Índice

Prólogo

Capítulo 1

Métodos frigoríficos

1. Introducción

2. Ciclos termodinámicos

2.1 Introducción

2.2 Coeficiente de eficiencia de una refrigeración

3. Principios de refrigeración

4. Métodos frigoríficos

4.1 Introducción

4.2 El ciclo de compresión de vapor

4.2.1 Introducción

4.2.2 Compresores

4.2.3 Condensadores

4.2.4 Depósito y sistemas de expansión

4.2.5 Evaporadores

4.3 Ciclos de absorción

4.4 Ciclos de gas

4.5 Refrigeración termoeléctrica

Capítulo 2

Refrigerantes. Conceptos fundamentales

1. Introducción

2. Resumen histórico

2.1 Introducción

2.2 Los clásicos

2.3 La irrupción de Molina y Rowland

3. Clasificación

3.1 Introducción

3.2 Derivados halogenados saturados

3.3 Derivados halogenados insaturados

3.4 Mezclas zeotrópicas

3.5 Mezclas azeotrópicas

3.6 Hidrocarburos saturados

3.7 Hidrocarburos insaturados

3.8 Compuestos orgánicos no alquílicos

3.9 Compuestos inorgánicos

4. Identificación

4.1 Introducción

4.2 Standard 34 de ASHRAE

Capítulo 3

Propiedades de los refrigerantes

1. Introducción

2. Clasificación

2.1 Propiedades físicas

2.2 Propiedades químicas

2.2.1 Inflamabilidad

2.2.2 Toxicidad

2.2.3 Seguridad

2.2.4 Compatibilidad con la carga

2.2.5 Compatibilidad con los materiales

2.2.6 Compatibilidad con el aceite

2.2.7 Estabilidad

2.3 Propiedades termodinámicas

2.3.1 Introducción

2.3.2 Estados de un fluido frigorífico en un ciclo de compresión de vapor

2.4 Propiedades medioambientales

2.4.1 La capa de ozono

2.4.2 La radiación ultravioleta

2.4.3 El efecto invernadero

2.4.4 Índices relacionados con el medio ambiente

3. Normativa relativa al calendario de regulación de los refrigerantes

4. Base de datos

Capítulo 4

Aceites refrigerantes

1. Introducción

2. Clasificación

3. Propiedades

3.1 Introducción

3.2 Viscosidad

3.3 Punto de congelación

3.4 Carbonización

3.5 Floculación

3.6 Acidez

3.7 Rigidez dieléctrica

3.8 Punto de inflamación y punto de combustión

3.9 Estabilidad a la oxidación

3.10 Tendencia a la corrosión

3.11 Contenido de humedad

3.12 Color

4. Especificaciones

5. Propiedades de circulación

6. Manipulación, carga y extracción

Capítulo 5

Carga de refrigeración

1. Introducción

2. Tipos de carga

3. Procedimiento

3.1 Introducción

3.2 Aparatos de medida

3.3 Pasos a seguir

3.3.1 Introducción

3.3.2 Fase vapor

3.3.3 Fase líquida

4. Determinación y ajuste de la cantidad de refrigerante

Capítulo 6

Sustitución de refrigerantes

1. Introducción

2. Posibilidades de sustitución

3. Condiciones de sustitución

4. Aspectos técnicos de la sustitución

5. Algunos casos particulares

Capítulo 7

Almacenamiento; gestión de residuos

1. Introducción

2. Almacenes

3. Recuperación, reutilización y eliminación

Capítulo 8

Normativa

1. Introducción

2. Protocolo de Montreal

3. Protocolo de Kioto

4. Normativa europea

Capítulo 9

Seguridad

1. Introducción

2. Seguridad en la manipulación

3. Protección personal

4. Medidas inmediatas de auxilio en caso de daños

4.1 Introducción

4.2 Medidas generales secundarias

4.3 Daños oculares

4.4 Daños cutáneos

4.5 Ingestión de líquido

Capítulo 10

Aspectos prácticos

1. Introducción

2. Contaminantes

2.1 Tipos de contaminantes

2.2 El agua

2.3 El aire

2.4 Productos de oxidación

2.5 Partículas sólidas

2.6 Exceso de aceite refrigerante

3. Fugas de refrigerante

3.1 Introducción

3.2 Síntomas

3.3 Detección de fugas

4. Soldaduras

4.1 Introducción

4.2 Manipulación de la tubería

4.3 Gases inertes

4.4 Decapantes

4.5 Aplicación de calor

4.6 Soldadura propiamente dicha

Capítulo 11

Un refrigerante especial: el amoníaco

1. Introducción

2. Ventajas e inconvenientes del amoníaco

3. Fugas

4. Inflamabilidad

5. Efectos fisiológicos

6. Tratamientos inmediatos

7. Algunas características de los instalaciones frigoríficas que utilizan amoníaco

8. Conclusiones

Anexos

Anexo I - Propiedades físicas de algunos refrigerantes

Anexo II - Propiedades termodinámicas de algunos refrigerantes

Anexo III - Diagramas termodinámicos de algunos refrigerantes

Anexo - Normativas y disposiciones

Bibliografía

PRÓLOGO

