Refrigerante
Sustancia en un ciclo de refrigeración
Un refrigerante DuPont R-134a

Un refrigerante es un fluido de trabajo que se utiliza en el ciclo de refrigeración de los sistemas de aire acondicionado y bombas de calor , donde en la mayoría de los casos experimentan una transición de fase repetida de líquido a gas y viceversa. Los refrigerantes están muy regulados debido a su toxicidad e inflamabilidad [1] y a la contribución de los refrigerantes CFC y HCFC al agotamiento del ozono [2] y la de los refrigerantes HFC al cambio climático [3] .

Los refrigerantes se utilizan en un sistema de expansión directa (DX) para transferir energía de un entorno a otro, normalmente del interior de un edificio al exterior (o viceversa), comúnmente conocido como aire acondicionado o bomba de calor . Los refrigerantes pueden transportar 10 veces más energía por kg que el agua y 50 veces más que el aire.

En algunos países, los refrigerantes son sustancias controladas debido a las altas presiones (700–1000 kPa (100–150 psi)), temperaturas extremas (−50 °C [−58 °F] a más de 100 °C [212 °F]), inflamabilidad (clase A1 no inflamable, clase A2/A2L inflamable y clase A3 extremadamente inflamable/explosivo) y toxicidad (B1-baja, B2-media y B3-alta), según la clasificación de ISO 817 y ASHRAE 34.

Los refrigerantes solo deben ser manipulados por ingenieros calificados/certificados para las clases de refrigerante relevantes (en el Reino Unido, C&G 2079 para refrigerantes de clase A1 y C&G 6187-2 para refrigerantes de clase A2/A2L y A3).

Historia

La estabilización observada de las concentraciones de HCFC (gráficos de la izquierda) y el crecimiento de los HFC (gráficos de la derecha) en la atmósfera terrestre.

Los primeros acondicionadores de aire y refrigeradores empleaban gases tóxicos o inflamables, como amoníaco , dióxido de azufre , cloruro de metilo o propano , que podían provocar accidentes fatales cuando tenían fugas. [4]

En 1928, Thomas Midgley Jr. creó el primer gas clorofluorocarbonado no inflamable y no tóxico, el freón (R-12). El nombre es una marca registrada propiedad de DuPont (ahora Chemours ) para cualquier refrigerante clorofluorocarbonado (CFC), hidroclorofluorocarbonado (HCFC) o hidrofluorocarbonado (HFC). Tras el descubrimiento de mejores métodos de síntesis, los CFC como el R-11 , [5] el R-12 , [6] el R-123 [5] y el R-502 [7] dominaron el mercado.

Eliminación progresiva de los CFC

A mediados de la década de 1970, los científicos descubrieron que los CFC estaban causando un daño importante a la capa de ozono que protege la Tierra de la radiación ultravioleta y a los agujeros de ozono sobre las regiones polares. [8] [9] Esto llevó a la firma del Protocolo de Montreal en 1987, que tenía como objetivo eliminar gradualmente los CFC y los HCFC [10], pero no abordó las contribuciones que los HFC hacían al cambio climático. La adopción de HCFC como el R-22 , [11] [12] [13] y el R-123 [5] se aceleró y, por lo tanto, se utilizaron en la mayoría de los hogares estadounidenses en acondicionadores de aire y enfriadores [14] a partir de la década de 1980, ya que tienen un potencial de agotamiento de la capa de ozono (PAO) dramáticamente menor que los CFC, pero su PAO todavía no era cero, lo que llevó a su eliminación final.

