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Refrigerante

Los refrigerantes son fluidos de trabajo que transportan calor de un ambiente frío a uno cálido mientras circulan entre ellos. Por ejemplo, el refrigerante de un aire acondicion...

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Los refrigerantes son fluidos de trabajo que transportan calor de un ambiente frío a uno cálido mientras circulan entre ellos. Por ejemplo, el refrigerante de un aire acondicionado transporta el calor de un ambiente interior frío a un ambiente exterior más cálido. De manera similar, el refrigerante de un refrigerador transporta el calor del interior del refrigerador al ambiente circundante. Se utiliza una amplia gama de fluidos como refrigerantes, y la elección específica depende del rango de temperatura requerido y de las limitaciones del sistema en cuestión.

Los refrigerantes son la base de los sistemas de refrigeración por compresión de vapor . El refrigerante circula en un circuito cerrado entre los ambientes frío y caliente (véase la figura). En el ambiente de baja temperatura, el refrigerante absorbe calor a baja presión, lo que provoca su evaporación. El refrigerante gaseoso entra entonces en un compresor, que aumenta su presión y temperatura. El refrigerante presurizado circula por el ambiente caliente, donde libera calor y se condensa en estado líquido. El líquido a alta presión se despresuriza y regresa al ambiente frío como una mezcla líquido-vapor. [ 1 ] [ 2 ]

Ilustración del circuito de circulación de refrigerante dentro de un aire acondicionado de ventana.
Un aire acondicionado de ventana. El refrigerante circula por el evaporador/serpentín de enfriamiento (azul), donde absorbe el calor del aire interior, enfriándolo. El vapor de refrigerante fluye luego hacia el compresor, donde un motor eléctrico lo impulsa a mayor presión y temperatura. El vapor libera calor y se licúa en el condensador (rojo). El líquido condensado fluye a través de una válvula de expansión, donde se despresuriza y se enfría. Tras la expansión, regresa al evaporador como una mezcla fría de líquido y vapor.

Los refrigerantes también se utilizan en bombas de calor , que funcionan como sistemas de refrigeración. En invierno, una bomba de calor absorbe el calor del ambiente exterior frío y lo libera al ambiente interior cálido. En verano, la dirección de la transferencia de calor se invierte. [ 1 ] [ 2 ]

Los refrigerantes incluyen fluidos naturales, como el amoníaco , el dióxido de carbono o el isobutano , y fluidos sintéticos, como los clorofluorocarbonos , los hidroclorofluorocarbonos o los hidrofluorocarbonos . Muchos refrigerantes sintéticos antiguos han sido prohibidos para proteger la capa de ozono de la Tierra o para limitar el cambio climático . [ 3 ] Algunos refrigerantes son inflamables o tóxicos, por lo que es esencial manipularlos y eliminarlos con cuidado. [ 1 ] Los refrigerantes se clasifican según su seguridad utilizando el sistema ASHRAE Standard 34. [ 4 ]

Aunque los refrigerantes se asocian más comúnmente con los sistemas de compresión de vapor, también se utilizan para muchos otros fines. Estas aplicaciones incluyen la propulsión de aerosoles , la producción de espuma de polímero, materias primas químicas, la extinción de incendios y disolventes. [ 5 ]

Los enfriadores son sistemas de refrigeración que tienen un circuito secundario que hace circular un líquido refrigerante (en lugar de un refrigerante), y se utiliza refrigeración por compresión de vapor para enfriar dicho líquido secundario. [ 6 ] Los sistemas de refrigeración por absorción funcionan absorbiendo un gas, como el amoníaco, en un líquido, como el agua. [ 1 ] [ 2 ]

Requisitos y propiedades deseables

La selección de un refrigerante para un propósito determinado depende de una combinación de factores. Diferentes refrigerantes, con propiedades distintas, son más adecuados para algunas aplicaciones que para otras. [ 3 ] [ 7 ]

Requisitos de propiedades termofísicas

En términos termodinámicos , los refrigerantes transportan energía en forma de entalpía , la cual aumenta o disminuye sustancialmente durante la evaporación o condensación. La diferencia entre la entalpía de la fase gaseosa y la líquida se denomina calor latente de vaporización . El calor latente de vaporización permite que se absorba o libere una cantidad considerable de energía, con un cambio mínimo de temperatura, en el evaporador o condensador . Las temperaturas en el evaporador y condensador se controlan ajustando la presión del refrigerante en cada componente. [ 1 ] [ 2 ]

Un refrigerante debe tener un punto de ebullición inferior a la temperatura deseada del ambiente frío. El calor fluirá entonces del ambiente frío al refrigerante, provocando su evaporación. El punto de ebullición es menor si la presión del refrigerante es menor. Por esta razón, el refrigerante en el evaporador (en el lado frío) tendrá una presión baja. [ 7 ] [ 8 ] La presión del evaporador debe ser superior a la presión atmosférica para evitar fugas de aire. [ 9 ]

