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Refrigerante natural

Los refrigerantes naturales son sustancias que se utilizan como refrigerantes en sistemas de refrigeración (incluidos refrigeradores , sistemas de climatización y aire acondicio...

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Los refrigerantes naturales son sustancias que se utilizan como refrigerantes en sistemas de refrigeración (incluidos refrigeradores , sistemas de climatización y aire acondicionado ). Son una alternativa a los refrigerantes sintéticos, como los clorofluorocarbonos (CFC), los hidroclorofluorocarbonos (HCFC) y los hidrofluorocarbonos (HFC). A diferencia de otros refrigerantes, los refrigerantes naturales se encuentran en la naturaleza y están disponibles comercialmente gracias a procesos industriales físicos como la destilación fraccionada , reacciones químicas como el proceso Haber y los gases de destilación. Entre los más destacados se incluyen diversos hidrocarburos naturales, dióxido de carbono, amoníaco y agua. [ 1 ] Actualmente, en los equipos nuevos se prefieren los refrigerantes naturales a sus homólogos sintéticos debido a su mayor sostenibilidad . Con las tecnologías disponibles actualmente, casi el 75 % del sector de la refrigeración y el aire acondicionado tiene el potencial de convertirse a refrigerantes naturales. [ 2 ]

Fondo

CFC en la atmósfera a lo largo del tiempo en partes por billón

Los refrigerantes sintéticos se han utilizado en sistemas de refrigeración desde la creación de los CFC y los HCFC en 1929. [ 3 ] Cuando estos refrigerantes se escapan de los sistemas y llegan a la atmósfera, pueden tener efectos adversos sobre la capa de ozono y el calentamiento global. Los refrigerantes CFC contienen carbono, flúor y cloro, y se convierten en una fuente importante de cloro inorgánico en la estratosfera tras su descomposición fotolítica por radiación UV . El cloro liberado también contribuye a la destrucción de la capa de ozono. [ 4 ] Los HCFC tienen una vida útil atmosférica más corta que los CFC debido a la adición de hidrógeno, pero aun así tienen efectos adversos sobre el medio ambiente debido a sus elementos de cloro. [ 5 ] Los HFC no contienen cloro y tienen una vida útil atmosférica corta, pero aun así absorben radiación infrarroja, contribuyendo al efecto invernadero debido a sus elementos de flúor. [ 6 ]

En 1987, el Protocolo de Montreal reconoció por primera vez estos peligros y prohibió el uso de CFC para 2010. [ 7 ] Una enmienda de 1990 incluyó acuerdos para eliminar gradualmente el uso de HCFC para 2020, con la eliminación de la producción e importación para 2030. [ 8 ] Los refrigerantes HFC, que tienen un impacto insignificante en la capa de ozono, se consideraron sustitutos viables, pero estos también tienen un alto impacto en el calentamiento global. La enmienda de Kigali de 2016 exige que estos HFC se reduzcan en un 80 % durante los próximos 30 años. [ 9 ] Los refrigerantes naturales son una de las opciones potenciales para reemplazar los HFC, y su uso y popularidad están creciendo como resultado. Se espera que la industria de refrigerantes naturales tenga una tasa de crecimiento anual compuesta del 8,5 % durante los próximos 4 años, [ 10 ] y se espera que se convierta en una industria de 2880 millones de dólares estadounidenses para 2027. [ 2 ]

Métricas de sostenibilidad

Los refrigerantes se evalúan generalmente en función de su potencial de calentamiento global (PCG) y su potencial de agotamiento de la capa de ozono (PAO) . La escala de PCG está estandarizada con respecto al dióxido de carbono, donde el valor del refrigerante es un múltiplo del calor que absorbería la misma masa de dióxido de carbono durante un período de tiempo. [ 11 ] Esto se suele medir durante un período de 100 años. El PAO mide el impacto relativo de un refrigerante sobre la capa de ozono, estandarizado con respecto al R-11, que tiene un valor de 1. [ 12 ]

