FLUIDOS. REQUERIMIENTOS

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FLUIDOS REFRIGERANTESEN MAQUINAS DE COMPRESIÓN I

E. Torrella

E. TORRELLA

FLUIDOS. REQUERIMIENTOS

E. TORRELLA

TIPOS DE REQUERIMIENTOS

Propiedades termodinámicas y termo-físicas Presión de baja (aspiración) Presión de alta (descarga) Tasa de compresión Calor latente de evaporación Índice de compresión isoentrópica Calor específico en fase líquida Calor específico en fase vapor Conductividad térmica Viscosidad

Propiedades medioambientales y de seguridad Potencial de destrucción de ozono (ODP) Potencial de calentamiento global (GWP) Índice (TEWI; Total Equivalent Warming Index) Toxicidad Inflamabilidad

Otras propiedades Estabilidad química Compatibilidad con los materiales de la instalación Miscibilidad con el lubricante Conductividad eléctrica Facilidad de detección de fugas

Consideraciones económicas

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PRESIONES

a) Presión de baja (evaporación): para una temperatura dada deevaporación, la presión de saturación debe ser superior a laatmosférica, lo que permite evitar las entradas de aire atmosféricoen caso de roturas en la zona de baja presión, de ahí la importanciadel punto normal de ebullición (TNB) que es la temperaturacorrespondiente a cada fluido a la presión atmosférica. Ademáscuanto mayor sea la presión de baja menor será el tamaño delcompressor. Por ultimo, indicar que la temperatura de congelacióndel fluido debe ser inferior a la minima de funcionamiento de laplanta, con ello se evita la obstrucción por formación de sólidos.

b) Presión de alta (condensación): para una temperatura dada decondensación la presión de alta debe ser lo minima possible parafavorecer una construcción más lígera de los dispositivos quetrabajen en alta.

c) Tasa de compresión: la relación entre las presiones de alta y bajadebe ser lo menor possible para alcanzar una mejor eficienciavolumétrica en compresor y un menor consume de éste.

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CALOR LATENTE DE VAPORIZACIÓN

d) El calor de cambio de estado líquido-vapor debe ser lo mayor posible, con el fin de disminuir elcaudal másico circulante.

Esta consideración es contradictoria con los requerimientos establecidos para las presiones defuncionamieto, ya que la presión y el calor latente se encuentran relacionados por la expresión deClausius-Clapeyron, según la cual:

En la expression anterior, psat es la presión de saturación, T la temperature en K, hLV y sLV loscambios de entalpía y entropía entre vapor y líquido saturados, y R la constant del fluido. Dado queel cambio de entropía durante el cambio de estado es pequeño, puede ser eliminado, y laexpression, entre las temperaturas de evaporación (T0) y condensación (TK) se convierte en:

De la expresión resultante, se deduce que, para unas temperaturas de evaporación y condensacióndadas, cuando el calor latente aumenta también lo hace la tasa de compression, por lo que esnecesario considerer una solución de compromiso entre esta contradicción en los requerimientos.

R

s

TR

h - = p LVLV

sat

)ln(

K

LVK

TTR

h

p

p 11exp

00

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CALORES ESPECÍFICOS

e) Calor específico a presión constante de la fase líquida;cuanto más pequeño sea para favorecer elsubenfriamiento en salida de condensador, lo queaumenta el salto entálpico en evaporador y disminuye elporcentaje de vapor en la entrada a evaporador.

f) Calor específico a presión constante de la fase vapor;debe ser grande para evitar el recalentamiento de losvapores a la entrada del compresor.

g) Índice isoentrópico de compresión; su valor debe sertan pequeño como sea posible, de este modo elincremento de temperaturas durante el proceso decompresión será pequeño.

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CONDUCTIVIDAD TÉRMICA Y VISCOSIDAD

h) Conductividad térmica; tanto en la fase vaporcomo en la líquida los valores de conductividaddeben ser elevados para obtener altos coeficientes detransmission de calor.

i) Viscosidad: Los valores de viscosidad deben serpequeños, en ambas fases, con el fin de evitar en lopossible las pérdidas de carga en la circulación delfluido.