De igual modo, el refrigerante debe tener un punto de ebullición superior a la temperatura del ambiente cálido, de modo que el calor fluya hacia afuera del refrigerante al condensarse. Dado que el punto de ebullición aumenta con la presión, el refrigerante en el condensador (en el lado caliente) tendrá una presión elevada. [ 7 ] [ 8 ]

Para la mayoría de los sistemas de refrigeración, es deseable una temperatura de punto crítico muy superior a la temperatura del condensador. Cuando la temperatura de punto crítico supera la del condensador, el refrigerante puede condensarse de la fase gaseosa a la líquida a una temperatura casi constante; pero si el punto crítico estuviera por debajo de la temperatura del condensador, no se produciría ningún cambio de fase. Para temperaturas fijas del evaporador y del condensador, aumentar la temperatura de punto crítico aún más por encima de la del condensador incrementa la eficiencia energética del ciclo de refrigeración. [ 10 ]

Sin embargo, a medida que aumenta la temperatura del punto crítico, disminuye la densidad del vapor a la entrada del compresor. Una menor densidad incrementa el caudal volumétrico de vapor necesario para una determinada cantidad de refrigeración (es decir, el compresor debe ser más grande para realizar la tarea). Por lo tanto, la selección de un refrigerante implica un equilibrio entre la eficiencia energética y la eficiencia volumétrica. [ 10 ]

La capacidad calorífica específica del vapor refrigerante también afecta considerablemente al rendimiento. Una menor capacidad calorífica específica evita la formación de líquido en el compresor, pero una capacidad calorífica demasiado baja puede generar vapor excesivamente caliente a la salida del compresor. La optimización tiende a favorecer las moléculas refrigerantes con menos átomos. [ 10 ] También son deseables un alto calor latente de vaporización y una temperatura del punto triple muy inferior a la temperatura del evaporador. [ 7 ] [ 9 ]

Algunos refrigerantes, como el dióxido de carbono, pueden funcionar en ambientes cálidos que superan la temperatura del punto crítico. En estos ciclos de refrigeración transcríticos , el condensador debe sustituirse por un enfriador de gas que opere en un rango de temperatura más amplio. [ 7 ] [ 11 ]

En ocasiones, se mezclan refrigerantes para lograr un equilibrio de las propiedades deseadas. Los refrigerantes puros se vaporizan a temperatura constante cuando la presión se mantiene constante (como en un evaporador o condensador). Por el contrario, las mezclas de refrigerantes se vaporizan en un rango pequeño de temperatura. Este fenómeno se denomina deslizamiento de temperatura . [ 7 ] [ 12 ]

Para garantizar la seguridad, un refrigerante ideal debe ser no tóxico e ininflamable. Para la protección del medio ambiente, el refrigerante debe tener un potencial de agotamiento de la capa de ozono nulo y un potencial de calentamiento global muy bajo . Los refrigerantes que no se encuentran de forma natural en la atmósfera deben tener una vida útil atmosférica corta y descomponerse en subproductos inocuos para el medio ambiente. [ 3 ] [ 13 ]

Otros requisitos

El refrigerante debe ser químicamente estable durante su uso, no corrosivo para los componentes del sistema y miscible con el lubricante ; también deben estar disponibles sellos de eje radiales compatibles. Para sistemas herméticamente sellados , el vapor refrigerante puede entrar en contacto con los devanados del motor , por lo que debe tener una alta rigidez dieléctrica . [ 7 ] [ 9 ] [ 10 ] El refrigerante debe tener un bajo costo. Las regulaciones legales también pueden ser un factor importante en la selección de refrigerantes. [ 7 ] [ 14 ]

La selección de un refrigerante para un propósito específico implica sopesar todos los factores mencionados. A menudo, ningún refrigerante es completamente ideal, y varios refrigerantes diferentes pueden ser opciones razonables. [ 14 ]

Historia

Estructura química del éter dietílico
Modelo de varillas y esferas del éter dietílico , utilizado en los primeros sistemas de refrigeración por compresión de vapor. (En el dibujo, el blanco representa un átomo de carbono, el negro, el hidrógeno, y el rojo, el oxígeno).

La refrigeración por compresión de vapor fue propuesta por primera vez por Oliver Evans en 1805, utilizando éter dietílico como refrigerante. En 1834, Jacob Perkins patentó un sistema de compresión de vapor, describiendo también el éter dietílico como refrigerante. El primer prototipo funcional de ese sistema fue construido por John Hague ese mismo año, pero el prototipo utilizaba caucho, un destilado de caucho, como refrigerante. [ 15 ] [ 16 ] En la década de 1850, James Harrison , trabajando en Australia, desarrolló un sistema tipo Perkins que también utilizaba éter dietílico. La fabricación de hielo y el envasado de carne fueron algunas de las primeras aplicaciones de su tecnología. [ 17 ]