El PCA y el DPA varían considerablemente entre los diferentes refrigerantes. Los CFC son generalmente los de mayor impacto, con un PCA y un DPA elevados. Los HCFC tienen valores de PCA similares y valores de DPA medios. Los HFC también tienen valores de PCA similares, pero un DPA de cero. Los refrigerantes naturales tienen valores de PCA bajos o nulos y valores de DPA de cero. [ 13 ] Por lo tanto, los refrigerantes naturales están despertando un creciente interés para reemplazar a los HFC y ofrecer una opción más sostenible para la refrigeración. [ 1 ]

Refrigerantes

Hidrocarburos como refrigerantes

Los compuestos de hidrógeno puro se utilizan moderadamente en refrigeración. Los hidrocarburos son una opción viable como refrigerantes porque, además de proporcionar propiedades de enfriamiento, también son abundantes y energéticamente eficientes. Se considera que son hasta un 50 % más eficientes energéticamente que los refrigerantes sintéticos. [ 14 ] Los hidrocarburos también son respetuosos con el medio ambiente, ya que existen en la naturaleza y tienen un bajo potencial de calentamiento global (PCG). [ 11 ] Históricamente, los hidrocarburos se han utilizado principalmente como refrigerantes para la refrigeración industrial, pero con el cambio actual hacia los refrigerantes naturales, están comenzando a ver un aumento en su uso en otras áreas de la refrigeración. [ 1 ] Son el refrigerante preferido en muchos países europeos. [ 15 ]

Entre los hidrocarburos utilizados como refrigerantes se incluyen:

Inflamabilidad

El principal inconveniente del uso de hidrocarburos como refrigerantes es su extrema inflamabilidad a altas presiones. Anteriormente, este riesgo se mitigaba transformando los hidrocarburos en CFC, HCFC y HFC, [ 16 ] pero con la creciente evitación de estas sustancias, es necesario abordar el problema de la inflamabilidad. Los sistemas de refrigeración funcionan presurizando el refrigerante hasta un punto en el que comienza a mostrar sus propiedades refrigerantes, pero el riesgo que implica presurizar hidrocarburos requiere un mayor nivel de precaución con respecto a la presión interna. Para que los hidrocarburos se quemen, primero debe haber una liberación de hidrocarburos que se mezclen con la proporción correcta de aire, y luego debe estar presente una fuente de ignición. [ 17 ] El rango de inflamabilidad de los hidrocarburos se encuentra entre el 1 y el 10 %, y una fuente de ignición debe tener una energía superior a 0,25 J o una temperatura superior a 440  °C. [ 15 ]

Las medidas de seguridad actuales con respecto al uso de hidrocarburos son descritas por la Agencia de Protección Ambiental (EPA) . Las directrices de la EPA sobre el uso de hidrocarburos como refrigerante incluyen la designación específica de rangos de presión para sistemas de refrigeración de hidrocarburos, la garantía de la eliminación de componentes potencialmente inflamables de dichos sistemas, como componentes eléctricos propensos a generar chispas, y el establecimiento de estándares en la construcción de los sistemas para garantizar un mayor nivel de seguridad. [ 16 ] [ 18 ] La instalación de ventilación de manera que la concentración en el aire sea menor que el límite de inflamabilidad y la reducción del tamaño máximo de carga del refrigerante son otras medidas de seguridad viables. [ 15 ] Recientemente se han obtenido avances tecnológicos para reducir la cantidad total de carga de refrigerante mediante el uso de intercambiadores de calor de minicanales de aluminio. [ 19 ]

Aplicaciones y usos

Los mercados de refrigerantes de hidrocarburos han crecido como resultado de la creciente preocupación por los efectos ambientales de los refrigerantes sintéticos típicos. Según ASHRAE, los equipos disponibles que utilizan refrigerantes de hidrocarburos incluyen los siguientes: [ 1 ]

  • Sistemas con cargas pequeñas como refrigeradores domésticos, congeladores y aires acondicionados portátiles.
  • Sistemas de refrigeración comercial independientes, incluyendo máquinas de bebidas y helados.
  • Sistemas indirectos centralizados para la refrigeración de supermercados
  • Sistemas de refrigeración para el transporte en camiones
  • Enfriadoras con potencias de entre 1  kW y 150  kW.