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CONSIDERACIONES SOBRE PROPIEDADES

Las propiedades termodinámicas y físico – térmicas se encuentran relacionadas entre sí, siendo a suvez principalmente función de el punto normal de ebullición (TNB), el punto crítico, el pesomolecular y la estructura molecular del fluido.

Por ejemplo, una temperature crítica elevada conlleva a valores mas altos del COP debido a que seproducen menores pérdidas en compresión y también en el proceso de laminación. Sin embargo,dado que las presiones serán inferiores cuando la temperatura crítica sea alta, la capacidadvolumétrica será mas baja para altas temperaturas críticas (aumento del volumen específico delvapor), lo que nos lleva a soluciones de compromise en la selección de refrigerante.

En la gran mayoria de los fluidos refrigerantes utilizados se cumple que el valor de la relación entrela tempertura normal de ebullición (TNB) y la crítica, denominada Nº de Guldberg, se encuentranen el rango de 0.6 a 0.7, por lo que el valor del TNB es un buen indicador de la temperature crítica.

Los valores del calor latente de evaporación y de los calores específicos a presión constantedependen del peso molecular y la estructura molecular del fluido. Así, la regla de Trouton indicaque a mayor peso molecular le corresponde un valor mayor en calor latente. En cuanto a los caloresespecíficos, estos dependen de la estructura molecular. Si el calor específico de la fase vapor esbajo, la estructura de la campana de saturación será tal que si se inicia la compression desde vaporsaturado, la descarga se realizará como vapor recalentado (compresión seca), sin embargo estosbajos valores del calor específico del vapor van a producer altos valores de recalentamiento. Por elcontrario, altos valores de calor específico en la fase vapor, dada la existencia de la relación con elcalor específico del líquido, producen altos valores en la fase líquida lo que trae consigo mayorspérdidas en la laminación (menor posibilidad de subenfriamiento). Ante estas contradicciones, losesudios realizados indican que un valor óptimo del calor específico del vapor esta comprendido enel rango de 40 a 100 kJ/kmol K.

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MEDIOAMBIENTE Y SEGURIDAD

a) Potencial de destrucción de ozono (ODP): De acuerdo con la normativa vigente los refrigerantesdeben tener un valor de ODP nulo. Esto supone la elimación de cloro y bromo en la molécula.

b) Potencial de calentamiento global (GWP): La normative vigente establece los valores máximosde GWP permitidos según aplicaciones, esta normative se encuentra en constante cambio haciareducciones en los valores de GWP.

c) Toxicidad: Idealmente un refrigerante no debe ser tóxico, en la realidad, excepto el aire, todos loson en alguna medida ya que nos son respirables, más adelante se presentará la normative queclasifica a los refrigerantes en cuanto a toxicidad e inflamabilidad. Conviene indicar que algunosfluidos, considerados no tóxicos, pueden formar components tóxicos en presencia de llama (p.e.soldadura), este es elcaso de los CFC y HCFC que pueden generar fosgeno (COCl2) en presenciade llama. En general, el grado de peligro ante la presencia de refrigerantes depende de: La cantidad de refrigerante frente al espacio de confinamiento. Presencia de llamas Olor del refrigerante Condiciones de mantenimiento

En otras palabras la toxicidad es en buena parte función de cada aplicación.

e) Inflamabilidad: Evidentemente, son preferibles los fluidos no inflamables y no explosivos, porseguridad y para evitar las precauciones a tomar en caso de riesgos de este tipo.

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CLASIFICACIÓN SEGURIDAD

En la norma ASHRAE Standard 34, los fluidos se clasifican engrupos que se numeran mediante dos carácteres alfanuméricos (porejemplo A2, B1…), la letra mayúscula indica el nivel de toxicidady el número revela su inflamabilidad. Toxicidad. Los refrigerantes pertenecen a dos grupos “A” y “B”:

Clase “A”; toxicidad no detectada con concentraciones menores oiguales a 400 ppm.

Clase “B”; evidencia de toxicidad con concentraciones inferiors a 400ppm.

Inflamabilidad. Tres clase “1”, “2” y “3” (actualmente se ha introducido la“2L”): Grupo “1”. Refrigerantes sin propagación de llama en aire a 101kpa y

21 . Grupo “2”. Refrigerantes con un límite inferior de inflamabilidad

(LFL) con concentraciones por encima de 0.10 kg/m3 en aire a 21y101 kpa, y un calor de combustion por debajo de 19.000 kJ/kg.