Durante la segunda mitad del siglo XIX se produjeron muchos más inventos. En la década de 1860, Thaddeus Lowe desarrolló un sistema de dióxido de carbono . [ 18 ] En la década de 1870 se introdujeron sistemas basados ​​en amoníaco , dióxido de azufre , dimetil éter y cloruro de metilo . [ 15 ] [ 19 ] Varios refrigerantes del siglo XIX siguen utilizándose hoy en día, pero otros se han descartado por motivos de seguridad o rendimiento. [ 20 ] A principios del siglo XX, el amoníaco predominaba en los sistemas industriales. [ 18 ]

El uso doméstico de refrigeradores y aires acondicionados de compresión de vapor surgió a principios del siglo XX, cuando se dispuso de pequeños motores eléctricos para accionar el compresor de vapor. Estos primeros sistemas utilizaban amoníaco, isobutano , cloruro de metilo, propano y dióxido de azufre. Cada uno de ellos presentaba inconvenientes para el uso doméstico, como olor, toxicidad o inflamabilidad. (A pesar de su inflamabilidad, el propano y el isobutano tenían un buen historial de seguridad). [ 18 ]

Desarrollo de refrigerantes halogenados (CFC y HCFC)

Estructura química del diclorodifluorometano (R-12)
Diclorodifluorometano (CFC-12, R-12), introducido en 1931.

En la década de 1920, Thomas Midgley Jr. , junto con Albert Henne y Robert MacNeary, realizó un estudio sistemático de refrigerantes sintéticos, buscando un fluido que fuera no tóxico, no inflamable y estable. El equipo de Midgley se centró en hidrocarburos clorados y fluorados (el cloro y el flúor son halógenos , por lo que estos compuestos se denominan halogenados ). En 1931, el diclorodifluorometano (R-12) llegó al mercado. Al R-12 le siguieron pronto el triclorofluorometano (R-11) en 1932 y el clorodifluorometano (R-22) en 1936. El R-11 y el R-12 son clorofluorocarbonos (CFC) y el R-22 es un hidroclorofluorocarbono (HCFC). [ 20 ] El nombre comercial Freón se utilizó para el R-12, que en ese momento también se llamaba F-12. [ 21 ]

El sistema de numeración R para refrigerantes fue desarrollado por DuPont en los años posteriores. [ 22 ] La letra R va seguida de un número que identifica de forma única la estructura química del refrigerante. Este sistema se ha convertido desde entonces en un estándar internacional. A menudo, se utiliza un grupo de letras más específico en lugar de la R para indicar la familia química del refrigerante. Por ejemplo, el R-12 puede denominarse CFC-12 para indicar que es un clorofluorocarbono.

Los refrigerantes CFC y HCFC tuvieron un éxito rotundo y dominaron el mercado durante medio siglo. [ 18 ] Para 1987, el R-12 se utilizaba en prácticamente todos los refrigeradores y el R-22 en casi todos los aires acondicionados. [ 20 ] Los sistemas automotrices dependían del R-12, los enfriadores de agua que utilizaban compresores centrífugos preferían el R-11, y la refrigeración comercial de baja temperatura utilizaba un refrigerante mezclado, el R-502. [ 3 ]

Eliminación progresiva de los CFC y HCFC (protección de la capa de ozono)

En 1974, Mario Molina y F. Sherwood Rowland predijeron que los CFC agotarían la capa de ozono que protege a la Tierra de la radiación ultravioleta. [ 23 ] [ 24 ] Su predicción fue confirmada observacionalmente en la década de 1980, cuando los investigadores identificaron un agujero de ozono sobre la Antártida. [ 25 ]

El proceso ocurre cuando los CFC alcanzan la estratosfera y absorben la radiación solar . La radiación absorbida provoca la separación de átomos de cloro de los CFC. El cloro liberado cataliza la descomposición del ozono: un átomo de cloro reacciona con O₃ para formar ClO y O₂ , y el ClO se convierte de nuevo en Cl, que puede atacar más moléculas de ozono. Un solo átomo de cloro puede destruir miles de moléculas de ozono antes de ser eliminado de la estratosfera. El agotamiento inusualmente grave de ozono en la Antártida fue resultado de reacciones químicas en las nubes estratosféricas polares que se forman estacionalmente. [ 26 ]

Ilustración de la destrucción del ozono catalizada por el cloro en la atmósfera.
En la estratosfera, el ozono (O₃ ) se transforma naturalmente en oxígeno (O₂ ) y viceversa al absorber energía solar ( ciclo de Chapman ). En presencia de CFC, la luz solar libera átomos de cloro que catalizan la conversión de O₃ a O₂ : el Cl reacciona con el O₃ para formar ClO y O₂ , y el ClO se convierte de nuevo en Cl, lo que puede destruir más ozono. El resultado final es más oxígeno y menos ozono .

Estos descubrimientos llevaron a la firma del Protocolo de Montreal en 1987. Este acuerdo internacional tenía como objetivo eliminar gradualmente los CFC y los HCFC para proteger la capa de ozono.

