ARTICULO TÉCNICO 3

REFRIGERANTES ALTERNATIVOS, USOS Y APLICACIONES POR : FERNANDO GUTIÉRREZ ANTOLIN de C.S.F. (GRUPO HDF) INGENIERO TÉCNICO INDUSTIAL

1. INTRODUCCIÓN: En 1928, en el Departamento de Investigación de General Motor, buscando un refrigerante seguro (no inflamable, de baja toxicidad), para aplicaciones del A/A del automóvil, se descubrió el CFC-12. Como en aquellos entonces, Du Pont era propietario de una gran cantidad de acciones de la Compañía y, además, una empresa de importante capacidad en la Industria Química, tuvo la oportunidad de desarrollar comercialmente (1931) el primer refrigerante halocarbonado totalmente halógeno (CFC-12), con el nombre comercial de Freon, razón por la cual, durante muchos años sólo ha existido este producto, y en el mundo de la refrigeración ha utilizado esta nomenclatura de forma genérica.

También fue Du Pont quien desarrolló otros productos halogenados como el HCFC-22 (1936) o azeotropos, como el R-502 para bajar la Tª de descarga cuando el R-22 evapora a baja Tª, etc. hasta incluso algunos HFC como el R-152a para usar con R-12 como azeotrópico y mejorar la capacidad frigorífica del R-12.

Estos refrigerantes posteriormente se han fabricado por otros 18 productores de la industria química con otros nombres comerciales, como FORANE, KALTRON, FRIGEN, etc. durante 60 años aproximadamente y con otros usos además de cómo refrigerante, como: “agentes para la espuma de poliuretanos”, “agentes de limpieza” y “agentes para la Industria de Aerosoles”, “agentes para extinción de incendios”, etc.

Todo ello, hasta que Ronald & Molina (dos científicos americanos) se plantearon que, dada la estabilidad de los refrigerantes halogenados, cuando se escapan a la atmósfera, podrían tardar mucho tiempo en combinarse con otros productos y, por tanto, destruirse su propia molécula, con lo que pensaron que podrían subir a la estratosfera y crear algún problema medioambiental, reaccionando con la molécula del O3 (Ozono) que sirve de filtro de los rayos ultravioletas del sol Tipo B que nos protegen la vida en La Tierra.

Después de una investigación científica y profunda al respecto y demostrado este posible desastre ecológico, los países desarrollados a nivel mundial, llegaron a un consenso que se llamó “Protocolo de Montreal”(1987), para eliminar los refrigerantes que contienen Cloro, cuyos átomos reaccionan negativamente para destruir el O3. La propuesta inicial fue eliminar al menos el 50% del CFC que se fabricaba entonces para las distintas aplicaciones de la Industria, antes del año 2000.

La Investigación y desarrollo de la Industria Química de los primeros productos como refrigerantes y otra vez Du Pont a la cabeza en este trabajo y de otros productores con capacidad de I+D, han sido capaces de encontrar soluciones alternativas para salir de todas las aplicaciones de CFC’s y HCFC’s, es decir, aquellos que contienen cloro, los políticos de los Países Desarrollados, han ido reduciendo la producción de dichos sustancias, de forma que hoy, es posible disponer de soluciones alternativas con productos HFC’s (sin Cloro) para las aplicaciones de la Refrigeración y el A/A, así como para otras aplicaciones de la espuma, limpieza, aerosoles y extinción de incendios con otros productos sustitutos.

Los países llamados “del Artículo 5º en el Protocolo de Montreal”, es decir, los países NO desarrollados o en vías de desarrollo, se van adaptando paulatinamente con el tiempo, para salir también de los productos con Cloro, ayudados por los Países desarrollados que firmaron el Protocolo y por la propia inercia de la fabricación de componentes cada día más disponibles con los refrigerantes alternativos y menos disponibles para uso de CFC’s.

Otro concepto global que afecta al medioambiente que no podemos pasar por alto, es el Calentamiento Global o Efecto Invernadero, cuyo valor total TEWI es importante para evitar posibles deshielos de los polos, que dificultarían la vida en La Tierra, ya que el aumento de la Tª aumentaría el nivel del mar.

2. ELECCIÓN DE UN REFRIGERANTE: Como consecuencia del preámbulo establecido hay que tener en cuenta 3 factores primordiales:

2.1. SEGURIDAD 2.2. NO ATACAR A LA CAPA DE OZONO (motivo principal del cambio) 2.3. EFICIENCIA ENERGÉTICA para afectar lo menos posible el aumento de Tª en la Tierrra.