Los hidrofluorocarbonos (HFC), como el R-134a , [15] [16] R-407A , [17] R-407C , [18] R-404A , [7] R-410A [19] (una mezcla 50/50 de R-125 / R-32 ) y el R-507 [20] [21] se promocionaron como sustitutos de los CFC y los HCFC en los años 1990 y 2000. Los HFC no agotaban la capa de ozono, pero sí tenían potenciales de calentamiento global (GWP) miles de veces mayores que el CO 2 , con vidas atmosféricas que pueden extenderse por décadas. Esto a su vez, a partir de la década de 2010, condujo a la adopción en nuevos equipos de refrigerantes de hidrocarburos y HFO ( hidrofluoroolefina ) R-32, [22] R-290, [23] R-600a, [23] R-454B , [24] R-1234yf , [25] [26] R-514A, [27] R-744 (CO 2 ), [28] R-1234ze(E) [29] y R-1233zd(E), [30] que tienen un ODP de cero y un GWP menor. Los hidrocarburos y el CO 2 a veces se denominan refrigerantes naturales porque se pueden encontrar en la naturaleza.

En 1992, la organización ambientalista Greenpeace proporcionó fondos a una antigua empresa de refrigeradores de Alemania del Este para investigar refrigerantes alternativos seguros para el ozono y el clima. La empresa desarrolló una mezcla de hidrocarburos de propano e isobutano , o isobutano puro, [31] llamada "Greenfreeze", pero como condición del contrato con Greenpeace no pudo patentar la tecnología, lo que llevó a su adopción generalizada por otras empresas. [32] [33] [34] Sin embargo, la política y la influencia política de los ejecutivos corporativos se resistieron al cambio, [35] [36] citando la inflamabilidad y las propiedades explosivas de los refrigerantes, [37] y DuPont junto con otras empresas los bloquearon en los EE. UU. con la EPA de EE. UU. [38] [39]

A partir del 14 de noviembre de 1994, la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos restringió la venta, posesión y uso de refrigerantes únicamente a técnicos autorizados, de conformidad con las normas de las secciones 608 y 609 de la Ley de Aire Limpio. [40] En 1995, Alemania ilegalizó los refrigeradores con CFC. [41]

En 1996 se creó Eurammon , una iniciativa europea sin ánimo de lucro para refrigerantes naturales , integrada por empresas, instituciones y expertos de la industria europeos. [42] [43] [44]

En 1997, los FC y los HFC se incluyeron en el Protocolo de Kyoto de la Convención Marco sobre el Cambio Climático.

En el año 2000, en el Reino Unido, entró en vigor el Reglamento sobre el ozono [45] , que prohibía el uso de refrigerantes HCFC que dañan la capa de ozono, como el R22, en sistemas nuevos. El Reglamento prohibió el uso del R22 como fluido de "recarga" para el mantenimiento a partir de 2010 para el fluido virgen y a partir de 2015 para el fluido reciclado. [ cita requerida ]

Abordar los gases de efecto invernadero

Con el creciente interés en los refrigerantes naturales como alternativas a los refrigerantes sintéticos como los CFC, HCFC y HFC, en 2004, Greenpeace trabajó con corporaciones multinacionales como Coca-Cola y Unilever , y más tarde Pepsico y otras, para crear una coalición corporativa llamada Refrigerants Naturally!. [41] [46] Cuatro años más tarde, Ben & Jerry's de Unilever y General Electric comenzaron a tomar medidas para apoyar la producción y el uso en los EE. UU. [47] Se estima que casi el 75 por ciento del sector de refrigeración y aire acondicionado tiene el potencial de convertirse a refrigerantes naturales. [48]

En 2006, la UE adoptó un Reglamento sobre los gases fluorados de efecto invernadero (FC y HFC) para fomentar la transición a refrigerantes naturales (como los hidrocarburos). En 2010 se informó de que algunos refrigerantes se estaban utilizando como drogas recreativas , lo que da lugar a un fenómeno extremadamente peligroso conocido como abuso de inhalantes . [49]

A partir de 2011, la Unión Europea comenzó a eliminar gradualmente los refrigerantes con un potencial de calentamiento global (GWP) de más de 150 en el aire acondicionado de los automóviles (GWP = potencial de calentamiento de 100 años de un kilogramo de un gas en relación con un kilogramo de CO 2 ), como el refrigerante HFC-134a (conocido como R-134a en América del Norte), que tiene un GWP de 1526. [50] Ese mismo año, la EPA decidió a favor de este refrigerante seguro para el ozono y el clima para su fabricación en Estados Unidos. [32] [51] [52]

