Fluidos refrigerantes

Todo fluido que tiene la capacidad de absorber  y ceder calor de otro cuerpo, se llama refrigerante.
Un refrigerante es un fluido que absorbe calor por evaporación a baja temperatura y presión y cede calor por condensación a alta temperatura y alta presión.
Para encontrar un refrigerante adecuado se requirió de un elemento que fuera fácilmente transformable de estado líquido a gaseoso y viceversa y así poder obtener una estabilidad uniforme de transferencia de calor.
Los refrigerantes mas ideales para esta tarea se lograron obtener después de innumerables pruebas de laboratorio.
Los refrigerantes, por su interacción con su objetivo primario, se pueden agrupar en:
Refrigerantes primarios: aquellos que absorben calor al evaporarse a ciertos niveles de 
temperatura y presión para transferirlo a temperatura y presión más elevadas.
Refrigerantes secundarios: cualquier fluido enfriado mediante un refrigerante primario y que circula como fluido de transferencia de calor para retirar la carga  térmica del sistema.

Condiciones para que un refrigerante sea ideal:

• No debe ser perjudicial para la salud.
• No debe ser explosivo o inflamable. 
• No debe ser toxico.
• Fácil de detectar pérdidas o fugas
• No debe alterar o atacar las condiciones generales del aceite lubricante del compresor, ni las líneas del equipo.
• Su punto de ebullición debe ser muy bajo, para para evitar vacíos en las lineas del equipo.
• Temperatura critica alta, para que sea posible su condensación a las temperaturas del medio ambiente en las que se encuentra el equipo.
• Punto de condensación bajo, para no aplicarle presiones demasiado elevadas para condensarlo.
• Calor latente de evaporación alto , para que sea mínima la cantidad de refrigerante que se use en el sistema.
• Su volumen especifico debe reducirse al mínimo, para no tener que utilizar compresores muy grandes.
• Elevada pureza
• Ser higroscópicos.

Los refrigerantes se conocen por su fórmula, nombre químico o por su denominación simbólica numérica adoptada internacionalmente.
El American Standard ANSI/ASHRAE 34, como denominación simbólica numérica, asignó un código que identifica a cada refrigerante el cual consiste de una letra seguido por un número. Este código se establece a partir de su fórmula química así:
• La letra R mayúscula significa refrigerante.
• La primera cifra de la derecha en los compuestos que carezcan de Bromo indicará el        número de átomos de Flúor de su molécula.
• El segundo dígito indica el número de átomos de Hidrógeno de su molécula menos uno.
• El tercer dígito indica el número de átomos de Carbono en su molécula mas uno.     Cuando este último dígito es cero no se escribe en su denominación.
• El número de átomos de Cloro se calcula con la siguiente fórmula: Cl = C – F- H
   Donde: Cl = No. átomos de Cloro

 C = Numero total de átomos que pueden estar unidos a los átomos de carbono; si la              molécula tiene 1 átomo de Carbono entonces C=4; si la molécula tiene 2 átomos de      Carbono entonces C=6
 F = Numero de átomos de Fluor 
 H =Número de átomos de Hidrógeno

La letra de algunos refrigerantes se obtiene porque existen refrigerantes que han tomado como base otro refrigerante y por voluntad del fabricante se ha modificado su estructura interna de modo diferente para alterar ciertas propiedades. A estos nuevos refrigerantes, por  tener la misma composición química de sus predecesores, se les aplica el ejercicio anterior y se denominan de igual forma sin embargo, para evitar una denominación repetida se agregan letras en minúscula al final de su denominación original, ejemplo: R134 y R134a

(R) refrigerante (1 ) Nº de átomos de C+1 (3) Nº de átomos de H-1 (4) Nº de átomos de F
(a) Letra dada por el fabricante. 

Del ejemplo anterior, se obtienen 4 átomos de Flúor, 2 átomos de Hidrógeno y 2 átomos de Carbono.
Y, según la fórmula, el número de átomos de Cloro presentes en una molécula de refrigerante R134a será:
Cl = C – F- H
Cl = 6 – 4- 2 
Cl= 0

               

                

Del ejercicio anterior se concluye que el R134a no tiene átomos de cloro en su estructura molecular y por lo tanto no afecta la capa de ozono.

Mezclas zeotrópicas y azeotrópicas:

Las mezclas están denominadas por su número de refrigerante y proporciones de masa respectivas. Su denominación obedece al aumento de los puntos de evaporación normal de los componentes. 
Las mezclas zeotrópicas: tienen asignados números de la serie 400, éste número establece cuáles componentes están en la mezcla pero no la cantidad de cada uno de ellos. Para diferenciar zeótropos que tienen los mismos componentes pero con diferentes cantidades en masa, se agrega al final de la denominación una letra en mayúscula. Esta letra obedece a un orden cronológico,
según su aprobación ASHRAE.