Por lo que el esquema sería el siguiente:

FACTORES A OPTIMIZAR

TOXICIDAD

INFLAMABILIDAD

OZONO ESTRATOSFÉRICO

OZONO TROPOSFÉRICO

DEGRADAC IÓN DE PRODUCTOS

CALENTAMIENTO GLOBAL

PROPIEDADES FÍSICAS

EFICIENCIA ENERGÉTICA

COMP. DE MATERIALES

ECONOMÍA

2.1. SEGURIDAD: Desarrollados en la teoría termodinámica los productos posibles que cumplan los factores de optimización y una vez realizadas las pruebas pertinentes relativas a la seguridad, o sea “toxicidad e inflamabilidad”

ASHRAE los clasifica de acuerdo con la figura siguiente:

INFLAMABILIDAD MÁS ALTA

A3

B3

INFLAMABILIDAD BAJA

A2

B2

NO PROPAGA LA LLAMA

A1

B1

TOXICIDAD BAJA

TOXICIDAD ALTA

Se desprende que la mejor clasificación de un producto es A1, cuando la clasificación fuese del tipo B en toxicidad ó 2 en inflamabilidad, habría que tener en cuenta factores de corrección y medidas especiales para su uso, es el caso del AMONIACO cuya clasificación es B2. Como ejemplo la clasificación, un producto como el BUTANO-PROPANO estaría como A3 en cuyo caso las medidas de seguridad serían especialmente encaminadas a la inflamabilidad. Todos los refrigerantes tradicionales halocarbonados y los alternativos son del tipo A1. Cuando se trata de mezclas cuya composición del producto puede variar (al no ser azeotropos) deberá ponerse la clasificación de la composición original seguida de una BARRA y la clasificación de la composición mas desfavorable o sea A1/A1 que tienen prácticamente la totalidad de los productos alternativos elegidos para el futuro como el R-404A, R-407C y R-410A.

Una vez validada la seguridad, se procede a dar número como R- seguido de números, para los productos puros, se aplicará lo siguiente :

REGLA PRACTICA SIMPLIFICADA PARA PRODUCTOS PUROS:

C H F (CARBONO) (HIDRÓGENO) (FLUOR) _____________________________________________ Nº DESPUÉS DE R SUMAR

9 0 ← ______________________________________________ Nº DE ATOMOS DE CADA Y LO QUE FALTE SE PONE CLORO

Por ejemplo: R-12

CHF + 12 __ 9 0__ 102

1 ATOMO DE CARBONO 0 ATOMO DE HIDROGENO 2 ATOMO DE FLUOR

⇒

F ⏐

Si se compone la molécula, en las valencias que faltan se colocan átomos de cloro

Otro ejemplo: R-134a

CHF + 13 4 ____9 0__ 22 4

o sea

⇒

2 ATOMOS DE CARBONO 2 ATOMOS DE H 4 ATOMOS DE FLUOR

F

F

⎜

⎜

F ⎯ C ⎯⎯ C ⎯ H ⎜ ⎜ F H

CL ⎯ C ⎯ F ⏐ CL

En este caso si fuera la molécula completamente simétrica sería el R-134 solamente para molécula simétrica, con un tipo de asimetría se coloca a (minúscula) y con otro tipo de asimetría b (minúscula). Para los refrigerantes mezclas hay 2 clasificaciones, la serie R-500 para las AZEOTROPICAS y la serie R-400 para la no azeotropica (ó zeotrópicos). Como es lógico en las últimas pueden existir diferente composición y por ese motivo habría que añadir una letra A,B,C,.... (mayúscula) en función de su composición; por ejemplo R-404R, R-407C, R-410A, etc. Los Azeotropos, por tanto, según se desarrollan se coloca un nº y punto, por ejemplo R-500, R-502, R-503, R-507, etc., sin letras.

2.3. EFECTO INVERNADERO. DIRECTO: El que realiza la molécula directa en sí misma cuando se escapa a la atmósfera inferior y es capaz de absorber directamente el calor de la Tierra. INDIRECTO: Los que realiza el CO2 producido en Centrales Térmicas al quemar combustibles fósiles (petróleo, carbón) para producir energía eléctrica para el frigorífico. TEWI: la suma del directo más el indirecto.