Un estudio de 2018 de la organización sin fines de lucro Drawdown colocó la gestión y eliminación adecuadas de refrigerantes en lo más alto de la lista de soluciones para el impacto climático, con un impacto equivalente a eliminar más de 17 años de emisiones de dióxido de carbono en los EE. UU. [53]

En 2019 se estimó que los CFC, HCFC y HFC eran responsables de alrededor del 10% del forzamiento radiativo directo de todos los gases de efecto invernadero antropogénicos de larga duración. [54] y en el mismo año el PNUMA publicó nuevas directrices voluntarias, [55] sin embargo muchos países aún no han ratificado la Enmienda de Kigali .

A principios de 2020, los HFC (incluidos los R-404A, R-134a y R-410A) están siendo reemplazados: los sistemas de aire acondicionado residencial y las bombas de calor utilizan cada vez más el R-32 , que aún tiene un potencial de calentamiento global de más de 600. Los dispositivos más avanzados utilizan refrigerantes con un impacto climático casi nulo, a saber, el R-290 (propano), el R-600a (isobutano) o el R-1234yf (menos inflamable, en los automóviles). En la refrigeración comercial también se puede utilizar CO2 (R-744) .

Requisitos y propiedades deseables

Un refrigerante debe tener: un punto de ebullición que esté algo por debajo de la temperatura objetivo (aunque el punto de ebullición se puede ajustar ajustando la presión de manera adecuada), un calor de vaporización alto, una densidad moderada en forma líquida, una densidad relativamente alta en forma gaseosa (que también se puede ajustar ajustando la presión de manera adecuada) y una temperatura crítica alta . Lo ideal es que las presiones de trabajo se puedan contener mediante tuberías de cobre , un material que se encuentra comúnmente disponible. Se deben evitar las presiones extremadamente altas. [ cita requerida ]

El refrigerante ideal sería: no corrosivo , no tóxico , no inflamable , sin potencial de agotamiento de la capa de ozono ni de calentamiento global . Preferiblemente, debería ser natural, con un impacto ambiental bajo y bien estudiado. Los refrigerantes más nuevos abordan la cuestión del daño que los CFC causan a la capa de ozono y la contribución de los HCFC al cambio climático, pero algunos plantean problemas relacionados con la toxicidad y/o la inflamabilidad. [56]

Refrigerantes comunes

Refrigerantes con muy bajo impacto climático

Con el aumento de las regulaciones, se espera que los refrigerantes con un potencial de calentamiento global muy bajo desempeñen un papel dominante en el siglo XXI, [57] en particular, el R-290 y el R-1234yf. Partiendo de una participación de mercado casi nula en 2018, [58] los dispositivos de bajo GWPO están ganando participación de mercado en 2022.

CódigoQuímicoNombreGWP 20 años [59]GWP 100 años [59]EstadoComentario
R-290C3H8​​​Propano3.3 [60]Uso crecienteSon de bajo costo, ampliamente disponibles y eficientes. Además, tienen un potencial nulo de destrucción de la capa de ozono . A pesar de su inflamabilidad, se utilizan cada vez más en refrigeradores y bombas de calor domésticos. En 2010, aproximadamente un tercio de todos los refrigeradores y congeladores domésticos fabricados en el mundo utilizaban isobutano o una mezcla de isobutano y propano, y se esperaba que esta cifra aumentara al 75% para 2020. [61]
R-600aHC( CH3 ) 3Isobutano3.3Ampliamente utilizadoVéase R-290.
R-717NH3​Amoníaco00 [62]Ampliamente utilizadoSe utilizaba mucho antes de la popularización de los CFC y ahora se está considerando su uso, pero tiene la desventaja de ser tóxico y requiere componentes resistentes a la corrosión, lo que restringe su uso doméstico y a pequeña escala. El amoníaco anhidro se utiliza ampliamente en aplicaciones de refrigeración industrial y pistas de hockey debido a su alta eficiencia energética y bajo costo.
R-1234yf HFO-1234yfC3H2F4​​​​​2,3,3,3-Tetrafluoropropeno<1Menor rendimiento pero también menos inflamable que el R-290. [57] GM anunció que comenzaría a utilizar "hidrofluoroolefina", HFO-1234yf , en todas sus marcas en 2013. [63]
R-744CO2​Dióxido de carbono11En usoSe utilizó como refrigerante antes del descubrimiento de los CFC (lo mismo ocurrió con el propano) [4] y ahora está viviendo un renacimiento debido a que no daña la capa de ozono, no es tóxico y no es inflamable. Puede convertirse en el fluido de trabajo elegido para reemplazar los HFC actuales en automóviles, supermercados y bombas de calor . Coca-Cola ha presentado refrigeradores de bebidas basados ​​en CO2 y el ejército de los EE. UU. está considerando la refrigeración con CO2 . [ 64] [65] Debido a la necesidad de operar a presiones de hasta 130 bares (1900 psi; 13 000 kPa), los sistemas de CO2 requieren componentes altamente resistentes, sin embargo, estos ya se han desarrollado para la producción en masa en muchos sectores.