En virtud del Protocolo de Montreal, la producción de CFC debía prohibirse en la mayoría de los países para 1996. La eliminación gradual de los HCFC estaba prevista para un período más prolongado, ya que tienen potenciales de agotamiento de la capa de ozono (PAO) inferiores a los de los CFC. Durante este período de transición, se aceleró la adopción de HCFC, como el R-22 . [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]

La búsqueda de alternativas a los refrigerantes CFC y HCFC, como el R-12 y el R-22, comenzó en la década de 1970. Para cuando se firmó el Protocolo de Montreal, el R-134a ya se había identificado como sustituto del R-12 en la industria automotriz y el R-123 como sustituto del R-11 en grandes enfriadores. [ 20 ] El R-134a es un hidrofluorocarbono (HFC), pero el R-123 era un hidroclorofluorocarbono (HCFC) que también se eliminaría gradualmente.

Los gobiernos adoptaron regulaciones para apoyar el Protocolo de Montreal. En 1991, Alemania promulgó legislación para eliminar los CFC en los aparatos de refrigeración, [ 30 ] y los CFC fueron prohibidos en equipos nuevos a partir de 1995. [ 31 ]

Los aires acondicionados domésticos y los enfriadores industriales de EE. UU. comenzaron a utilizar HCFC a partir de la década de 1980. A partir del 14 de noviembre de 1994, la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. (EPA) restringió la venta, posesión y uso de refrigerantes únicamente a técnicos autorizados, según las normas de la Ley de Aire Limpio. [ 32 ] EE. UU. prohibió la producción e importación de CFC el 1 de enero de 1996. [ 33 ] Los CFC almacenados y recuperados continuaron utilizándose mientras hubo existencias disponibles.

Mucho más tarde, los gobiernos comenzaron a restringir los HCFC. Por ejemplo, en 2000 entraron en vigor las Regulaciones de Ozono del Reino Unido, que prohibían los refrigerantes HCFC que agotan la capa de ozono, como el R-22, en los sistemas nuevos. Las regulaciones también prohibieron el uso de R-22 virgen como fluido de "relleno" para mantenimiento a partir de 2010, y de R-22 reciclado a partir de 2015. [ 34 ] En 2010, la EPA de EE. UU. prohibió el uso de R-22 (HCFC-22) en equipos nuevos, [ 35 ] muchos de los cuales cambiaron a la mezcla de HFC, R-410A . [ 20 ] [ 36 ] Toda la producción e importación de R-22 fue prohibida el 1 de enero de 2020. [ 37 ]

El Protocolo de Montreal, que abordaba el agotamiento de la capa de ozono, no tenía como objetivo regular el impacto del calentamiento global de los refrigerantes. Aun así, los CFC tienen un potencial de calentamiento global mucho mayor que los refrigerantes que los reemplazaron. Como resultado, el Protocolo de Montreal redujo significativamente el calentamiento global. [ 38 ]

Renovado interés por los refrigerantes naturales.

Antes de la introducción de los CFC en 1931, se utilizaban refrigerantes naturales, como amoníaco, dióxido de carbono, isobutano y propano, entre otros. Estos refrigerantes no dañan la capa de ozono y tienen un potencial de calentamiento global muy bajo. [ 39 ] Estas sustancias volvieron a cobrar importancia durante la década de 1990, al conocerse los efectos nocivos de muchos refrigerantes sintéticos. [ 20 ] En conjunto, se les denomina refrigerantes naturales .

Estructura química del isobutano
Isobutano (R-600a), un refrigerante de clase A3

Los ambientalistas europeos estuvieron a la vanguardia de este esfuerzo. La organización ambiental Greenpeace estableció una colaboración con el Instituto Dortmund de Alemania y el fabricante alemán de refrigeradores DKK Scharfenstein para desarrollar un refrigerador doméstico comercialmente viable basado en hidrocarburos, en lugar de fluorocarbonos. En 1993, el refrigerador "Greenfreeze" basado en hidrocarburos se comercializó en Alemania bajo la marca Foron , y la tecnología posteriormente se extendió a otros países. [ 40 ] Los sistemas Greenfreeze utilizan diversas mezclas de isobutano ( R-600a ), propano ( R-290 ) y otros hidrocarburos. [ 41 ] [ 42 ]

En 1996, Greenfreeze representaba el 35% de la producción de Europa Occidental, y en 2001, la refrigeración por hidrocarburos cubría el 100% de la producción alemana. [ 40 ]

En 2004, Greenpeace colaboró ​​con un grupo de corporaciones multinacionales, entre ellas Coca-Cola , Unilever y, posteriormente , PepsiCo , para crear una coalición llamada "¡Refrigerantes Naturales!". [ 41 ] Esta organización promovió el uso de refrigerantes naturales como alternativa a los refrigerantes sintéticos. Cuatro años después, Ben & Jerry's, de Unilever y General Electric, comenzó a tomar medidas para apoyar la producción y el uso en Estados Unidos. [ 43 ]