IMPACTO TOTAL EQUIVALENTE SOBRE EL CALENTAMIENTO Aislante: 1% Agente Frigorífico: 1% CO2 de la Producción De Electricidad: 98%

Congelador doméstico ó Equipo de A/A

CO2

Central Eléctrica

Nubes y diusión en la atmósfera Radiación Ultravioleta Visible e Infrarroja

Absorción Directa Efecto Neto: Calentamiento

Radiación absorbida Por la Tierra

Absorción por los gases invernadero CO2 H2O CF C CH4 N2O Radiación reflejada Por la Tierra (infrarroja)

Este efecto obligará a optimizar productos de la mayor eficiencia energética para minimizar el consumo eléctrico producido en CENTRALES que a su vez precisen quemar combustibles fósiles y que a su vez produzcan CO2 (gases de alto efecto invernadero).

2.4. TIPOS DE PRODUCTOS A EMPLEAR:

• • •

- Hidrocarburos: propano, butano. - Refrigerantes Inorgánicos: CO2, SO2, NH3, CICH3 - Refrigerantes Halocarbonados: CFC: Cloro-Fluoro-Carbonos: Cl2F2C- R-12 HCFC: Hidro-Cloro-Fluoro-Carbonos: HClF2C- R-22 HFC: Hidro-Fluoro-Carbonos: HF3C- R-23

2.5. CLASIFICACIÓN SEGÚN SU CONTENIDO EN CLORO Y ESTABILIDAD:

Tipo de Producto

Ejemplo

Composición

Contenido en Cloro

Estabilidad en la atmósfera

CFC

R-12

Cl2F2C

Alto

Mucha

HCFC

R-22

HClF2C

Medio

Media

HFC

R-23

HF3C

Nulo

Baja

3. REFRIGERANTES ALTERNATIVOS, USOS Y APLICACIONES:

3.1. REFRIGERANTES PARA NUEVOS EQUIPOS: Optimizando el refrigerante a elegir, según la recomendación expuesta en este trabajo resumen, podremos observar que el aumento de la presión de trabajo mejora la capacidad frigorífica(menor afectación al calentamiento global o efecto invernadero), reduciendo el tamaño de los equipos, por lo que la tendencia se puede observar en la siguiente figura.

R-11

R-12 R-500

R-134a

R-22 R-502

R-404A R-407C

Mayor Presión de Trabajo

R-410A

Las aplicaciones generalizadas quedan reducidas a:

MEDIA PRESIÓN DE TRABAJO.---------------PRODUCTO: R-134a.

Producto puro de la química, no inflamable, poco tóxico, de capacidad Frigorífica, COP y Tª y presión de descarga similar al R-12, siempre que se evapora por encima de –10ºC, sus aplicaciones son reducidas a: -

Aire Acondicionado del automóvil.

-

Aire Acondicionado en grandes máquinas con sistemas de turbo-compresión-

-

Frío comercial/doméstico en pequeñas capacidades y aplicación en la conservación de productos frescos.

ALTA PRESIÓN DE TRABAJO.(Hasta 25 bar) -----------PRODUCTO: R-407C

Refrigerante equivalente al R-22 en aplicaciones de A/A. Mezcla no azeotrópica de productos puros HFC. No es el producto para el futuro en aplicaciones de A/A, si bien servirá para dos cosas:

A) Llevar a la obsolescencia los equipos de A/A que contienen R-22 hoy, simplemente limpiando los circuitos de residuos de aceite mineral o alquilbenzénico. B) Construir equipos, hoy del tipo HFC, sin Cloro, con la Tecnología disponible de compresión, mientras se desarrolla la fabricación de componentes para usar otro refrigerante de mayor presión de trabajo como el R-410-A. En ningún caso podrá servir para sustituir máquinas de sistemas de turbo-compresión que hoy utilicen R-22, ya que es una mezcla y el sistema de compresión no lo permite.

(Hasta 40 bar) -------------PRODUCTO: R-410A.

Es el refrigerante destinado a sustituir las aplicaciones en general del A/A. Su tecnología de compresión y sus componentes están desarrollados hoy para equipos domésticos y están en fase de

desarrollo para equipos de mayores potencias. Hay grandes máquinas que soportan más alta presión hoy. Pueden, y de hecho la utilizan, siempre con compresión del tipo alternativo o rotativo.

