Clasificación de los Refrigerantes

La norma 34 de la American Society of Refirgetaring Engineers clasifica a los refrigerantes en varios grupos. Los más importantes de estos grupos son los hidrocarburos halogenados, hidrocarburos, compuestos inorgánicos, sustancias orgánicas no saturadas, mezclas zeotrópicas y mezclas azeotrópicas.

Hidrocarburos halogenadosEl grupo de los hidrocarburos halogenados comprende refrigerantes que contienen uno o más de los tres halógenos: flúor, cloro y bromo. En este grupo aparecen los populares Refrigerantes 12 y Refrigerante 22. Estos hidrocarburos fluorados fueron desarrollados en 1928 por investigaciones estimuladas por Charles Kettering y el Dr. Thomas Migley de General Motors Corporation. La organización de fabricación se llamaba Kinetic Chemical Company, que es ahora la Freon Products Division de du Pont. A los diecisiete años, las patentes expiraron, y otros fabricantes comenzaron a producir hidrocarburos fluorados.

Tabla 1. Refrigerantes hidrocarburos halogenados

Designación numérica Nombre químico Fórmula química11 Tricloromonofluormetano CCl3F12 Diclorodifluormetano CCl2F2

13 Monoclorotrifluormetano CClF3

22 Monoclorodifluormetano CHClF2

30 Cloruro de metileno CH2Cl2

40 Cloruro de metilo CH3Cl113 Triclorotrifluoretano CCl2FCClF2

114 Diclorotetrafluoretano CClF2CClF2

114a Diclorotetrafluoretano CCl2FCF3

134a Tetrafluoroetano CH2FCF3

152a Difluoretano CH3CHF2

Los hidrocarburos halogenados o halocarburos constituyen el grupo de refrigerantes más ampliamente usados, se usa asimismo el nombre de fluorocarburos, pues casi todos contienen flúor.Los halocarburos tienen por lo general características muy convenientes. Tienen baja toxicidad, no son inflamables, y tienen muy buena estabilidad química. Se dispone de una amplia variedad, con diferentes características de presión y temperatura, y de puntos de ebullición, de manera que es posible hallar un halocarburo particular para prácticamente cualquier aplicación. No obstante, si bien no son tóxicos en circunstancias normales, las temperaturas muy altas (directamente de la flama) pueden causar su descomposición, lo que produce gases tóxicos.Los refrigerantes R-12, R-22 y R-502 se utilizan ampliamente en los sistemas de compresores reciprocantes, tanto para las aplicaciones de aire acondicionado como de refrigeración comercial. Sus características de presión y temperatura a las condiciones

típicas de evaporación y condensación, junto con su bajo volumen específico, los hacen adecuados para adaptarse a las características de los compresores reciprocantes.El R-22 tiene un volumen específico más bajo y un mayor calor latente de vaporización que el R-12, a la misma temperatura de evaporización. Por consiguiente, la utilización de R-22 a veces permite hacer uso de un compresor de menor tamaño, que si se utiliza el R-12, para obtener la misma capacidad de refrigeración. No obstante, el R-22 generalmente no es recomendable para utilizarse a bajas temperaturas comerciales. Sus características son tales que la presión y temperatura de descarga son por lo común, excesivas.El R-11, R-113 y R-114 son refrigerantes halocarburos con un alto volumen específico, por esta razón, son apropiados para usarse en los compresores centrífugos de refrigeración, que son inherentemente dispositivos de una elevada capacidad volumétrica. No obstante, en el caso de sistemas centrífugos de gran capacidad, se utilizan refrigerantes cuyo volumen específico es más bajo, como el R-12, para mantener razonablemente pequeño el tamaño del compresor.

CFCEstos refrigerantes son compuestos de cloro, flúor y carbono y son llamados cloroflorocarbonos (CFC).Estos refrigerantes son de baja toxicidad, no corrosivos y compatibles con otros materiales. No son inflamables ni explosivos, pero en grandes cantidades no deben ser liberados donde halla fuego o elemento de calentamiento eléctrico. El calentamiento puede hacer que ellos se descompongan en sus elementos internos causando afecciones al tejido humano. Son particularmente dañinos para el sistema respiratorio. Los refrigerantes CFC más comunes son R-11, R-12, R-113, R-114 y R-115.Se piensa que los CFC son uno de los mayores causantes de la destrucción de la capa de ozono. Por acuerdo internacional, no deben ser manufacturados desde 1995. Sin embargo todavía son ampliamente usados en las unidades residenciales existentes.Debido a las prohibiciones de ley para la liberación de CFC a la atmósfera, han sido desarrollados nuevos procedimientos y equipos. Estos son usados para recuperar, reciclar, y descomponer los refrigerantes que contengan CFC.

