Carré, utilizando agua y ácido sulfúrico.
1857-James Harrison aplicó con éxito la máquina de Perkins para producir refrigeración en cervecerías, y para enfriar carne y productos perecederos, usando éter como refrigerante.
1859-Ferdinard Carré construyó un sistema de absorción con amoníaco y agua.
1869-Por estas fechas ya había en existencia varias plantas de hielo.
1873-El Dr. Carl Linde introdujo el compresor de vapor de amoníaco.
1876-Raoul Pictet construyó un compresor de bióxido de azufre.
1876-Para embarcar carne de Argentina a Francia, se utilizó éter de metilo.
1877-Se iniciaron trabajos de desarrollo en maquinaria de refrigeración por aire, lo que condujo a los compresores Bell-Coleman.
1880/1890-Se utilizaban exitosamente varios refrigerantes diferentes, principalmente el cloruro de metilo y bióxido de carbono.
1890-Se desarrolló la demanda de unidades pequeñas para uso doméstico y comercial.
1900-Apareció el motor eléctrico.
1930-En una junta de la sociedad química americacana, Midgely y Henne anunciaron a un diario el desarrollo de los refrigerantes halogenados.
1931-El freón 12 es lanzado como un refrigerante comercial.
1931-El 24 de noviembre, la patente original de los refrigerantes halogenados fue expedida a Midgely, Henne y Mc Nary.
1932-Introducción comercial del freón 11.
1933-Introducción comercial del freón 114.
1934-Introducción comercial del freón 113.
1936-Introducción comercial del freón 22. Sin embargo, no se desarrolló a grande escala, sino hasta después de la segunda guerra mundial.
1939-Introducción comercial del freón 21.
1943-Se desarrolló el uso del freón 11 y 12, como propelentes de aerosol, por Goodhue y Sullivan.
1945-Introducción comercial del freón 13.
1950-Introducción comercial del R-500.
1952-La empresa Allied Chemical Corp. inicia la fabricación de refrigerantes halogenados.
1955-Introducción comercial del freón 14.
1956-Du Pont publicó un sistema para la numeración de refrigerante de uso general.
1957-Pennsalt Chemicals Corp. inició la fabricación de refrigerantes halogenados.
1958-Union Carbide Corp. inició la fabricación de refrigerantes halogenados.
1961-Introducción comercial del freón 502.
1961-Introducción comercial del freón C-318 como propelente para alimentos, aunque ya había sido usado como refrigerantes unos años antes.
1963-Kaiser Aluminum and Chemical Co., inició la fabricación de refrigerantes halogenados.
1965-Racón Inc. inició la fabricación de refrigerantes halogenados.
1974-Los científicos Molina y Rowland, presentaron la hipótesis de que algunos gases emanados desde la tierra deterioraban la capa de ozono; lo que fue confirmado años más tarde por la NASA.
1989-Se llevó a cabo el Protocolo de Montreal, donde se decidió defasar los compuestos que deterioran la capa de ozono, entre ellos el R-11 y el R-12.
1989-En plantas piloto a nivel experimental, los principales fabricantes de refrigerantes desarrollaron compuestos para substituir los refrigerantes que habrán de desaparecer. Entre los nuevos sustitutos estaban el R-134a, el R-123, el R-141b, el
R-124 y el R-125.
1990-Se desarrollaron mezclas zeotrópicas para utilizarlas como refrigerantes, en los equipos que estaban actualmente operando con R-12, R-500 y R-502.
1991-Se introdujeron comercialmente los refrigerantes R-134a, R-123 y varias mezclas azeotrópicas.

¿Qué son los Refrigerantes?

Tue, 12 Sep 2023 11:33:19 -0600

Definición

Existe una cantidad grande de refrigerantes actualmente utilizados en aplicaciones comerciales e industriales. Cada refrigerante tiene propiedades que difieren de otros, tales como: puntos de ebullición, calor específico, calor latente, densidad y otros factores que afectan la habilidad del refrigerante para transferir el calor.

El mantenimiento efectivo de cualquier sistema de refrigeración mecánica, depende grandemente de la comprensión que se tenga de las propiedades del refrigerante. La dificultad para resolver un problema, se torna más fácil, cuando se sabe cómo reacciona el refrigerante a los cambios de temperatura y de presión. El comportamiento del refrigerante frecuentemente es la clave para detectar el origen del problema.

De manera general, un refrigerante es cualquier cuerpo o substancia que actúe 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 mecánica. Cualquier substancia que cambie de líquido a vapor y viceversa, puede funcionar como refrigerante, y dependiendo del rango de presiones y temperaturas a que haga estos cambios, va a tener una aplicación útil comercialmente.

Existe un número muy grande de fluidos refrigerantes fácilmente licuables; sin embargo, sólo unos cuantos son utilizados en la actualidad. Algunos se utilizaron mucho en el pasado, pero se eliminaron al incursionar otros con ciertas ventajas y características que los hacen más apropiados. Recientemente, se decidió descontinuar algunos de esos refrigerantes antes del año 2000, tales como el R-11, R-12, R-113, R-115, etc., debido al deterioro que causan a la capa de ozono en la estratósfera. En su lugar, se van a utilizar otros refrigerantes como el R-123, el R-134a y algunas mezclas ternarias (ver capítulo 9). Los grandes fabricantes de refrigerantes, siguen trabajando en el desarrollo de nuevos productos.