Dióxido de carbono como refrigerante (R-744)

El dióxido de carbono se ha utilizado ampliamente como refrigerante. Su principal ventaja radica en que la EPA lo clasifica como refrigerante A1, [ 16 ] ubicándolo en la categoría de refrigerantes menos tóxicos y peligrosos. Esto lo convierte en un refrigerante viable para sistemas utilizados en áreas donde una fuga podría causar exposición. El dióxido de carbono se utiliza ampliamente en sistemas de refrigeración a gran escala, a veces mediante un sistema de refrigeración en cascada . [ 16 ] También se utiliza con moderación en la refrigeración automotriz, [ 20 ] y se considera favorable para su uso en sistemas de refrigeración y aire acondicionado domésticos, comerciales e industriales. [ 1 ] Además, el dióxido de carbono es abundante y económico. Estos factores han propiciado su uso como refrigerante desde 1850, cuando se patentó en el Reino Unido. [ 21 ] En aquel entonces, su uso era limitado debido a las altas presiones necesarias para que se manifestaran sus propiedades refrigerantes, pero estas presiones se pueden alcanzar y mantener fácilmente con la tecnología de presurización actual.

La principal preocupación sobre el uso de dióxido de carbono en refrigeración es la mayor presión necesaria para que actúe como refrigerante. El dióxido de carbono requiere presiones más altas para condensarse dentro del sistema de refrigeración, lo que significa que debe presurizarse más que otros refrigerantes naturales. [ 22 ] Puede requerir hasta 200 atmósferas para alcanzar la presión adecuada para la condensación. [ 23 ] Los sistemas de refrigeración que utilizan dióxido de carbono deben construirse para soportar presiones más altas. Esto impide que los sistemas de refrigeración antiguos puedan adaptarse para usar dióxido de carbono. Sin embargo, si el dióxido de carbono se utiliza como parte de un sistema de refrigeración en cascada, puede utilizarse a presiones más bajas. [ 21 ] El uso de dióxido de carbono en sistemas de refrigeración en cascada también implica que los beneficios mencionados de disponibilidad y bajo precio son aplicables a un sistema en cascada.

También existen ventajas en el aumento de las presiones requeridas. El aumento de las presiones produce mayores densidades de gas, lo que permite lograr mayores efectos de refrigeración. [ 15 ] Esto lo hace ideal para enfriar cargas densas como las que se encuentran en las salas de servidores. [ 1 ] También permite que el dióxido de carbono funcione bien en  condiciones frías (-30 a -50 °C), ya que hay reducciones muy pequeñas en las temperaturas de saturación para una caída de presión dada. [ 15 ] Los congeladores de placas y los congeladores ultrarrápidos han notado mejoras en la eficiencia y el tiempo de congelación utilizando dióxido de carbono. [ 15 ] También hay propuestas para mejorar los ciclos termodinámicos para aumentar la eficiencia del dióxido de carbono a temperaturas más altas. [ 19 ] El equipo con refrigerante de dióxido de carbono tampoco es necesariamente más pesado, voluminoso o peligroso que el equipo similar a pesar de sus mayores presiones de trabajo debido a los caudales volumétricos reducidos del refrigerante. [ 24 ]

Cuando la presión del dióxido de carbono supera su punto crítico de 7,3773 MPa, no puede licuarse. La disipación de calor debe producirse mediante el enfriamiento del gas denso, lo que crea una situación ventajosa para las bombas de calor de calentamiento de agua. Estas son particularmente eficientes con un suministro de agua fría de entrada. [ 1 ]

Amoníaco como refrigerante (R-717)

El amoníaco ( NH₃ ) utilizado como refrigerante es amoníaco anhidro , con una pureza mínima del 99,5 %. [ 25 ] La concentración de agua y aceite no puede superar las 33 y 2 ppm, respectivamente. El refrigerante de amoníaco se almacena en recipientes presurizados. Al liberarse la presión, se produce una rápida evaporación que provoca un descenso de la temperatura del líquido hasta alcanzar su punto de ebullición de -33  °C (-28  °F), lo que lo hace útil en sistemas de refrigeración. [ 25 ]