Más utilizado

CódigoQuímicoNombrePotencial de calentamiento global a 20 años [59]GWP 100 años [59]EstadoComentario
R-32 HFC-32CH2F2​​​Difluorometano2430677Ampliamente utilizadoSe promociona como un sustituto respetuoso con el clima del R-134a y el R-410A, pero aún así tiene un alto impacto climático. Tiene un excelente rendimiento en transferencia de calor y caída de presión, tanto en condensación como en vaporización. [66] Tiene una vida útil atmosférica de casi 5 años. [67] Actualmente se utiliza en acondicionadores de aire y bombas de calor residenciales y comerciales .
R-134a HFC-134aCanal 2 FCF 31,1,1,2-Tetrafluoroetano37901550Ampliamente utilizadoMás utilizado en 2020 para bombas de calor hidrónicas en Europa y Estados Unidos a pesar del alto GWP. [58] Se utilizaba comúnmente en acondicionadores de aire para automóviles antes de su eliminación progresiva que comenzó en 2012.
R-410A50% R-32 / 50% R-125 ( pentafluoroetano )Entre las 2430 (R-32) y las 6350 (R-125)> 677Ampliamente utilizadoEl más utilizado en bombas de calor/aire acondicionado split en 2018. Casi el 100 % de la participación en EE. UU. [58] Se eliminará gradualmente en EE. UU. a partir de 2022. [68] [69]

Prohibido / Eliminado gradualmente

CódigoQuímicoNombrePotencial de calentamiento global a 20 años [59]GWP 100 años [59]EstadoComentario
R-11 CFC-11CCl3F​​Triclorofluorometano69004660ProhibidoLa producción fue prohibida en los países desarrollados por el Protocolo de Montreal en 1996.
R-12 CFC-12CCl2F2​​​Diclorodifluorometano1080010200ProhibidoTambién conocido como freón, es un clorofluorocarbono halometano (CFC) ampliamente utilizado. Su producción fue prohibida en los países desarrollados por el Protocolo de Montreal en 1996, y en los países en desarrollo (países del Artículo 5) en 2010. [70]
R-22 HCFC-22CHClF2​Clorodifluorometano52801760Estando eliminado gradualmenteUn hidroclorofluorocarbono (HCFC) ampliamente utilizado y un potente gas de efecto invernadero con un potencial de calentamiento global (GWP) igual a 1810. La producción mundial de R-22 en 2008 fue de aproximadamente 800  Gg por año, frente a los 450  Gg por año en 1998. El R-438A (MO-99) es un sustituto del R-22. [71]
R-123 HCFC-123CHCl2CF3​​​2,2-Dicloro-1,1,1-trifluoroetano29279Eliminación progresiva de EE.UU.Se utiliza en aplicaciones de enfriadores centrífugos de gran tonelaje. Toda la producción e importación de HCFC vírgenes en los EE. UU. se eliminará gradualmente para 2030, con excepciones limitadas. [72] El refrigerante R-123 se utilizó para modernizar algunos enfriadores que usaban refrigerante R-11 Triclorofluorometano . La producción de R-11 fue prohibida en los países desarrollados por el Protocolo de Montreal en 1996. [73]