Grupo “3”. Altamente inflamables. LFL con concentración menor oigual a 0.10 kg/m3 a 21 y101 kPa, o un calor de combustion mayoro igual a 19.000 kJ/kg.

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Clasificación de seguridad ASHRAE 34

Baja

toxicidad

Alta

toxicidad

Alta inflamabilidad A3 B3 LFL ≤ 0.10 kg/m3 o podercalorífico ≥ 19000 kJ/kg

Baja inflamabilidad A2 B2LFL > 0.10 kg/m3 o podercalorífico < 19000 kJ/kg

Sin propagación dellama A1 B1

Sin LFL basado sobre elTest modificado ASTM E681-85

Sin detección de efectostóxicos a concentraciones ≤400 ppm

Evidencia de toxicidad pordebajo de < 400 ppm

LFL (El mínimo de inflamabilidad , la mínima concentración en aire a la cual se produce propagación de llama

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CLASIFICACIÓN. Tipos toxicidad

A: PEL > 400 ppm

B: PEL < 400 ppm

PEL Perm issible Exposure Lim it .

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Criticas toxicidad

Según James Calm (ASHRAE), "Con base en los hallazgos detoxicidad actuales, el HFC-134a es considerado como uno delos refrigerantes más seguros"

Sin embargo, esta afirmación no estaba destinada a sersacada de contexto y se aplica por igual a todas lasinstalaciones de campo. Por ejemplo, una fuga involuntariade HFC-134a, con la calificación de A1, en relación con elmenos seguro de HCFC-123, con la calificación de A2. ElHFC-134a más volátil (NBP = -26,1 ºC) puede exceder suasignación 1.000 ppm antes de que el HCFC-123 (NBP =27,8 ºC) con el límite de 50 ppm en un ambiente de 25 ºC.Por otro lado, la existencia de una superficie caliente en laproximidad de la fuga de refrigerante puede provocar elefecto contrario. El grado de «inseguro» es en gran medidauna cuestión de diseño de hardware, instalación,mantenimiento y procedimiento de limitación de la cantidadde refrigerante en un sitio determinado.


NUEVA CLASIFICACIÓN INFLAMABILIDAD

1:Sin propagación de llama

2L: BV ≤ 10 cm/s; LFL > 0.1 kg/m3; HOC < 19 MJ/kg

2: BV > 10 cm/s; LFL > 0.1 kg/m3; HOC < 19 MJ/kg

3: LFL ≤ 0.1 kg/m3; HOC ≥ 19 MJ/kg

BV = Burning velocity; LFL = Lower Flam mability Lim it ; HOC = Heat of combust ionASHRAE Standard 34-2010 Adopt ion of the “2L” designat ion for refr igerants with low flam m ability in 2010.

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CARACTERISTICAS DE FLUIDOS INFLAMABLES

FLUIDO GWPLFL

[vol %]UFL

[vol %]BV

[cm/s]MIE[mJ]

R290 < 3 1.8 9.5 38.7 0.246

R717 < 1 15 28 7.2 21

R32 675 13.3 29.3 6.7 15

R1234yf 4 6.2 12.3 1.5 500

Concentración mayor que

LFL

Velocidad aire menor

que BV

Existencia de fuente

de ignición

IGNICIÓN

MI E= Mínim a energía requerida para la

Probabilidad de ignición = (Fuga) X (Alta

concent ración) X (Fuente de ignición) X

(Vaja velocidad del aire)


VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN Y MIE

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OTRAS PROPIEDADES

f) Estabilidad química: El refrigerante debe ser químicamente estable durante todo su periodo defuncionamiento.

g) Compatibilidad; el fluido debe ser compatible con los materiales con los que va a entrar encontacto durante su funcionamiento, tanto sean metals como no metales.

h) Miscibilidad con lubricantes: la presencia de lubricante en las instalaciones es absolutamentenecesaria en la inmensa mayoria de los casos, no obstante la miscibilidad del aciete con elrefrigerante presenta ventajas y desventajas Ventajas:

� Los components que lo requieran pueden ser bien lubricados.� El retorno de aceite al compressor puede conseguirse de una forma relativamente fácil.