El amoníaco se ha utilizado frecuentemente en la refrigeración industrial desde su primer uso en el proceso de compresión en 1872. Se utiliza por sus favorables propiedades termodinámicas, eficiencia y rentabilidad. [ 16 ] El amoníaco se produce en grandes cantidades debido a la industria de fertilizantes, lo que lo hace relativamente económico. [ 1 ] Tiene un PCA y un DPA de cero, lo que hace que el efecto de las fugas de amoníaco sea insignificante en el clima. [ 26 ] El amoníaco también es tolerante a los aceites minerales y tiene baja sensibilidad a pequeñas cantidades de agua en el sistema. [ 15 ] El calor de vaporización del amoníaco es alto y el caudal bajo, lo que requiere el uso de tecnologías diferentes a las de otros refrigerantes. El bajo caudal ha limitado históricamente el uso del amoníaco a sistemas de mayor capacidad. [ 16 ]

Uno de los mayores problemas del uso de amoníaco en refrigeración es su toxicidad. El amoníaco es letal en ciertas dosis, pero una preparación adecuada y protocolos de emergencia pueden mitigar estos riesgos hasta una sola muerte por década, según la EPA. [ 1 ] El olor característico del amoníaco es una de las razones, ya que permite detectar fugas a concentraciones tan bajas como 5 ppm, mientras que sus efectos tóxicos comienzan por encima de 300 ppm. [ 1 ] La exposición de hasta treinta minutos también puede tolerarse sin efectos duraderos en la salud. [ 26 ] En consecuencia, gran parte del peligro del uso de amoníaco como refrigerante es en realidad solo una cuestión de percepción pública. Por lo tanto, el principal objetivo de las medidas de seguridad es evitar aumentos rápidos de la concentración hasta niveles de pánico público. [ 15 ] La inflamabilidad tampoco es una preocupación particular, ya que el rango de inflamabilidad es del 15-28%, lo que se detectaría con mucha antelación. [ 16 ] ASHRAE lo clasifica como 2L por su baja inflamabilidad. [ 26 ]

Aplicaciones y usos

Las aplicaciones de refrigerantes a base de amoníaco pueden incluir las siguientes: [ 26 ] [ 1 ]

Se espera que el uso de amoníaco aumente en las industrias de HVAC&R a medida que más funcionarios se informen sobre su relativa seguridad. Ya se utiliza en grandes instalaciones de bombas de calor y supermercados, así como en proyectos como la Estación Espacial Internacional . [ 26 ] Al igual que el dióxido de carbono, el amoníaco también se puede utilizar en sistemas de refrigeración en cascada para mejorar la eficiencia del proceso de refrigeración. Existe un uso creciente de sistemas de refrigeración en cascada que contienen tanto amoníaco como dióxido de carbono. [ 26 ] Los enfriadores de absorción con una mezcla de agua/amoníaco también son rentables en algunas aplicaciones, como los sistemas combinados de refrigeración, calefacción y energía . [ 1 ] El avance de la tecnología también hace que el amoníaco sea una opción cada vez más viable para sistemas a pequeña escala. [ 16 ]

El agua como refrigerante (R-718)

El agua no es tóxica, no es inflamable, tiene un valor de PCA y DPA cero y es de bajo costo. [ 1 ] Existen desafíos técnicos, como el alto volumen específico del agua a bajas temperaturas, las altas relaciones de presión requeridas en el compresor y las altas temperaturas a la salida del compresor, que constituyen barreras para el uso del agua y el vapor de agua como refrigerante. [ 27 ] Además, algunas aplicaciones pueden presentar problemas con la acumulación de sedimentos y la proliferación de bacterias, aunque estos problemas pueden minimizarse con técnicas como la adición de productos químicos para combatir las bacterias y el ablandamiento del agua utilizada. [ 28 ]

El agua se usa comúnmente a temperaturas más altas en enfriadores de absorción de bromuro de litio, pero el coeficiente de rendimiento (COP) en estas aplicaciones es solo una quinta parte del de los enfriadores centrífugos de accionamiento eléctrico típicos. [ 1 ] Los ciclos de refrigeración por compresión de vapor son una aplicación poco común, pero tienen el potencial de generar COP altos debido a las propiedades termofísicas del agua. [ 28 ] Además de los enfriadores de absorción, el agua se puede usar en deshumidificación desecante/enfriamiento evaporativo, enfriadores de adsorción y enfriadores de compresión. [ 15 ] También se ha propuesto el uso de agua en compresores rotativos especiales, aunque las dimensiones y el precio de estos sistemas pueden ser muy grandes. [ 15 ]