Ejemplo: R407A (R32/R125/R134a (20/40/40))
                R407B (R32/R125/R134a (10/70/20))
                R407C (R32/R125/R134a (23/25/52))
                R407D (R32/R125/R134a (15/15/70))
                R407E (R32/R125/R134a (25/15/60))

Las mezclas azeotrópicas: tienen asignados números de la serie 500.
Ejemplo: R507 (R125/R143a (50/50)

Compuestos orgánicos e inorgánicos:
Los compuestos orgánicos misceláneos tienen asignados la serie 600, ejemplo R600a  para el isobutano; mientras que los compuestos inorgánicos tienen asignados la serie 700 y su número de identificación se completa agregando la masa molecular,

Ejemplo: R717 asignado para el amoníaco porque 17 es su masa molecular.


Clasificación de los refrigerantes (ASHRAE 34)


El American Standard ANSI / ASHRAE 34 también clasifica los refrigerantes por su grupo de seguridad, esta clasificación consta de UNA LETRA que indica su toxicidad y UN NÚMERO que indica su flamabilidad.
Según su toxicidad,  los refrigerantes están divididos,en dos grupos:
• Clase A, toxicidad  no identificada para concentraciones inferiores o iguales a 400 ppm.
• Clase B, se tiene evidencia de toxicidad a concentraciones inferiores a 400 ppm.

Según su flamabilidad, los refrigerantes están divididos en tres grupos:
• Clase 1, no muestra propagación de llama cuando se prueba en aire a 21°Cy 101 kPa.
• Clase 2, límite inferior de flamabilidad superior a 0.10 kg/m3 a 21°C y 101 kPa y un                             calor de combustion inferior a 19 kJ/kg.
• Clase 3, altamente flamable definido  por un límite inferior de flamabilidad  inferior o                             igual a 0.10 kg/m3 a 21°C y 101nkPa o un calor de combustión superior o                         igual a 19 kJ/kg.

Refrigerantes Inorgánicos:

Son compuestos químicos o combinaciones de los elementos de la tabla periódica que no contienen  carbono, excepto el CO2; los refrigerantes inorgánicos más comunes son el agua, amoniaco y dióxido de carbono.

El  Agua:
R718, es un líquido incoloro, inodoro e insípido que está compuesto por dos átomos de
hidrógeno y uno de oxígeno (H2O). Sus propiedades físicas se utilizan como patrones para definir, por ejemplo, escalas de temperatura.
Como refrigerante primario, el agua es utilizada en los procesosde refrigeración por absorción  acompañado del bromuro de litio o amoníaco en máquinas de aire acondicionado y como absorbedor acompañado del amoníaco en máquinas de refrigeración; se utiliza también como refrigerante en máquinas de refrigeración por eyección.
El agua es una opción refrigerante atractiva porque no es tóxica ni 
inflamable. Sin embargo, es un refrigerante que funciona a muy baja presión
Debido a  las bajas presiones y las tasas muy elevadas de flujo volumétrico que requieren los sistemas de compresión de vapor de agua, es necesario recurrir a diseños de compresores que son poco habituales en el sector del aire acondicionado. 
Como refrigerante secundario, el agua se utiliza en sistemas tipo “chillers” empleados para acondicionar aire, congelar  y mantener pistas de patinaje sobre hielo y facilitar procesos industriales donde se requiera control de temperatura. 

Amoniaco
El R717,  es un gas incoloro, corrosivo, irritante, tóxico y de olor sofocante. Su fórmula química es NH3. Se emplea en la industria textil, como refrigerante, en la producción de fertilizantes y en productos de limpieza, entre otros. Aunque no afecta metales ferrosos como el aluminio y el bronce fosfórico, en la presencia de humedad destruye los metales no ferrosos como el zinc,  cobre y sus aleaciones.
Por sus cualidades termodinámicas, el amoniaco es uno de los mejores refrigerantes: según la  productividad de enfriamiento, supera considerablemente a los R12, R11, R22 y R502, y tiene más alto coeficiente de transferencia de calor, lo que permite usar tuberías de menor diámetro en los aparatos de transferencia de calor de similar capacidad. En conjunto con hidrógeno y agua,  se utiliza en refrigeradores domésticos y comerciales, eliminando el uso de compresor gracias al principio de absorción. Respecto al R22, el amoniaco tiene un valor alto de “calor de vaporización” y como consecuencia presenta un comparativamente pequeño consumo de masa del refrigerante circulante. Esta es una cualidad ventajosa para grandes capacidades de refrigeración pero hace difícil la regulación de la entrega del amoniaco al evaporador con bajas potencias. 

Algunos refrigerantes son dañinos para la capa de ozono, mientras que otros producen efecto invernadero, otros más producen los dos efectos. Hasta ahora no se a encontrado un refrigerante completamente ideal. Sin embargo se ha avanzado mucho en el tema logrando resultados de refrigerantes que son mas amigables con el medio ambiente.

Tomado de: 
http://www.minambiente.gov.co/documentos/cartilla_mantenimiento_refrigeracion_aire.pdf
http://profedaza.wordpress.com/refrigerantes/procedimientos-para-los-refrigerantes/