Desventajas:� Dilución y calentamiento del aceite en compressor.� Deterioro del flujo de aceite en evaporador y por tanto problemas de retorno, además la acumulación

de aceite en evapprador reduce la transmission de calor en este equipo.

i) Conductividad eléctrica: esta propiedad es importante en compresores de tipo hermético o semi-hermético, en los que la corriente de vapor enfría el devanado de los motores eléctricos, lo queimplicaría la necesidad de bajas conductividades eléctricas.

j) Facilidad de detección de fugas; son preferibles los fluidos que sean fáciles de detector en casode fugas desde la instalación, ese es el caso del amoníaco por su olor caracterísico.

Requerimientos económicos; el fluido refrigerante debería ser barato y de fácil disposición.


CONSIDERACIONES SOBRE FUGAS

Existen muchos factores queintervienen en elcomportamiento en caso defugas de un refrigerante, entrelos que pueden citarse lapresión, la viscosidad y ladensidad del fluido. Noobstante, un aspect aconsiderer es el tamaño de lamolécula, así cuanto mayorsea el peso molecular menorserá la tendencia a la fuga.

En la figura se presenta lamayor capacidad de fuga delamoníaco (peso molecular de17 g/mol), frente a la del R-22(peso molecular de 86.48g/mol).

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DIRECTRICES PARA SELECCIÓN DE REFRIGERANTES

SELECCIÓN

REFRIGERANTE

SELECCIÓN

REFRIGERANTE

MEDIOAMBIENTE:

ODP

GWP

TEWI; LCCP

MEDIOAMBIENTE:

ODP

GWP

TEWI; LCCP

FUNCIONAMIENTO:

Capacidad

COP

FUNCIONAMIENTO:

Capacidad

COP

SUMINISTRO:

Coste

Disponibilidad

SUMINISTRO:

Coste

Disponibilidad

SEGURIDAD:

Toxicidad

Inflamabilidad

SEGURIDAD:

Toxicidad

Inflamabilidad


EVOLUCIÓN DE LOS FLUIDOS

IVª GENERACIÓN. NUEVOS Y ANTIGUOS FLUIDOS

NORMATIVA EUROPEA SOBRE GASES FLUORADOS DE EFECTO INVERNADERO

EL EFECTO INVERNADERO

IIIª GENERACIÓN. LOS HFC

NORMATIVA EUROPEA SOBRE LAS SUSTANCIAS QUE AGOTAN LA CAPA DE OZONO

ACCIÓN SOBRE EL OZONO

IIª GENERACIÓN. LOS CFC

DESARROLLO Y OLVIDO DEL CO2

Iª GENERACIÓN

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1830-1930

� I GENERACIÓN� Disponible y factible

1930-1990

� II GENERACIÓN� Seguridad y durabilidad

1990-2010

� III GENERACIÓN� Protección del ozono

2010-

� IV GENERACIÓN� ODP nulo y bajo GWP

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EVOLUCIÓN PRINCIPALES FRIGORÍGENOS

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PROTOCOLOMONTREAL-1987

GORRIE-1850AI RE

PERKINS-1834ETER SULF.

SO2 PICTET-1875

MIDGLEY-1930R-12

H2O LEBLANC-1908

CO2 WINDHAUSEN-1886

CLORURO DE METI LO VI NCENT-1878

AMONIACO BOYLE/ COMPRESION-1873

ETER METILI CO TELLI ER-1868

CARRE/ ABSORCI ON-1859AMONI ACO

E. TORRELLA

EL ETER SULFÚRICO

El éter es un líquido altamente inflamable eincoloro con un punto de ebullición bajo. Fuedescubierto por Raymundus Lulio (Ramon Llull),un químico español en 1275. Fue sintetizado porprimera vez por el médico y botánico alemán,Valerio Cordo en 1540 que lo llamó “óleum dulcivitrioli” ó “aceite de vitriolo dulce”.

Los éteres están comprendidos como una clase decompuestos en los cuales dos grupos del tipo de loshidrocarburos están enlazados a un átomo deoxígeno, es decir su estructura general es del tipoR-O-R. En los éteres simétricos los dos grupos sonidénticos mientras que en los asimétricos sondiferentes.