Las corporaciones que fabricaban refrigerantes sintéticos se resistieron a la transición hacia los hidrocarburos, alegando la inflamabilidad y las propiedades explosivas de estos últimos. [ 40 ] [ 44 ] Esta resistencia se extendió al cabildeo contra la aprobación de los refrigerantes de hidrocarburos por parte de la EPA de EE. UU. [ 45 ] Las empresas que utilizaban sistemas de refrigeración, en particular Unilever y su filial de helados Ben & Jerry's, ayudaron a superar las barreras regulatorias para los refrigerantes de hidrocarburos. [ 41 ]

Para 2010, aproximadamente un tercio de los refrigeradores domésticos fabricados en todo el mundo utilizaban isobutano o una mezcla de isobutano y propano, [ 46 ] y Japón había convertido casi todos sus refrigeradores domésticos de R-134a a isobutano. [ 47 ] Para 2022, el isobutano se utilizaba en más del 70 % de los nuevos refrigeradores domésticos de la UE y, para 2025, en más del 60 % de los nuevos refrigeradores domésticos de EE. UU. [ 48 ]

El dióxido de carbono también cobró nueva relevancia durante este período. A pesar de su alta presión de funcionamiento, el CO₂ se consideró un refrigerante viable para automóviles y sistemas estacionarios. [ 11 ] Para 2014, Coca-Cola, miembro de Refrigerants Naturally!, había instalado 1 millón de unidades de refrigeración libres de HFC, con el CO₂ como refrigerante preferido. [ 49 ]

Reducción gradual de los HFC (mitigación del cambio climático)

Estructura química de R-134a
La molécula de 1,1,1,2-tetrafluoroetano (HFC-134a o R-134a), que tiene una vida útil atmosférica de 13,5 años [ 39 ].

Los hidrofluorocarbonos (HFC) se adoptaron ampliamente como sustitutos de los CFC y HCFC en las décadas de 1990 y 2000. [ 20 ] [ 36 ] Los HFC no agotan la capa de ozono, pero tienen potenciales de calentamiento global (PCG) cientos o miles de veces mayores que el CO₂ y vidas medias atmosféricas que pueden extenderse durante décadas. [ 39 ] La razón principal del alto potencial de calentamiento global de los HFC es la absorción de radiación infrarroja (es decir, calor radiado o radiación térmica ) por los enlaces moleculares entre los átomos de carbono y flúor. [ 50 ]

Se adoptaron diferentes HFC para distintos fines. En refrigeradores domésticos y automóviles, el R-134a (un HFC) reemplazó al CFC R-12 . En enfriadores de baja presión, el R-123 reemplazó al R-11 . En pequeños aires acondicionados, el refrigerante mezclado R-410A finalmente reemplazó al R-22 , tras la consideración inicial del R-407C ; y en refrigeración comercial de baja temperatura, la mezcla R-404A reemplazó al R-502. [ 3 ]

Gráfico de la presencia atmosférica de HCFC y HFC que muestra el efecto de la eliminación gradual de los HCFC.
La estabilización observada de las concentraciones de HCFC (gráficos de la izquierda) y el aumento de los HFC (gráficos de la derecha) en la atmósfera terrestre.

Durante esta época, las concentraciones atmosféricas de HCFC comenzaron a estabilizarse, mientras que las concentraciones de HFC aumentaron drásticamente (véase la figura).

La situación comenzó a cambiar en 1997, cuando los HFC y los fluorocarbonos (FC) se incluyeron en el Protocolo de Kioto del Convenio Marco sobre el Cambio Climático. [ 51 ] [ 52 ] El Protocolo de Kioto fue un acuerdo para limitar las emisiones de ciertos gases de efecto invernadero a un nivel un 5 % inferior a las emisiones de 1990. Estos gases incluían los HFC.

En respuesta, los gobiernos introdujeron nuevas regulaciones. Por ejemplo, en 2006, la UE adoptó un reglamento sobre gases fluorados de efecto invernadero (FC y HFC) para fomentar la transición a refrigerantes naturales. [ 53 ]

Durante la década de 2010, los nuevos equipos utilizaron cada vez más HFC, hidrocarburos e hidrofluoroolefinas (HFO) de menor PCA como refrigerantes. Estos refrigerantes variaron según el sector de uso, como se describe en informes de prensa contemporáneos: R-600a (isobutano) para refrigeración doméstica; [ 54 ] R-32 y R-454B para aire acondicionado estacionario; [ 55 ] [ 56 ] R-514A, R-1233zd(E) y R-1234ze(E) para enfriadoras; [ 57 ] [ 58 ] [ 59 ] y R-32, R-290 (propano), R-407A y R-744 ( CO 2 ) para refrigeración comercial. [ 54 ] [ 60 ] Estas elecciones reflejaron una serie de compensaciones entre enfoques establecidos, inflamabilidad y PCA reducido. Algunas de estas selecciones tenían un GWP más bajo, pero aún alto, y se consideraron transicionales. [ 3 ] [ 61 ]

Estructura química de HFO-1234yf
La molécula de 2,3,3,3-tetrafluoropropeno (HFO-1234yf), con una vida útil atmosférica de 12 días [ 39 ].