El R-410A: es un producto mezcla prácticamente azeotrópico (muy cerca) con mayor presión de trabajo que el R-22 y permite mejorar el COP, la capacidad frigorífica, con buenos resultados de Tª de descarga y presión de descarga y reducir el tamaño de los equipos.

EL R-404A: es un producto destinado a la refrigeración (casia azeotrópico) como estándar (mezcla de HFC). Es lo más parecido al R-502. Sirve para la media y baja Tª de evaporación dentro de la refrigeración comercial, en un hipermercado, por ejemplo, como se ha venido empleando en los últimos 20 años.

Una alternativa que se ha apreciado paralela en la Industria ha sido el R-507 durante los últimos 5 años. La Industria quiere sólo 1 producto para la aplicación de la refrigeración y ha elegido como estándar el R-404 A. No hay diferencias apreciables de un producto a otro, donde se aplica uno se puede aplicar el otro, sin ningún problema práctico, pero la ESTANDARIZACION, prima a favor del R-404A

Concepto

R-22

Suva*407C

Suva*410A

Capacidad Frigorífica(R-22=1.0)

1.00

1.00

1.45

Coeficiente de Prestaciones(COP)

6.43

6.27

6.07

Relación de Compresión

2.66

2.83

2.62

Tª de Descarga del Compresor (ºC)

77.3

75.1

74.6

Presión de Descarga(kPa abs)

1662

1763

2612

0

4.9

0

Deslizamiento de Tª(ºC)

* Cuadro comparativo de refrigerantes para el A/A. El R-407C es transitorio hasta disponer de todos los componentes para aplicar el R-410A

5.2. EQUIPOS EXISTENTES.

Producto HFC L/P Nuevos Equipos

Sustituye a

Baja

NO HABRÁ APLICACIONES EN EL FUTURO

R-11

R-123 Cuestionado en Europa por alta toxicidad. Requiere alta seguridad. Sólo empleado en USA actualmente.

Media

R-134a

R-12 Ó R-500

R-401A Media Tª Evaporación. R-401B Baja Tª Evaporación. R-413A Todas. DI-36 Sin Clasificar por ASRHAE. R-409A.

Alta

R-404A

R-22 R-502 REFRIGERACIÓN

Presión

R-507 R-407C

R-22 A/ACONDICIONADO

Refrigerantes equivalentes, compatibles en miscibilidad/Solubilidad con aceites MO para sustituciones casi tal cual en existentes que funcionen con CFC/HCFC

R-402B Media Tª Evaporación R-402A Baja Tª Evaporación R-403B Baja Tª Evaporación R-408A Todas. R-408B Todas. DI-44 Sin Clasificar por ASRHAE. R-417A Asumido por un solo fabricante.

R-407C Precisa limpieza de Res. Aceites minerales. Más Alta

R-410A

NO EXISTEN APLICACIONES

Muy Alta

R-23 R-508B

R-13 R-503

No se precisa la sustitución. R-23 R-503

Precisan Limpieza de res. Aceites minerales.

Se puede observar en este esquema que hay solución para la continuidad de los equipos que hoy utilizan refrigerantes halogenados con contenido en Cloro, con otras tantas soluciones, a saber: 1. LIMPIAR residuos de aceite mineral o alquilbenzénico y disponer el producto equivalente del HFC destinado a nuevos equipos, así como carga de aceite POE. Esta solución ha sido empleada por países como Suecia, Holanda... saliendo completamente de los productos con Cloro, (sin utilizar HCFC’s. 2. La Industria Química ha desarrollado Refrigerantes de Servicio, para intentar ganar con sus patentes diferentes soluciones para que con un droping

casi/casi tal cual, se

disponga un refrigerante equivalente, mezclas de HCFC/HFC e hidrocarburos. Esta solución ha sido más usada, pero supone un maremagnum total para la identificación de productos y el propio mantenimiento de los equipos existentes.

Especialmente preocupa la continuidad de los equipos que utilizan R-22 con aceite MO/AB, hoy, para llevarlos a la obsolencia cuando este falte, para ello seguimos teniendo las 2 soluciones anteriormente expuestas:

A) Limpiar de aceites y colocar R-407C con aceite POE B) Utilizar R-417 A (producto solo por un fabricante)

La recomendación sería eliminar alternativos y usar el menor nº de productos posibles, para evitar el problema que ya sucedió en la sustitución de los CFC’s y en cualquier caso, será el mercado y la disponibilidad de los productos quién decantará las mejores soluciones.

Gracias por la Atención y Lectura.