HCFCLos hidrocloroflorocarbonos son moléculas compuestas de metano o etano en combinación con halógenos. Esto forma una nueva molécula que es considerada halogenada parcialmente los HCFC tienen vida corta y causan menor daño al ozono que los que son completamente halogenados por consiguiente, tienen reducido potencial para el calentamiento global. Los HCFC tales como el R-22 y el R-123 son considerados refrigerantes interinos. Son usados hasta que se dispongan su reemplazo. La E.P.A requiere la eliminación de los HCFC para el año 2030.

HFCLos hidroflorocarbonos HFC incluyen refrigerantes como el R-134a y el R-124. Estos son diferentes de los cloflororocarbonos. Ellos contienen uno o más átomos de

hidrógeno y no tienen átomos de cloro. Los HFC son considerados con cero potencial de daño a la capa de ozono. Tienen únicamente un ligero efecto en el calentamiento global.El R-134a es usado típicamente en los sistemas nuevos los cuales son específicamente diseñados para su uso, el concepto de que el R-134a es un fácil reemplazo para el R-12 no es correcto. Cuando se use el R-134a en la recarga a un sistema numerosos ítems deben ser considerados.Los refrigerantes R-134a no deben mezclarse con aceites minerales o lubricantes con alcalilbenceno. Deben usarse aceites sintéticos para la lubricación de hidroflorocarbonos; los aceites existentes dentro del sistema deben ser reemplazados. Para remover el R-12 es necesario el uso de unidades adecuadas. Hay también un número de otros factores a ser considerados esto incluye comportamiento del sistema, cambios en los accesorios, materiales existentes y compatibilidad con los lubricantes antes de hacer los cambios en un sistema.

HidrocarburosAlgunos hidrocarburos se utilizan como refrigerantes, especialmente para uso en las industrias del petróleo y petroquímica, debido en parte a su disponibilidad.

Tabla 2. Hidrocarburos Refrigerantes

Designación numérica Nombre químico Fórmula empírica50 Metano CH4

170 Etano CH3CH3

290 Propano CH3CH2CH3

600 Butano CH3CH2CH2CH3

600a Isobutano CH(CH3)3

Estos compuestos son muy inflamables y explosivos, lo que limita en extremo su utilización.

Compuestos inorgánicosMuchos de los primitivos refrigerantes eran compuestos inorgánicos, algunos de los cuales siguen todavía utilizándose.

Tabla 3. Refrigerantes inorgánicos

Designación numérica Nombre químico Fórmula empírica702 Hidrógeno H2

704 Helio He717 Amoniaco NH3

718 Agua H2O720 Neón Ne728 Nitrógeno N2

729 Aire732 Oxígeno O2

744 Anhídrido carbónico CO2

764 Anhídrido sulfuroso SO2

El amoniaco es una sustancia tóxica y a ciertas concentraciones, explosivo, lo que excluye su utilización en muchas aplicaciones. Se utiliza, con restricciones apropiadas, en la refrigeración de almacenes, fabricación de hielo, y en aplicaciones industriales. El amoniaco tiene un bajo volumen específico y un alto calor latente de vaporización en relación con los halocarburos, lo que puede resultar en la utilización de equipos de menor tamaño, en comparación con otros refrigerantes, además el amoniaco es mucho menos costoso. Estos factores de energía y costos, pueden resultar significativos en los sistemas de gran capacidad, pero la elevada temperatura de de descarga del amoniaco obliga a enfriar el compresor con agua, a fin de evitar problemas de lubricación y contaminación.Las características del agua como son su disponibilidad, seguridad y costo, hacen ideal su utilización en los sistemas. Sus presiones muy bajas a las temperaturas adecuadas de evaporización, dan por resultado presiones extremadamente bajas en los sistemas, dando origen a problemas de filtración de aire hacia el interior del sistema. Por supuesto que el uso del agua como refrigerantes está limitado a las temperaturas de evaporización por arriba de su punto de congelación, 0°C.El agua no resulta apropiada como refrigerante en los sistemas de compresión de vapor. Su presencia haría extremadamente difícil de impedir la corrosión. Además, su volumen específico extremadamente elevado, como vapor, obligaría a utilizar equipos de un tamaño excesivo.

Sustancias orgánicas no saturadasDos refrigerantes raramente utilizados son compuestos orgánicos no saturados: Refrigerante 1150, etileno y Refrigerante1270, propileno.

Mezclas ZeotrópicasSe 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". 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.