La refrigeración constituye uno de los campos más apasionantes del panorama técnico actual. No se trata de una parcela cerrada sino que está en continua evolución con aparición de nuevas propuestas que enriquecen el acervo técnico industrial. Y los fluidos frigoríficos no son ajenos a este efervescencia. En el panorama actual existen dos hechos fundamentales que no se tenían en cuenta solo unas décadas atrás: el efecto de algunos gases sobre la capa de ozono y el efecto de los mismos u otros sobre el calentamiento global por el efecto invernadero. La comunidad internacional ha hecho propuestas para paliar estos efectos y los estados las han puesto en práctica con más o menos rigor. Así por ejemplo podemos decir que a partir del 31 de siembre del 2010 ya no se pueden utilizar HCFC puros sino solamente reciclados o regenerados. A partir del 2015 ya no podrán utilizarse ningún tipo de HCFC. Los CFC, mucho más dañinos para la capa de ozono, ya hace años que están totalmente prohibidos. Así pues hemos asistido a la jubilación de algunos refrigerantes que han acompañado la vida de muchos frigoristas como es el caso del R-12 y estamos próximos a despedirnos definitivamente del R-22. Es evidente que estos gases se han tenido que sustituir por otros. Las grandes corporaciones relacionadas con este tipo de productos han tenido que proponer y sacar al mercado sustancias sustitutas que años atrás nadie pensaría que se llegarían a utilizar como refrigerantes.

Este libro no tiene vocación de manual enciclopédico. Ni el contenido ni la extensión permiten utilizar este calificativo. Se trata de un libro sencillo pero riguroso concebido como una herramienta de estudio para proporcionar una información general, extensa, pero general, del tema que nos ocupa.

Dado que los refrigerantes son productos químicos cuyo manejo puede entrañar riesgos y responsabilidades es evidente que ante operaciones delicadas deben prevalecer las instrucciones del fabricante. En el libro solo se proporciona información orientativa. Tampoco nos podemos hacer responsables de que se utilice de forma incorrecta o aventurada el contenido del libro.

Se ha dado más importancia a los refrigerantes fluorados, sin embargo se dedica un capítulo al estudio del amoníaco dadas sus especiales características. En el terreno de las máquinas frigoríficas se ha prestado atención a las de compresión de vapor. Los otros métodos frigoríficos (absorción, gas o termoeléctricos) solo se citan a título informativo.

El autor, junto con el profesor Pedro Rufes, había publicado en el 2004 un libro sobre refrigerantes [1]. Ya han pasado unos cuantos años y parecía oportuno revisar y ampliar aquella obra.

Para terminar diremos que un estudio de los fluidos frigoríficos no puede ser ajeno al estudio de las máquinas frigoríficas en las que aquellos operan. Remitimos al lector a [2], [3]. En el libro también hay un capítulo dedicado a los métodos frigoríficos.

Capítulo 1

Métodos frigoríficos

1. Introducción

La refrigeración consiste en la extracción de calor de una sustancia que deseamos mantener a una temperatura inferior a la del medio ambiente. Para ello será necesario poner en contacto la sustancia, directa o indirectamente, con otra que esté a menor temperatura. Si no disponemos de una fuente fría permanente es esencial la obtención previa de esta sustancia a menor temperatura que la que deseamos refrigerar. Obsérvese que este proceso implica: a) una extracción de calor a la carga, b) una segunda extracción de calor de la sustancia refrigerante para mantener sus propiedades como tal que se hace de forma “forzada” puesto que no disponemos de otra fuente fría a más baja temperatura. Deberá extraerse calor al sistema de baja temperatura, y enviarlo a otro sistema de más temperatura. En la figura 1.1 se ha representado un esquema de este proceso. Es evidente que deberemos aplicar trabajo para invertir el proceso natural y este trabajo deberá proporcionarse mediante un proceso cíclico para que sea viable de forma práctica. En la figura Q_E representa el calor extraído a la carga, Q_C el calor cedido al medio disipante (generalmente el aire ambiente o agua) i W el trabajo necesario para que funcione el sistema.

Figura 1.1 Esquema general del proceso de refrigeración

Ha llegado el momento de matizar algunos conceptos [4]:

Agente frigorífico. Es la sustancia que enfría la carga. Puede ser sólido o fluido. Si se trata de un fluido recibe el nombre de fluido frigorífico o refrigerante.

Bomba de calor. No todo el mundo está de acuerdo en la definición. Algunos llaman bomba de calor directamente al ciclo de compresión de vapor. Otros prefieren llamar bomba de calor al ciclo de refrigeración cuando tiene por objetivo aprovechar el calor.