EL ÉTER SULFÚRICO Ó DIETÍLICO

Patente J. Perkins 1834

Máquina de A. C. Twinning 1850

Máquina de J. Harrison 1856

Máquina A. Siebe 1862

Máquina A. Muhl 1867

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CAOUTCHOUCINE

El asistente de Perkins, JohnHague, construyó unamáquina bajo patente dePerkins en 1834, peroencontró que le erannecesarias unasmodificaciones. No soloHague cambió el diseño,sino también cambió elrefrigerante, usó un fluidovolátil, la Caoutchoucine,líquido obtenido de la gomanatural, utilizado comodisolvente y por tantodisponible. En el siglo XIX,la goma natural(comúnmente referida comocaucho) era importada de laIndia

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EL ÉTER METÍLICO

El éter metílico ó metil-éter CH3-O-CH3 (R-E170) fue utilizado porC. Tellier en 1864 comorefrigerante. Tellier nose limitó a utilizarlosino que diseño unproceso para sufabricación.

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CHIMÓGENO Y NAFTA

En 1866 el Dr Peter H. Van der Weydeanunció el descubrimiento de un Nuevorefrigerante, 'Una sustancia gaseosa, queconsiste principalmente de butano, que sedesprende durante la destilación de parafinacrudo, condensado utilizado por la presiónpara la producción de frío extremo porevaporación "(Nueva Sydenham Soc.Lexicon 1882), a esta sustancia, con ungrado Beaume de110º y un punto normal deebullición de 5ºC, le denominó “cymogene”en base a las palabras griegas “cymene” y“gene”, las cuales significan tormenta o fríoy generar, es decir pretendía llamarlo“generador de frío”.

Van der Weyde patentó una máquina paraproducer hielo con este refrigerante, patenteque vendió a Daniel L. Holden el cual instalóestas máquinas con fluido suministrado porVan der Weyde (1.5 $ el galón).

Van der Weyde también usó la nafta,gasolina y el rhigolene (líquido volátilobtenido a partir de petróleo y utilizadocomo un anestésico local).

Hacia 1870 Daniel L. Holden patenta suspropias máquinas introduciendohidrocarburos.


EL DIÓXIDO DE CARBONO R-744

El CO2 era conocido desde tiempo inmemorial por emerger desde fuentes geológicas. Los romanosya conocían el efecto agradable sobre la circulación de la sangre de los baños que lo contienenprocedentes de fuentes volcánicas.

El efecto peligroso (asfixia por desplazamiento de aire), también era conocido por ellos. Plinio lellama "spiritus letalis", el "espíritu letal", que mata a sus víctimas sin dejar ningún rastro. Eracostumbre colocar velas en las bodegas de fermentación para controlar el aire ambiente, suextinción indicaba una excesiva concentración.

Durante siglos ha sido conocido como un gas residual de la fermentación. Un método antiguo paraproducir dióxido de carbono consistía en verter agua sobre piezas de mármol o calizas con ácidoclorhídrico o ácido sulfúrico, formando de esta manera el gas CO2.

En 1755 Joseph Black con el calentamiento de la 'magnesia alba' (carbonato de magnesio)descubrió el dióxido de carbono, al que llamó "aire fijo". Otros experimentos demostraron que estegas estaba involucrado en muchos procesos familiares, incluyendo la combustión y la respiración.

El físico francés Lavoisier (1780) acuñó la palabra "acide-carbonique" (ácido carbónico) despuésde haber detectado la composición del gas de una parte de carbono y dos partes de oxígeno.

En 1823 el físico Faraday (1791-1867) fue el primero que logró producir CO2 líquido en pequeñascantidades de laboratorio.

El CO2 en estado sólido, en forma de nieve, lo produjo por primera vez Thilorier en 1834 por laexpansión del CO2 líquido a presión atmosférica. Escribió "que la nieve puede ser comprimidafácilmente, tenía una temperatura de -78,5 ° C a presión atmosférica, transitando inmediatamente alestado de vapor" (sublimación). Este sólido se llama "hielo seco" .

En 1862 Thomas Andrews establece su punto crítico.