Tabla 4. Mezclas Zeotrópicas Refrigerantes

Designación numérica Composición400 R-12/114 (60/40)401a R-22/152a/124 (53/13/34)401b R-22/152a/124 (61/11/28)402a R-22/125/290 (38/60/2)402b R-22/125/290 (60/38/2)404a R-125/143a/134a (44/52/4)407a R-32/125/134a (20/40/40)407b R-32/125/134A (10/70/20)407c R-32/125/134a (23/25/52)408a R-125/143a/22 (7/46/47)409a R-22/124/142b (60/25/15)410a R-32/125 (50/50)

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

Tabla 5. Mezclas Azeotrópicas Refrigerantes

Designación numérica Composición500 R-12/152a (73.8/26.2)502 R22/115 (48.8/51.2)503 R-223/13 (40.1/59.9)507 R-125/143a (50/50)

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".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. En la anterior 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 defasamiento para el año 2030 o antes.Algunos fabricantes de refrigerantes se han adelantado al defasamiento, 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.

Impacto Ambiental por el uso de Refrigerantes¿Cómo es que los CFCs, tan valiosos por su estabilidad, pueden ser responsables de la destrucción generalidad del ozono estratosférico? La primera voz de alerta provino de un trabajo publicado en 1974 por los científicos Sh. Rowland y M. Molina de la Universidad de California, quienes pusieron de manifiesto que los clorofluorcarbonos (CFC) usados en refrigeración, aire acondicionado y fabricación de espumas plásticas, eran los responsables de la rápida destrucción de ozono. Los CFCs son virtualmente indestructibles en la troposfera (cerca del suelo) y por eso difunden muy lentamente a la estratosfera pueden ser degradados por la radiación ultravioleta en átomos de cloro libres y diversos radicales.

El 98% de la luz Ultravioleta del sol se absorbe a través de la formación y destrucción del ozono atmosférico. El cambio global entre ozono y oxígeno es del orden de 300 millones de toneladas por día.

Las reacciones anteriores ocurren en la estratósfera, zona de la atmósfera donde se encuentra la mayor concentración de ozono y que es frecuentemente denominada ozonosfera.

Efecto de los CFCs (R-11) sobre el ozono estratosférico.

Muchos años han pasado y trabajos realizados con posterioridad han confirmado y aportado nuevas evidencias sobre el rol de los átomos cloro y bromo en la secuencia de reacción química que destruye el ozono.Para resumir, el mecanismo de reacción se puede esquematizar de la siguiente manera:1) Los CFC y halones (CFBr) son compuestos muy estables (pueden tener una vida media mayor de cien años). Por lo tanto, cuando son liberados a la atmósfera, no son degradados y alcanzan la estratósfera.2) Es en este lugar donde son irradiados por la luz UV y se descomponen rápidamente para liberar átomos de Cloro (o Bromo), los cuales comienzan una cadena de reacciones fotoquímicas que interfieren con el ozono estratosférico, teniendo como consecuencia la destrucción de este último.Se ha estimado que por cada Cl se degradan 100 millones de moléculas de ozono, que son removidas de la atmósfera en prejuicio de la vida en la tierra

El agujero de ozono del año 2000 ha sido uno de los más intensos que hasta ahora se ha registrado, alcanzó los 28 millones de Km2, tomada por la NASA el 9/09/2000, los colores azules más intensos representan las mayores reducciones de ozono

Para evaluar el impacto que tienen sobre el ozono los CFCs, halones y productos similares se introdujo una nueva magnitud: el Potencial Destructor del Ozono (ODP). Se ha determinado en relación con el R-12, al que se ha dado arbitrariamente el valor de la unidad.

Compuesto ODP Tiempo de vida (años)R-12 1.0 120R-114 1.0 180R-11 0.9 65R-113 0.8 90R-115 0.6 380R-22 0.055 15.8

R-225ca 0.025 2.8R-123 0.02 1.7R-134a 0.00 15.6

BIBLIOGRAFIA

Refrigerantes y su impacto ambiental.http://webdelprofesor.ula.ve/ciencias/ricardo/PDF/Refrigerantes%20y%20su%20Impacto%20Ambiental.pdf. Universidad de Los Andes. Colombia. Ricardo Contreras. Fecha de consulta: 6/12/10

Clasificación de los gases refrigerantes. http://www.caloryfrio.com/archivos-cyf/pdf/saberhacer/gasesrefrigerantes.PDF. Fecha de consulta: 6/12/10

Clasificación de los refrigerantes. http://www.valycontrol.com.mx/mt/mt_cap_12.pdf. Refrigerantes. Fecha de consulta: 6/12/10

Impacto ambiental de los refrigerantes.http://www.embraco.com.br/portugue/produtos/informativos_pdf/93652.pdf. Refrigerantes Hidrocarbonos. Embraco Informativo Técnico. Febrero del 2009.Fecha de consulta: 6/12/10

La capa de ozono y los CFC.http://www.profesorenlinea.cl/Quimica/Ozono_y_CFC.htm. Ozono y clorofluorocarbonos (CFC). Fecha de consulta: 6/12/10