REFRIGERANTES

UNIVERSIDAD JOSE CARLOS MARIATEGUI

INTRODUCCION En los principios de la refrigeración mecánica, los sistemas no eran tan sensibles a los materiales extraños como lo son ahora. Los sistemas modernos están diseñados para operar a temperaturas más altas, usando compresores que trabajan a mayor velocidad y que son construidos con espacios más reducidos. r educidos. Bajo estas condiciones, los contaminantes pueden causar problemas serios y sobre todo, reparaciones muy costosas. La refrigeración y la lubricación constituyen junto junto con el accionamiento acciona miento y la regulación, los principales sistemas que integran una maquina y que permiten su funcionamiento bajo unas determinadas condiciones de servicio. La puesta en marcha de los elementos mecánicos exige lubricar las superficies de contacto, al tiempo que mantener las temperaturas de trabajo dentro de unos márgenes admisibles. En el proyecto de diseño de una maquina, además del cálculo a fatiga de elementos element os como arboles, engranajes engrana jes o rodamientos, r odamientos, es, pues, necesario definir también los sistemas de refrigeración y lubricación, especificando el procedimiento a utilizar en cada caso, los componentes y el tipo de fluido refrigerante y/o lubricante. Se trata de dos sistemas paralelos, constituidos, constituidos, en muchos casos, por circuitos hidráulicos de características similares. Aun cuando no siempre es necesario, en ocasiones debe procederse a la refrigeración del lubricante, sobre todo en grandes maquinas. cómo analizar las pr opiedades de de un refrigerante para transportar el calor. Existe una cantidad grande de refrigerantes actualmente utilizados en aplicaciones comerciales e industriales. Cada refrigerante tiene propiedades que difieren de otros, tales como: puntos de ebullición, calor específico, calor latente, densidad y otros factores que afectan la habilidad del refrigerante para transferir el calor.

ING. DE MANTENIMIENTO-REFRIGER MANTENIMIENTO-REFRIGERANTES ANTES

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El mantenimiento efectivo efect ivo de cualquier sistema de refrigeración mecánica, depende grandemente de la comprensión que se tenga de las propiedades del refrigerante r efrigerante.. La dificultad para r esolver un problema, se torna más fácil, cuando se sabe cómo reacciona el refrigerante a los cambios de temperatura y de presión. El comportamiento del refrigerante frecuentemente es la clave para detectar el origen del problema. Un refrigerante es un producto químico que se emplea para producir refrigeración. Los principales usos son los refrigeradores y los acondicionadores de aire. Se puede definir al refrigerante como fluido utilizado en la transmisión del calor que, en un sistema frigorífico, absorbe calor a baja temperatura y presión, cediéndolo a temperatura y presi ón más elevadas. Este proceso tiene lugar, generalmente, con cambios de estado del fluido. Un refrigerante es cualquier sustancia capaz de absorber calor de otra, hielo, agua, aire, etc. Dado que la refrigeración mecánica se basa en la evaporación y la consiguiente condensación del fluido para absorber y disipar el calor. Para que un refrigerante sea apropiado y se le pueda usar en el cicl o antes mencionado, debe poseer ciertas propiedades físicas, químicas y termodinámicas que lo hagan seguro durante su uso. No existe un refrigerante ³ideal´ ni que pueda ser universalmente adaptable a todas las aplicaciones. Entonces, un refrigerante se apr oximará al ³ideal´, solo en tanto que sus propiedades satisfagan las condiciones condiciones y necesidades de la aplicación para la que va a ser utilizado.
















REFRIGERANTES 1. DEFINICION.-

De manera general, un refrigerante es cualquier cuerpo o substancia que actúe como agente de enfriamiento, absorbiendo calor de otro cuerpo o substancia. Desde el punto punto de vista de la r efrigeración efrigeración mecánica mecá nica por evaporación de un líquido y la compresión de vapor, se puede definir al refrigerante como el medio para transportar calor desde donde lo absorbe por ebullición, a baja temperatura y presión, hasta donde donde lo rechaza al condensarse a alta temperatura y presión. Los refrigerantes son los fluidos vitales en cualquier sistema de refrigeración mecánica. Cualquier substancia que cambie de líquido a vapor y viceversa, puede funcionar como refrigerante, y dependiendo del rango de presiones y temperaturas a que haga estos cambios, va a tener una aplicación útil comercialmente. Existe un número muy grande de fluidos refrigerantes fácilmente licuables; sin embargo, sólo unos cuantos son utilizados en la actualidad. Algunos se utilizaron mucho en el pasado, pero se eliminaron al incursionar otros con ciertas ventajas y características que los hacen más apropiados. Recientemente, se decidió descontinuar algunos de esos refrigerantes antes del año 2000, tales como el R-11, R-12, R-113, R-115, etc., debido al deterioro que causan a la capa de ozono en la estratósfera. En su lugar, se van a utilizar otros refrigerantes como el R-123, el R-134a y algunas mezclas ternarias. Los grandes fabricantes de refrigerantes, siguen trabajando en el desarrollo de nuevos productos. 2. EVOLUCION.-