Otro

CódigoQuímicoNombrePotencial de calentamiento global a 20 años [59]GWP 100 años [59]Comentario
R-152a HFC-152a3 CHF 2​1,1-Difluoroetano506138Como un plumero de aire comprimido
R-407CMezcla de difluorometano y pentafluoroetano y 1,1,1,2-tetrafluoroetanoUna mezcla de R-32, R-125 y R-134a
R-454BDifluorometano y 2,3,3,3-tetrafluoropropenoMezcla de refrigerantes HFO: difluorometano ( R-32 ) y 2,3,3,3-tetrafluoropropeno ( R-1234yf ). [74] [75] [76] [77]
R-513AUna mezcla de HFO/HFC (56 % R-1234yf/44 % R-134a)Puede reemplazar al R-134a como alternativa provisional [78]
R-514AHFO-1336mzz-Z/trans-1,2-dicloroetileno (t-DCE)Un refrigerante basado en hidrofluoroolefina (HFO) para reemplazar al R-123 en enfriadores centrífugos de baja presión para aplicaciones comerciales e industriales. [79] [80]

Recuperación y eliminación de refrigerantes

Los refrigerantes y los líquidos refrigerantes se encuentran en todo el mundo industrializado, en hogares, oficinas y fábricas, en dispositivos como refrigeradores, aires acondicionados, sistemas de aire acondicionado central (HVAC), congeladores y deshumidificadores. Cuando se realizan tareas de mantenimiento en estas unidades, existe el riesgo de que el gas refrigerante se libere a la atmósfera de forma accidental o intencionada, de ahí la creación de programas de formación y certificación de técnicos para garantizar que el material se conserve y gestione de forma segura. Se ha demostrado que el mal uso de estos gases agota la capa de ozono y se sospecha que contribuye al calentamiento global . [81]

Con excepción del isobutano y el propano (R600a, R441A y R290), el amoníaco y el CO2 , según la Sección 608 de la Ley de Aire Limpio de los Estados Unidos , es ilegal liberar deliberadamente cualquier refrigerante a la atmósfera. [82] [83]

La recuperación de refrigerantes es el acto de procesar el gas refrigerante usado que se ha utilizado previamente en algún tipo de circuito de refrigeración de modo que cumpla con las especificaciones para el nuevo gas refrigerante. En los Estados Unidos , la Ley de Aire Limpio de 1990 exige que el refrigerante usado sea procesado por un recuperador certificado, que debe tener licencia de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA), y el material debe ser recuperado y entregado al recuperador por técnicos certificados por la EPA. [84]

Clasificación de refrigerantes

Diagrama de presión - entalpía del R407C , isotermas entre las dos líneas de saturación

Los refrigerantes pueden dividirse en tres clases según su forma de absorción o extracción de calor de las sustancias a refrigerar: [ cita requerida ]

  • Clase 1: Esta clase incluye refrigerantes que enfrían por cambio de fase (normalmente ebullición), utilizando el calor latente del refrigerante .
  • Clase 2: Estos refrigerantes enfrían por cambio de temperatura o " calor sensible ", siendo la cantidad de calor la capacidad calorífica específica x el cambio de temperatura. Son aire, salmuera de cloruro de calcio, salmuera de cloruro de sodio, alcohol y soluciones anticongelantes similares. El propósito de los refrigerantes de Clase 2 es recibir una reducción de temperatura de los refrigerantes de Clase 1 y transmitir esta temperatura más baja al área que se va a enfriar.
  • Clase 3: Este grupo está formado por soluciones que contienen vapores absorbidos de agentes licuables o medios refrigerantes. Estas soluciones funcionan por su capacidad de transportar vapores licuables, que producen un efecto de enfriamiento por la absorción de su calor de solución. También se pueden clasificar en muchas categorías.