Bomba de calor reversible. Es una bomba de calor que se utiliza como máquina frigorífica en verano y calefactora en invierno.

Carga frigorífica. Es el objeto que deseamos enfriar. Puede tratarse de una masa continua o discontinua de producto. Por ejemplo el contenido de una cámara o almacén frigorífico es la carga frigorífica. El calor por unidad de tiempo que debe ser extraído de la carga también recibe el nombre de carga frigorífica, que se mide en W. Así pues se trata de un concepto que se aplica a dos cosas diferentes aunque relacionadas.

Máquina frigorífica. Es el dispositivo que permite llevar a cabo la refrigeración. A veces, máquina y método confunden el nombre, así decimos, máquina de compresión de vapor o máquina de absorción.

Principio frigorífico. Este concepto hace referencia al principio fundamental de refrigeración, no explícitamente al medio comercial o práctico de llevarla a cabo.

Proceso o método frigorífico. Es el sistema para producir una refrigeración continua y práctica. Puede basarse en un principio frigorífico o varios.

Refrigeración activa. Es la que requiere el concurso de maquinaria con el consiguiente consumo energético.

Refrigeración pasiva. Es la que se lleva a cabo sin el concurso de máquinas; esta refrigeración apenas consume energía (ninguna o muy poca). Aprovecha los medios naturales para provocar pequeños descensos de temperatura. Por ejemplo inducir una corriente de aire procedente de la fachada norte para refrescar la parte de la vivienda con orientación sur, más calurosa.

Refrigeración primaria. Es la que se lleva a cabo para refrigerar el agente secundario, por ejemplo el aire que utilizaremos para refrigerar un local debe ser enfriado previamente en el evaporador de una máquina frigorífica; el refrigerante de la máquina frigorífica que enfría al refrigerante secundario se llama refrigerante primario; solamente en el caso que utilizáramos una fuente inagotable de aire frío, agua fría o hielo, podríamos prescindir de la refrigeración primaria; también puede ocurrir que el refrigerante primario enfríe directamente la carga, pero se trata de una situación muy rara; casi siempre actúan el refrigerante primario y el secundario.

Refrigeración secundaria. Es la que se realiza directamente sobre la carga frigorífica. Por ejemplo para enfriar un local utilizamos aire frío que se mezcla con el del local. El resultado es un descenso de la temperatura del local. El aire frío que entra en el local recibe el nombre de refrigerante secundario.

2. Ciclos termodinámicos

2.1 Introducción

La forma práctica más habitual de llevar a cabo una refrigeración mecánica que no utilice una fuente interminable de frío es mediante un dispositivo denominado “Máquina de compresión de vapor”. Este dispositivo consta, esencialmente, de un condensador, un evaporador, un sistema de expansión y un compresor (ver figura 1.2).

Figura 1.2 Esquema del circuito de refrigeración por compresión de vapor

El funcionamiento es muy sencillo: se absorbe calor en el evaporador y se cede calor en el condensador. De alguna manera podemos decir que el calor viaja desde una zona de baja temperatura (en el evaporador) hasta una zona de alta temperatura (en el condensador). El calor sólo puede transmitirse de forma natural desde una zona de alta temperatura hasta otra de baja temperatura, en nuestro caso se trata de invertir el proceso por lo tanto será necesario inyectar trabajo en el sistema. Esta operación se lleva a cabo en el compresor.

El calor absorbido por el evaporador proviene de la carga, por lo tanto ésta se enfriará o mantendrá la baja temperatura necesaria.

El “agente” encargado de transportar el calor es el “fluido frigorífico” o “refrigerante”, aunque más adelante matizaremos alguna pequeña diferencia en la denominación.

En la figura 1.3 se ha efectuado una representación gráfica del proceso que experimenta el fluido frigorífico. Para entender la figura 1.3 haremos unas observaciones previas. Las líneas curvas centrales representan los estados de equilibrio de las fases líquida (la de la izquierda) y vapor (la de la derecha). La parte comprendida entre las dos curvas corresponde a mezclas líquido vapor. De una forma aproximada podemos suponer que la máquina de refrigeración trabaja entre dos presiones extremas: la de ALTA que es la corresponde al condensador y la de BAJA que es la que corresponde al evaporador. La entalpía es la variable que expresa el contenido energético de un fluido (el refrigerante) cuando está en movimiento.

Figura 1.3 Ciclo de compresión de vapor con un refrigerante azeotrópico

En la figura 1.4 se ha representado el ciclo de compresión de vapor con un refrigerante zeotrópico. Las isotermas son inclinadas y por lo tanto la temperatura de saturación de la fase líquida (T_L) y la de la fase vapor (T_S) no son iguales. Si llamamos T_E la temperatura de la mezcla a la entrada del evaporador se llama “glide” o deslizamiento la diferencia de temperaturas T_S - T_E.

Figura 1.4 Ciclo de compresión de vapor con un refrigerante zeotrópico