Desde 2011, la Unión Europea comenzó a eliminar gradualmente los refrigerantes con un PCA a 100 años superior a 150 en los sistemas de aire acondicionado de automóviles. La eliminación incluyó el refrigerante HFC-134a (R-134a), que tiene un PCA a 100 años de 1530. [ 62 ] Ese mismo año, la EPA de EE. UU. decidió a favor del refrigerante HFO -1234yf (R-1234yf), seguro para la capa de ozono y el clima, para los vehículos fabricados en EE. UU. [ 63 ] Estas decisiones regulatorias coincidieron con la opinión de la industria automotriz, que en 2010 había recomendado el R-1234yf para los sistemas de aire acondicionado de automóviles. [ 64 ]

El menor GWP del R-1234yf en relación con el R-134a se debe principalmente a su vida útil atmosférica muy corta: 12 días frente a 13,5 años. [ 39 ] Ambas moléculas contienen enlaces carbono-flúor que absorben la radiación térmica, pero el doble enlace de carbono en el R-1234yf permite su rápida descomposición en ácido trifluoroacético . [ 65 ]

La Enmienda de Kigali al Protocolo de Montreal se adoptó en 2016. [ 66 ] [ 67 ] Este acuerdo internacional implementó una reducción gradual en el consumo y la producción de HFC. En 2019, el PNUMA publicó nuevas directrices voluntarias para aires acondicionados y refrigeradores. [ 68 ] En ese momento, los investigadores estimaron que los CFC, HCFC y HFC eran responsables de aproximadamente el 10 % del forzamiento radiativo directo de todos los gases de efecto invernadero antropogénicos de larga duración . [ 69 ]

Estados Unidos ratificó la Enmienda de Kigali el 31 de octubre de 2022. [ 70 ] La Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos ha publicado calendarios de eliminación gradual de los HFC, [ 71 ] con restricciones en el PCG por sector de uso. [ 72 ]

A mediados de la década de 2020, las regulaciones de la UE y EE. UU. sobre HFC dieron como resultado una amplia adopción de algunos refrigerantes de bajo PCA, incluido el R-600a (isobutano) en refrigeración doméstica y el R-1234yf en aplicaciones automotrices. [ 48 ] [ 73 ] [ 74 ] [ 75 ] Para 2022, más del 70 % de los nuevos refrigeradores domésticos de la UE usaban isobutano (R-600a), y para 2025 más del 60 % de los nuevos refrigeradores domésticos de EE. UU. también usaban isobutano. [ 48 ] En 2022, más del 98 % de los nuevos vehículos de EE. UU. y el 99 % de los nuevos vehículos europeos usaban R-1234yf. [ 75 ] En otros sectores de uso, la elección óptima de refrigerante todavía estaba evolucionando a principios de la década de 2020. [ 3 ]

En general, los países en desarrollo siguen plazos de reducción gradual más tardíos que los países desarrollados en virtud de la Enmienda de Kigali. Entre los países en desarrollo más poblados, China, Indonesia, Nigeria y Brasil se comprometieron a reducir el consumo de HFC en un 10 % en 2029 y en un 80 % en 2045, mientras que India aspira a una reducción del 10 % para 2032 y de entre el 80 % y el 85 % para 2047. [ 76 ] [ 77 ] Sin embargo, cada país puede proceder de manera diferente. Por ejemplo, China había adoptado ampliamente los refrigeradores de isobutano mucho antes de la Enmienda de Kigali, [ 78 ] y prohibió los HFC en los refrigeradores nuevos a partir de 2026. [ 79 ]

Seguridad de los refrigerantes, gestión ambiental y recuperación.

Los refrigerantes pueden presentar riesgos tanto directos como indirectos. Dependiendo de su química, pueden ser inflamables, tóxicos o perjudiciales para el medio ambiente debido al agotamiento de la capa de ozono o al efecto invernadero . Para clasificar estos peligros de manera estándar, la norma ASHRAE 34 asigna a cada uno un código de letra-número: las letras "A" o "B" indican toxicidad, mientras que los números del 1 al 3 (con 2L como subclase) indican inflamabilidad. [ 4 ] [ 80 ] Los refrigerantes de clase A1 tienen menor toxicidad y no son inflamables; A2L y A2 tienen menor toxicidad con inflamabilidad reducida y estándar, respectivamente; y los refrigerantes A3 tienen menor toxicidad pero son altamente inflamables. Los refrigerantes de clase B tienen las mismas designaciones de inflamabilidad pero tienen mayor toxicidad; el amoníaco, por ejemplo, es de clase B2L.