Sistema de numeración R

El sistema de numeración R fue desarrollado por DuPont (que poseía la marca registrada Freon ) e identifica sistemáticamente la estructura molecular de los refrigerantes fabricados con un único hidrocarburo halogenado. Desde entonces, la ASHRAE ha establecido las siguientes pautas para el sistema de numeración: [85]

Rx 1x2x3x4​​​​​​

  • 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

Serie

Cadenas derivadas del etano

  • Número solamente Isómero más simétrico
  • Los sufijos en minúscula (a, b, c, etc.) indican isómeros cada vez más asimétricos

Cadenas derivadas del propano

  • Sólo número Si sólo existe un isómero; de lo contrario:
  • Primer sufijo en minúscula (af):
    • una sustitución de carbono central del sufijo Cl 2
    • b Sufijo Cl, F sustitución del carbono central
    • c Sufijo F 2 sustitución del carbono central
    • d Sufijo Cl, sustitución del carbono central H
    • e Sufijo F, sustitución del carbono central H
    • f Sufijo H 2 sustitución del carbono central
  • El segundo sufijo en minúscula (a, b, c, etc.) indica isómeros cada vez más asimétricos

Derivados del propeno

  • Primer sufijo en minúscula (x, y, z) :
    • x Sufijo Cl sustitución en el átomo central
    • Sustitución del sufijo y F en el átomo central
    • Sustitución del sufijo z H en el átomo central
  • Segundo sufijo minúscula (af) :
    • a Sufijo = CCl 2 sustitución de metileno
    • b Sufijo = CClF sustitución de metileno
    • Sufijo c = CF 2 sustitución de metileno
    • Sufijo d = CHCl sustitución de metileno
    • Sufijo e = CHF sustitución de metileno
    • Sufijo f = sustitución de metileno CH2

Mezclas

  • Sufijo en mayúsculas (A, B, C, etc.) Misma mezcla con diferentes composiciones de refrigerantes

Misceláneas

  • Compuesto cíclico R-Cxxx
  • El grupo Éter R-Exxx está presente
  • R-CExxx Compuesto cíclico con un grupo éter
  • R-4xx/5xx + Sufijo en mayúsculas (A, B, C, etc.) Misma mezcla con diferente composición de refrigerantes
  • R-6xx + letra minúscula indica isómeros cada vez más asimétricos
  • 7xx/7xxx + letra mayúscula Misma masa molar, compuesto diferente
  • R-xxxxB# El bromo está presente y el número después de B indica cuántos átomos de bromo
  • R-xxxxI# El yodo está presente y el número después de I indica cuántos átomos de yodo
  • Molécula trans R-xxx(E)
  • Molécula cis R-xxx(Z)

Por ejemplo, el R-134a tiene 2 átomos de carbono, 2 átomos de hidrógeno y 4 átomos de flúor, una fórmula empírica del tetrafluoroetano. El sufijo "a" indica que el isómero está desequilibrado por un átomo, lo que da como resultado 1,1,1,2-tetrafluoroetano . El R-134 (sin el sufijo "a") tendría una estructura molecular de 1,1,2,2-tetrafluoroetano.

Los mismos números se utilizan con un prefijo R- para refrigerantes genéricos, con un prefijo "Propelente" (por ejemplo, "Propelente 12") para el mismo producto químico utilizado como propelente para un aerosol , y con nombres comerciales para los compuestos, como " Freón 12". Recientemente, ha surgido una práctica de utilizar las abreviaturas HFC- para hidrofluorocarbonos , CFC- para clorofluorocarbonos y HCFC- para hidroclorofluorocarbonos , debido a las diferencias regulatorias entre estos grupos. [ cita requerida ]

Seguridad del refrigerante

La Norma ASHRAE 34, Designación y clasificación de seguridad de refrigerantes , asigna clasificaciones de seguridad a los refrigerantes según su toxicidad e inflamabilidad .

Utilizando la información de seguridad proporcionada por los fabricantes, ASHRAE asigna una letra mayúscula para indicar toxicidad y un número para indicar inflamabilidad. La letra "A" es la menos tóxica y el número 1 es la menos inflamable. [86]

Véase también

Referencias

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