En los sistemas típicos de bombas de calor, el agua puede ser un refrigerante ideal, con algunas aplicaciones que producen COP que superan los 20. [ 15 ] Esto la convierte en una opción obvia para aplicaciones industriales con temperaturas superiores a 80  °C. [ 29 ] El agua también ha demostrado ser viable como refrigerante en bombas de calor geotérmicas. [ 30 ]

Ciclo típico de Brayton

El aire como refrigerante

El aire es gratuito, no tóxico y no tiene un impacto negativo en el medio ambiente. Se puede utilizar como refrigerante en sistemas de refrigeración por ciclo de aire , que funcionan según el ciclo Brayton o Joule inverso . [ 31 ] El aire se comprime y expande para generar calefacción y refrigeración. Originalmente, se utilizaban compresores y expansores alternativos, lo que resultaba en una baja fiabilidad. [ 31 ] Con la invención de los compresores y expansores rotativos, la eficiencia y la fiabilidad de estos ciclos han mejorado, y junto con los nuevos intercambiadores de calor compactos, el aire puede competir con refrigerantes más convencionales. [ 31 ]

Gases nobles como refrigerantes

Los gases nobles rara vez se utilizan como refrigerantes. Sus principales usos como refrigerantes se dan en sistemas experimentales de superrefrigeración líquida en laboratorios o en superconductores . Esto se aplica específicamente al helio líquido , que tiene un punto de ebullición de 4,2 K. [ 32 ] Nunca se utilizan para refrigeración industrial o doméstica.

Otros refrigerantes naturales

Estos refrigerantes naturales son sustancias que podrían utilizarse en sistemas de refrigeración, pero que no se utilizan o se utilizan muy raramente debido a la disponibilidad de compuestos que son menos costosos o que son más fáciles de manipular y contener.

compuestos de oxígeno

Compuestos de nitrógeno

  • Metilamina ( CH₃NH₂ ) [R-630] (obtenida de la reacción de amoníaco y metanol ; toxicidad media; sustancia controlada)
  • Etilamina ( CH₃CH₂NH₂ ) [R-631] (obtenida por reacción de amoníaco y etanol ; muy tóxica )

Lubricante

En los sistemas de refrigeración, el aceite se utiliza para lubricar las piezas del compresor y garantizar su correcto funcionamiento. En condiciones normales de funcionamiento, parte de este lubricante puede pasar inadvertidamente a otra parte del sistema. Esto afecta negativamente a la transferencia de calor y a las características de fricción del refrigerante. [ 33 ] Para evitarlo, el aceite lubricante debe ser suficientemente compatible y miscible con el refrigerante. Los sistemas CFC utilizan aceites minerales; sin embargo, los sistemas HFC no son compatibles y deben utilizar aceites a base de ésteres y poliglicol de alquileno, que son considerablemente más caros. [ 33 ]

Los hidrocarburos tienen una solubilidad de signo con los aceites minerales estándar, por lo que se necesitan lubricantes de muy baja solubilidad. El polialquilenglicol y la polialfaolefina se utilizan normalmente en estos sistemas por su bajo punto de fluidez y presiones de vapor. [ 34 ] Los aceites tradicionales no se pueden utilizar como lubricantes en sistemas de dióxido de carbono, ya que es más solvente que la mayoría de los HFC. [ 35 ] El aceite de poliéster está diseñado específicamente para usarse en sistemas basados ​​en dióxido de carbono y también ayuda a proteger contra el mayor desgaste de los cojinetes y los costos de mantenimiento que pueden resultar de las mayores tensiones y presiones en un sistema de dióxido de carbono. [ 34 ] El amoníaco requiere lubricantes con bajas temperaturas de operación y alta resistencia a la oxidación, fluidez y viscosidad. Se suelen utilizar polialfaolefinas o mezclas de polialfaolefinas y alquilbenceno. [ 34 ]

Referencias

  1. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Documento de posición de ASHRAE sobre refrigerantes naturales. 21 de julio de 2011. Vence el 21 de julio de 2014.
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Véase también