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E. TORRELLA

EL DIÓXIDO DE CARBONO R-744

Fué propuesto por Alexander Twinning en su patente inglesade 1850.

La máquina compresión con dióxido de carbono fuepatentada por Phil Wilhelm Raydt en 1881 (en España en1884).

Los primeros sistemas de refrigeración del buque de CO2 enAlemania se construyeron de acuerdo a la patente DRP 37214de Franz Windhausen por Riedinger empresa en Augsburgo yHaubold en Chemnitz. En 1886 Windhausen obtuvó lapatente británica 2864 por su compresor de CO2.

Thaddeus Lowe utilizó el dióxido de carbono, patentando unamáquina de compresión (patente inglesa 952 del año 1867, ypatentes USA 63 404 (1867) “Improvement in apparatus forthe manufacturing of ice”, 63 405 (1867) “ Improvedapparatus for condensing carbonic acid, and for drawing offand applying the same for cooling and freezing”.


DESARROLLO Y OLVIDO DEL CO2

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CO2 R-744

El primer compresor que utilizó el CO2 en Europa fueconstruido en 1881, y su puesta en servicio se realizó en1882. En 1890 se construyó el primer barco de transportede carne congelada con un equipo de R744.

El dióxido de carbono como fluido frigorígeno fueprofusamente empleado, especialmente en transportemarítimo, durante el último período del siglo XIX yprincipios del XX. En 1925 existían 29 constructores decompresores en el mercado europeo.

Al inicio de la década de 1930 el CO2 era reemplazadopor el amoníaco en las instalaciones industriales deproducción de frío, en los otros dominios (comercial,climatización...) fue reemplazado paulatinamente por elR12.


CO2 R-744

Compresor Windhausen Everard Hesketh

La construcción de plantascomerciales se debe a FranzWindhausen hacia 1886, estasmáquinas fueron retomadas por laempresa J. & E. Hall Ltd. y mas tardedesarrolladas por Everard Hesketh yAlexander Marcel.

El primer compresor de dos etapascon dióxido de carbono lo fabricaJ&E Hall of England en 1889

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CO2 R-744. MÁQUINAS HALL 1889-1929


CO2 R-744. ALEMANIA ANTES DE 1913

Desde 1881 W. Raydt en Hannover (sifón)también había trabajado en la construcción demáquinas de CO2 . En 1884 obtuvo la patentebritánical 15475 “Sistema de fabricación dehielo de compresión que utiliza dióxido decarbono "

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E. TORRELLA

CO2 INGLATERRA Liverpool Refrigeration Co 1914


Compresor Sabroe 1897 Máquinas Sabroe 1915

CO2 R-744. SABROE DINAMARCA DESDE 1897

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E. TORRELLA

CO2 R-744. SABROE DINAMARCA

Como peculiaridad Sabroefabrica una máquina manualde hielo con CO2, tipo"Kolibri" de THS. Sabroe &Co. en Aarhus. Elcompresor arrancaba pormedio de una manivelamanual. La máquinaproducía entre 1,5 y 2 kg dehielo por hora.


CO2 R-744. USA

En el período de 1887/90, se desarrolla la fabricación demáquinas de CO2 y plantas en los EE.UU. La empresa"Kroeschell Bros. Ice Machine Company" utiliza CO2 comoun "refrigerante de seguridad", en contraste con ácidosulfúrico y amoníaco, que se denomina extremadamente"perjudicial". Kroeschell fabrica máquinas de refrigeración deCO2 de acuerdo con una patente (1898) por el húngaro JuliusSedlacek y llamó a su serie de compresores "compresoresPolo Norte". En 1924 se fusionó con la KroeschellRefrigeration Company de New Brunswick, Nueva Jersey,que fabrica compresores de amoníaco Brunswick.

Otras empresas de Estados Unidos, que se ocupan decompresores y sistemas de CO2 eran entre otros; la empresafundada en 1915 en Chicago por Fred Wittenmeier (antiguoempleado de Kroeschell de), Machine Company Carbondaley la estadounidense Carbonic Machinery Company.

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E. TORRELLA

CO2 R-744. USA. Kroeschell Bros.


CHARLES DICKERMAN 1909. The Pennsylvania Iron Works Company

CO2 R-744. USA. OTROS

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