Los refrigerantes de baja toxicidad (Clase A) se utilizan a menudo en sistemas abiertos, donde el refrigerante se consume en lugar de recuperarse. Dichos dispositivos incluyen extintores y supresores de incendios que utilizan HCFC o HFC , [ 81 ] [ 82 ] espolvoreadores de gas con HFC-152a o propelentes de hidrocarburos, inhaladores de dosis medida que utilizan propelentes HFC, [ 83 ] y encendedores desechables que contienen el refrigerante A3 isobutano (R-600a). [ 84 ]

Para mitigar los riesgos ambientales, se aplican regulaciones estrictas al manejo de refrigerantes. En Estados Unidos, la Sección 608 de la Ley de Aire Limpio exige la certificación para cualquier persona que realice el mantenimiento o deseche equipos estacionarios, mientras que la Sección 609 se aplica a los técnicos que trabajan en el aire acondicionado de vehículos automotores. [ 85 ] [ 86 ] De manera similar, el Reino Unido exige la calificación C&G 2079 para gases fluorados y que agotan la capa de ozono, y reconoce la C&G 6187-2 para el manejo de hidrocarburos y refrigerantes inflamables. [ 87 ] La ley de Estados Unidos también prohíbe la liberación intencional de la mayoría de los refrigerantes sintéticos, aunque permite la descarga de ciertos refrigerantes naturales, incluidos el amoníaco (R-717), el dióxido de carbono (R-744), el isobutano (R-600a), el propano (R-290) y la mezcla de hidrocarburos HCR-188C (R-441A). [ 88 ]

Para minimizar las emisiones, los refrigerantes usados ​​deben recuperarse durante el servicio o el desmantelamiento. La recuperación de refrigerantes —el procesamiento del refrigerante usado para que cumpla con las especificaciones de pureza del refrigerante virgen— debe realizarse en los Estados Unidos por recuperadores autorizados por la EPA, y la recuperación debe ser manejada por técnicos certificados. [ 89 ]

Rendimiento comparativo de los refrigerantes

ASHRAE [ 14 ] proporciona los siguientes datos de modelo para el rendimiento comparativo de los refrigerantes. Estos valores se calculan por kilovatio de refrigeración con una temperatura del evaporador de −6,7 °C (19,9 °F) y una temperatura del condensador de 30,0 °C (86,0 °F) . Estas temperaturas podrían ser similares a las de un refrigerador doméstico.    

Para la situación específica modelada en esta tabla, se aprecian ciertas ventajas y desventajas en la selección del refrigerante. El dióxido de carbono (Clase A1) presenta, con diferencia, la mayor presión de funcionamiento y también un consumo energético mucho mayor. El amoníaco tiene el menor consumo energético; sin embargo, debido a su toxicidad e incompatibilidad con compresores herméticamente sellados, no es adecuado para uso doméstico. [ 18 ]

El isobutano (Clase A3) tiene la presión más baja y también el segundo menor consumo de energía. El R-32 (Clase A1, pero también un HFC) tiene la segunda presión más alta y un consumo de energía similar al del isobutano. Los refrigerantes con menor presión generalmente requieren compresores de mayor tamaño (es decir, necesitan un cilindro más grande en un compresor alternativo ).

A partir de estos datos, se pueden calcular dos métricas de rendimiento comunes para sistemas de refrigeración, si se desea. El coeficiente de rendimiento (COP), que representa el efecto de refrigeración por unidad de potencia de entrada , es igual a 1  kW/(consumo de energía), ya que la potencia se expresa por cada  kW de refrigeración. De manera similar, la capacidad volumétrica, Q vol (MJ/m³ ) , que representa el efecto de refrigeración por unidad de volumen que entra al compresor , es igual a 1 kW/(desplazamiento del compresor). Un COP más alto implica una mayor eficiencia energética, y un Q vol  más alto implica un sistema de menor tamaño. [ 61 ]

ASHRAE también proporciona datos adicionales para este caso, así como datos para otras condiciones de funcionamiento y refrigerantes adicionales. [ 14 ] Los valores y comparaciones aquí presentados son específicos para este rango de temperatura; el rendimiento de un refrigerante puede mejorar o degradarse en otros rangos de temperatura. [ 36 ]

Características de algunos refrigerantes comunes

Todos los refrigerantes de estas tablas son de clase de seguridad A1 (no tóxicos, no inflamables), salvo que se indique lo contrario. GWP = Potencial de calentamiento global .

Refrigerantes con muy bajo impacto climático.

Refrigerantes HFC de uso generalizado

CFC, HCFC y HFC prohibidos y en proceso de eliminación gradual.

Otros refrigerantes

Clasificación numerada de refrigerantes

El sistema de numeración R, mantenido por ASHRAE e ISO , identifica de forma única los refrigerantes según su composición. [ 107 ] [ 108 ] El sistema se originó para numerar hidrocarburos halogenados, pero también abarca refrigerantes mezclados y refrigerantes inorgánicos.