Midgley y su equipo buscaban un refrigerante apropiado para aplicaciones aplicaciones















UNI

ER I

J

E

RL

RI

E

Hegemoní Hegemoní de los FR FR O

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(CFC que despl desp l

on a la mayor ía de

f luidos ant ant er iores. En 1974 (R ( R owl owland y Moli Molina) na) ± Hi Hi pót pótesi esis: CFC agot agotan la capa de ozono.















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3.

CA RLOS MARI AT E GU I

NOMENCL La

T

.-

denomi denominaci nación si simbóli mbólica ca numér ica de un refr igerant gerante se est establ ab lece apar tir tir

de su fórmul fórmu la quí química, consi consistiendo tiendo en una expres ión numér ica, quesi quesigue a la letra µR¶ µR¶ (R efr efr igerant gerante)















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3.1.ISOMETRIA.-

Un át átomo de carbono sól só lo puede asoci asociarse con ot otros cuat cuatro át átomos deun úni único modo. Si Sin embargo, para mol mo lécul éculas de más carbonos exi ex istenmás modos de asoci asociaci ación, isomer ía (NC (NC ). NC=2:

Una úni única letra mi minúscul núscula al al f inal nal de la desi designaci gnación def ine al al isómero.

Se toman los pesos at a tómi ómicos ligados ligados a cada carbono.

La

conf iguraci gurac ión que más

uni uniformement formement e los di distr buya i buya no posee letra al alguna, la si sigui guient ente posee la letra µa¶ µa¶, la si sigui guient ente la letra µb¶ µb¶, y así así sucesi sucesi ament ament e.

NC=3: Letra

1: 1: Desi Designa los át átomos del del enl enlace del del carbono intermedi ermedio( a:

Cl ; b: Cl F; c: F2; F2; d: Cl H; e: H-F; H-F; f : H2) Letra 2: 2: Desi Designa la decreci decrecient ente simet metr ía en pesos at a tómi ómicos (a: conf iguraci guración más si s imét métr ica; ca; b, c « menor simet metr ía)

















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3.2.MEZCLAS.-

Mezclas

zeotrópicas: R 400 400 (R (R 401A, 401A, R 401B 401B, R 402A, 402A, et etc)

Mezclas

azeotrópicas: R 00 (R (R 01, R 02, «, R 08A, et etc)

Al f inal nal de la desi designaci gnación de las mezcl mezclas se añade una letra mayúscul mayúscu la(A, B, C, «) en el el caso de est es tar constit constitu uida por l por los mi mismos component component espero en diferent ferent e proporci proporción. Ejemplo: Ejemplo: R407 (R3 2/125/1 34a) 3.3.INORGANICOS.-

Se desi designan con la ser ie R 700, 700, añadi añadiendo al a l número 700 el el PM del del compuest compues to.

















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4. FL

OS


PUR OSY OSY MEZCL

S.-

4.1.FLUIDO PURO.-

Fluido fr igor ígeno formado por un úni ún ico component componente. A una presi pres ión dada, la temperat emperatura permanece const cons tant ant e durant durante un cambi cambio de est estado(evaporaci ado(evaporac ión y condensaci condensac ión).

4.2.MEZCLA.-

Combi ombinaci nación de var ios component component es que se sel selecci eccionan para crear unf luido fr igor ígeno f inal nal con unas caract caracter ísticas ticas especí específ icas Mezcla

zeotrópicas

Mezcla

azeotrópicas

















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4.2.1. Mezcl Mezclas zeot zeotrópi róp icas Aquell Aquellas as mezcl mezclas ( 2 o más component componen tes) que, a una pres ión dada, present presenta un desli des lizam zamiient ento de temperat emperatura durant durante un cambi cambio de est estado (evaporaci (evaporac ión y condensaci condensac ión), debi deb ido a cambi cambios de composi compos ición durant durant eel cambi cambio de est estado provocados por las di diferent ferentes vol volatilidades tilidades rel relativasde tivasde sus component componen tes.

















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5.