Foto de cilindros de refrigerante codificados por colores
Cilindros de gas refrigerante desechables, utilizando diferentes colores para diferentes refrigerantes. (Las directrices actuales desaconsejan el uso de cilindros codificados por colores. [ 109 ] )

Sistema de numeración principal

Según la norma ISO: [ 108 ]

Los números de identificación asignados a los hidrocarburos, halocarbonos y éteres de las series metano, etano, eteno, propano, propeno, butano, buteno, ciclobuteno y ciclobutano son tales que la composición química de los compuestos puede determinarse explícitamente a partir de los números de refrigerante...

Para estos refrigerantes, el número R tiene la siguiente forma: R-[prefijo] X 1 X 2 X 3 X 4 [sufijo] , donde

  • X 1 = número de enlaces carbono-carbono insaturados (omitir si es cero),
  • X 2 = número de átomos de carbono menos 1 (omitir si es cero),
  • X 3 = número de átomos de hidrógeno más 1,
  • X 4 = número de átomos de flúor,
  • y se presume que cualquier átomo adicional unido a los átomos de carbono es cloro.

Estas reglas generan la siguiente serie de refrigerantes (donde xx es una abreviatura de X 3 X 4 ): R-xx, la serie del metano ; R-1xx, la serie del etano ; R-2xx, la serie del propano ; R-11xx, la serie del eteno ; y R-12xx, la serie del propeno .

Por ejemplo, R-32 , un número de dos dígitos, tiene X 1 = X 2 = 0, lo que implica un solo átomo de carbono (la serie del metano) con dos átomos de hidrógeno ( X 3 − 1) y dos átomos de flúor ( X 4 = 2), por lo tanto CH 2 F 2 (difluorometano). De manera similar, R-290 tiene X 1 = 0 (sin enlaces carbono-carbono insaturados), tres átomos de carbono ( X 2 + 1), ocho átomos de hidrógeno ( X 3 − 1) y ningún átomo de flúor ( X 4 = 0), por lo que C 3 H 8 (propano).

El prefijo, cuando está presente, es una letra mayúscula "C" para compuestos cíclicos , "E" para compuestos que contienen un grupo éter , o "CE" para compuestos cíclicos con grupos éter.

El sufijo sigue reglas más complejas. Se añaden sufijos en mayúscula para las siguientes características: «B» e «I», junto con un número, indican cuántos átomos de cloro se han sustituido por bromo o yodo; «(E)» denota una molécula trans ; y «(Z)» denota una molécula cis . Las reglas para los sufijos en minúscula dependen de la serie de la molécula.

Como ejemplo de la serie del propeno, el R-1234yf tiene un doble enlace carbono-carbono (X 1 = 1) con tres átomos de carbono ( X 2 + 1 = 3, por lo tanto, una estructura de propeno), dos átomos de hidrógeno ( X 3 − 1 = 2) y cuatro átomos de flúor ( X 4 = 4), con flúor en el carbono central (y) y un grupo metileno (f), que consiste en un átomo de carbono unido mediante doble enlace a otro carbono y dos de los átomos de hidrógeno. Estos detalles definen el 2,3,3,3-tetrafluoropropeno , donde los números separados por comas indican a qué átomo de carbono pertenece cada átomo de flúor.

Series fuera del sistema principal

El número R se asigna según reglas diferentes para refrigerantes mezclados, algunos hidrocarburos y refrigerantes inorgánicos. [ 108 ]

  • R-4xx: mezcla zeotrópica . Se asigna el número xx. Un sufijo en mayúscula (A, B, etc.) distingue las diferentes composiciones de la misma mezcla.
  • R-5xx: mezcla azeotrópica . Se asigna el número xx. Un sufijo en mayúscula (A, B, etc.) distingue las diferentes composiciones de la misma mezcla.
  • R-6xx: hidrocarburos diversos. Para los hidrocarburos saturados con cuatro a ocho átomos de carbono, xx es el número de átomos de carbono menos 4 (por lo que el butano es R-600). Para los demás, se asigna xx. Una letra al final indica isómeros cada vez más asimétricos.
  • R-7xx/R-7xxx: compuestos inorgánicos. Para masas molares < 100, xx representa la masa molar redondeada al entero más cercano. Para masas molares ≥ 100, xxx representa la masa molar redondeada al entero más cercano. Una letra al final distingue los compuestos de igual masa molar.

Prefijos que designan la composición

La norma permite sustituir el prefijo R- por un prefijo que describa los componentes moleculares del refrigerante. Algunos ejemplos son: CFC- para clorofluorocarbonos ; HCFC- para hidroclorofluorocarbonos ; HFC- para hidrofluorocarbonos ; y HFO- para hidrofluoroolefinas . [ 108 ] [ 110 ] Por ejemplo, la hidrofluoroolefina (HFO) R-1234yf también se denomina HFO-1234yf.

Véase también

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