IDENTIFICACI CACION DE Los

LOS R EFR IG IGER AN ANTES.-

refr igerant gerant es se identi dentif f ican por números después de la letra R , que

signi gnif ica "refr igerant gerante". El El sistema de identi dentif f icaci cación ha si s ido est estandar izado por l por la ASHR ASHR AE AE (Amer ican Soci Society of Heati Heating, ng, R efr efr igerati gerating ng and Ai Air C r Conditi ondition oniing Engi Engineers). Es necesar i necesar io est estar famili familiar ar ido con los números, así as í como con los nombres de los refr igerant gerantes aparecen los refr igerant gerantes más comunes. Cabe menci mencionar que las mezcl mezclas zeot zeotrópi rópicas, son refr igerant gerantest es transit rans itor or ios que se desarroll desarrollaron aron para substit subs titu uir al al R - 22 y al a l R -502, -502, aunque al a lgunas de est estas, van a permanecer como sustit sus titu utos de est estos refr igerant gerantes. 6.

R EQU EQUER IMIENTOS DE LOS R EFR IG IGER AN ANTES.-

Para que un líqu líquiido pueda ser utili u tilizado zado como refr igerant gerante, debe reuni reunir cier tas propi prop iedades, tant anto termodi ermodinámi námicas como f ísicas. El El refr igerant gerante ideal deal,




















el compresor al refrigerante al a umentarle su presión y temperatura? ¿En cuánto se aumenta a umentan? n? ¿Qué causa realmente que el vapor se condense a una temperatura más alta? ¿Cómo es rechazado el calor? ¿Cuánto ca lor es rechazado?, y así sucesivamente. Estas son la clase de preguntas a que se enfrenta uno en los trabajos de refrigeración. Si su trabajo es diseño de componentes y equipos, o mantener un sistema trabajando sin problemas, lo pri mero que debe saber es acerca del refrigerante dentro del sistema. Por ej emplo, un sistema típico tiene muchos indicadores que le dicen la condición exacta del refrigerante en varios puntos del sistema, y muchos controles que le permiten hacer ajustes cuando surja la necesidad. Estos dispositivos son necesarios, para mantener las condiciones deseadas del refrigerante al demandar ca mbios la carga de enfriamiento. Pero P ero si usted no sabe cómo responde el refrigerante a los cambios de temperatura y presión, los indicadores y los controles no le serán de mucha utilidad. Para comprender los refrigerantes, es básica la r elación entre presión y temperatura. Cómo absorbe, transporta y rechaza calor un refrigerante, al



















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PROPIEDADES TERMODINAMICAS DE LOS REFRIGERANTES.-

Son aquellas que tienen relación con el movimiento del calor. Estas propiedades se publican para cada refrigerante en forma de tablas. Estas tablas se dividen en dos secciones: Propiedades de Saturación de Líquido y Vapor, y Propiedades del Vapor Sobrecalentado. Las primeras se dan comúnmente comúnmente a intervalos de temperatura, y las segundas, se dan tanto a intervalos de presión, como de temperatura. Estas tablas son elaboradas por los fabricant es de refrigerantes y algunas asociaciones relacionadas con refrigeración, y se pueden encontrar en libr os de texto, manuales o boletines técnicos. Las de mayor aplicación para resolver r esolver problemas de cálculos y diseño de equipos, son las tablas de propiedades termodinámicas de saturación. .1.Presi 7.1.Presi

n

Las presiones que actúan en un sistema de refrigeración, son extremadament extremadamentee



















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El R -134a -134a traba ja ja a presi presiones más próxi próx imas a lo ideal deal, ya que su presi pres ión de evaporaci evaporac ión es muy ba j ba ja, a, si sin llegar llegar al a l vací vacío, y su presi pres ión de condensaci condensac ión no es tan alt alta, a, por l por lo que no requi requ iere un equi equ i po po muy robust robusto. 7.2.Temperatura

Hay tres temperat empera turas que son impor tant antes para un refr igerant gerant ey que deben ser consi cons ideradas al a l hacer l hacer la sel selecci ección.




















presión. Si se selecciona una presión conocida, se llega a una temperatura deseada. Qué presión seleccionar, es lo que provoca que surjan muchos argumentos entre los diseñadores diseña dores de eva poradores eva poradores y compresores. Para que opere eficientemente un compresor (pero no necesaria mente el sistema completo), es deseable tener en el evaporador la presión más alta posible. Para los diseñadores de evaporadores, lo más deseable es que operen a la presión más baja posible, para aprovechar al máximo la unidad con un mínimo de tamaño y costo. Así que, para ambos, la presión adecuada para la ebullición del refrigerante, es un punto en el cual es necesario transigir. Si el evaporador es muy grande, la temperatura estará arriba de la normal; si el evaporador es muy pequeño, la temperatura estará abajo de la normal. El evaporador debe tener una temperatura más baja, que la que se desea tener en el espaci o refrigerado (se necesita una diferencia de temperaturas para que exista el flujo de calor). Normalmente, cuando el sistema s istema está en operación, la temperatura de ebullición del del refrigerante líquido dentro del evaporador, es aproximadament e





















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El traba jo jo de refr igeraci geración se tiene tiene que trat ratar con refr igerant gerantes en si sistemas cerrados, a presi pres iones var iabl ables. Si Si se cont control rolan est estas presi pres iones, se cont control rolan las temperat emperaturas del del refr igerant gerante en di diferent ferentes punt puntos del del sistema. Por l Por lo tant anto, se puede lograr que hi hierva el el refr igerant gerant e a ba ja ja temperat emperatura en un punt punto (di (dismi sminuyendo su presi pres ión), y que después, se condense a a lta lta temperat emperatura en otro punt punto (aument (aumentando su presi pres ión). Para cual cualqui quier lí er líqu quiido, la temperat emperatura a la que se lleva lleva a cabo la ebulli ebullicción, se conoce como "t " temperat emperatura de sat sa turaci uración", y su presi pres ión correspondi correspondient ente, se conoce como "presi "pres ión de sat saturaci uración".



















UNIVERSIDAD JOSE CARLOS MARIATEGUI También

hay disponibles tablas que, además de la pr esión y temperatura,

dan otra información, tal como el volumen de líquido y vapor, calor y otros. Estas tablas se verán más adelante en este mismo capítulo. En la escala vertical se tiene la presión en kilopascales (o en psig), y en la escala horizontal se tiene la temperatura en grados centígrados (o en grados farenheit). Cualquier punto sobre la curva, representa el punto de ebullición del refrigerante. Cada punto también se puede llamar " punto de condensación" condensación". La razón es que, cualquier mezcla de líquido y vapor a la temperatura y presión de saturación, puede estar en cualquiera de las tres etapas: ebullición, condensación o equilibrio. Depende de la transferencia de calor que se esté llevando a cabo. Si




















5. La temperatura del refrigerante en el condensador, será aproximadamente la misma que el medio de enfriamiento, después que la unidad haya sido apagada por 15 a 30 minutos. En la tabla 12.9, se muestran las relaciones entre las presiones en kilopascales (kPa) y libras por pulgada cuadrada manométrica (psig), y las temperaturas en °C para los diferentes refrigerantes seleccionados s eleccionados para comparación. Los valores de la presión en el área sombreada, indican pulgadas de mercurio abajo de la presión atmosférica normal.




















La temperatura del gas en la descarga del c ompresor, ompresor, está sobrecalentada, es decir, más caliente que la temperatura de condensación. .4.Vol 7.4.Vol

en

Cuando se comparan densidades de gases, es común expresarlas en volumen específico. El volumen específico de un refrigerante en fase vapor, no es otra cosa, que el volumen en metros cúbicos cúbicos (m ) o en litros (l) que ocupará un un kilogramo de refrigerante a condiciones normales; esto es, a una t emperatura de 20° 20°C y a la presión atmosférica de 101.3 kPa. (14.7 psia). En la figura 12.10, se muestran los volúmenes específicos en las fases






















posible, ya que de este valor dependerá el desplazamiento volumétrico del compresor. bservando los valores de volumen específico en fase vapor de la figura




















Para cada refrigerante se muestran los valores de entalpia en la fase líquida (hf), el calor latente (hfg) y la entalpia en la fase vapor (hg). En l i del del Líqui Líquido Saturado (hf). Este valor es la cantidad de




















ya que ésta será siempre la misma, independientemente de que su contenido esté basado en -40° -40°C, -100° -100°C, -200° -200°C o el cero absoluto. Ental tal ia de Evaporaci Evaporac i n (hfg) . Esta es la cantidad de calor que requiere




















al evaporador, y la entalpia del vapor de refrigerante que sale del evaporador. La diferencia entre estos dos valores, es el trabajo real producido o "efecto de refrigeración" refrigeración".




















Baja temperatura de ebullición: e bullición: Un punto de ebullición por debajo de la

temperatura ambiente, a presión atmosférica. at mosférica. (evaporador) Fácilmente manejable en estado líquido: El punto de ebullición debe ser

































































































































































































































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