Pureza y seguridad en refrigerantes

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Procurar la calidad de los refrigerantes, es decir, cumplir con los estándares de pureza establecidos internacionalmente contribuye a mejorar el desempeño energético de los sistemas de refrigeración, lo que disminuye los costos de electricidad, alarga la vida útil del equipo y abona a la seguridad de los usuarios

Redacción, con información de Chemours

Elaborado por el Instituto de Acondicionamiento de Aire, Calefacción y Refrigeración (AHRI, por sus siglas en inglés), el Estándar 700 define las especificaciones de pureza, verifica la composición del refrigerante e identifica los métodos de prueba asociados para determinar la aceptabilidad de los refrigerantes enlistados. Se trata del principal recurso para conocer las especificaciones para la pureza y la información sobre la composición de un refrigerante”. 1

La pureza se cuantifica asignando límites para los contaminantes presentes, incluyendo humedad, no condensables, impurezas volátiles, alto residuo de ebullición, particulados y sólidos, acidez y cloruros.2 Si bien la adherencia al Estándar 700 es voluntaria, brinda mucho más que sólo tranquilidad a los usuarios finales. Las deficiencias en la pureza del refrigerante podrían tener significativos impactos en la operación de un sistema de refrigeración, así como en el costo total de la propiedad y la seguridad de los usuarios.

Desviaciones del Estándar 700 Los niveles de humedad en un sistema de refrigeración es una de las principales variables a controlar. La máxima cantidad de humedad permitida antes de que los problemas se presenten en el equipo, está en función del refrigerante utilizado y de la temperatura en el lado bajo.

La Figura 1 ilustra la solubilidad de la humedad en el R-134a a lo largo de un intervalo de temperaturas. Debido a que la solubilidad de la humedad en un refrigerante disminuye con la reducción de la temperatura, algunas piezas como válvulas de expansión y tubos capilares son especialmente vulnerables. Si las temperaturas son lo suficientemente bajas, la humedad se separará del refrigerante y se congelará.

Figura 1.
Solubilidad de la humedad versus la temperatura del R 134a.

Esto dará como resultado la restricción o la obstrucción de las rutas de flujo. En la Figura 2, se observan los signos de una ruta de flujo restringida, ocasionada por la congelación de la humedad en una válvula de expansión.

Figura 2.
Solubilidad de la humedad versus la temperatura en el R-134a.

Una válvula de expansión termostática (TXV, por sus siglas en inglés) o un orificio obstruido, permiten el paso de menos refrigerante al evaporador. Si bien las temperaturas y presiones más bajas resultantes pueden parecer benéficas, una menor cantidad de refrigerante pasando a través del evaporador significa la absorción de menos calor latente. Esto ocasionará que la temperatura del espacio o del fluido acondicionado suba. Por el contrario, la humedad congelada en una TXV puede impedir que la válvula se cierre durante un ciclo de apagado (Off). En consecuencia, el evaporador se inundará durante el ciclo Off, lo que a su vez puede llevar a que el líquido sea acarreado al compresor, o a un ciclado corto cuando el sistema está encendido (On).3

Además de las rutas de flujo restringidas, la humedad en presencia de refrigerantes y aceites tiene el potencial de crear un entorno ácido, cuyos efectos se analizan posteriormente.

¿Qué pasa con los refrigerantes no condensables?

Inertes, gases no absorbibles (non absorbable gas o NAG), gas no condensable (non condensable gas o NCG), o simplemente no condensables, son términos utilizados para referirse a los gases como el aire, el nitrógeno, argón, dióxido de carbono y oxígeno. Cuando están presentes dentro de un sistema RAC, los refrigerantes no condensables migran hacia el condensador y quedan atrapados en éste.

El volumen ocupado por estos gases reduce la superficie del área disponible para que el refrigerante transfiera el calor, reduciendo así el desempeño del sistema. La cantidad de calor intercambiado (q) en un condensador, puede expresarse utilizando la siguiente ecuación:

Q = Uo Ao Δt

Donde Uo representa el coeficiente general de transferencia de calor, Ao es el área superficial de transferencia de calor y Dt es la diferencia de temperatura que aplica al intercambiador de calor específico. 4

Con una carga fija del condensador (Q) requerida para rechazar el calor (tanto del evaporador como del trabajo de compresión), y un coeficiente de transferencia de calor relativamente constante (U0), la ecuación anterior puede ser utilizada para visualizar que una reducción en el área de transferencia de calor (Ao) es igual a un incremento en la distribución del condensador.

Un incremento en la distribución significa un incremento en la temperatura y la presión promedio del refrigerante en el condensador. Típicamente, las presiones de condensación mayores a las esperadas son el signo que revela de la presencia de no condensables en un sistema.

Clasificación de seguridad y parámetros de inflamabilidad

El refrigerante OpteonTM XP40 (R-449A) fabricado por The Chemours Company sirvió para ilustrar las tendencias relativas resultantes del incremento en la temperatura del condensador, como se observa en la Figura 3.

Figura 3.
Desempeño relativo de OpteonTM XP40 (R-449A) versus la temperatura de condensación.

A medida que el porcentaje de no condensables aumenta, la temperatura promedio del condensador también se eleva. Con los incrementos en la temperatura promedio del condensador, se observa que el coeficiente de desempeño (coefficient of performance o COP) y la capacidad de enfriamiento se reducen, a medida que los requerimientos de flujo másico aumentan.

Los decrementos en el COP y en la capacidad se traducen en forma de recibos de energía eléctrica más altos. Adicionalmente, la capacidad de los compresores del sistema podría no ser suficiente para mantener los crecientes requerimientos de la tasa del flujo másico asociados con las mayores temperaturas de condensación.

El resultado es un incremento en las temperaturas del evaporador, lo que desemboca en ocupantes del edificio incómodos, en el caso de una unidad de acondicionamiento de aire, o productos lácteos tibios en el caso de un refrigerador exhibidor en el supermercado.

Observaciones finales

En cualquier sistema de refrigeración, las deficiencias en la pureza del refrigerante afectarán adversamente el desempeño energético, la capacidad del sistema, la vida del equipo y la seguridad general de operadores y usuarios. La pureza de los refrigerantes sólo puede ser garantizada a través de la estricta adherencia a los estándares vigentes.

Empresas como The Chemours Company desarrollan soluciones enfocadas en la centralidad del cliente y la seguridad. Esto sin mencionar que se alinean con el Estándar de Pureza 700 del AHRI. El resultado: productos seguros y efectivos para una operación segura y de alto desempeño.

Fuentes:

1. 2018 ASHRAE Handbook Refrigeration. American Society of Heating, Refrigerating, and Air Conditioning Engineers.
2. AHRI Standard 700 Standard 700: Specifications for Refrigerants (2017). Air-Conditioning, Heating, and Refrigeration Institute.
3. Althouse, Andrew D., et al. Modern Refrigeration and Air Conditioning. The Goodheart Willcox Company, Inc., 2014.
4. 2018 ASHRAE Handbook HVAC Systems and Equipment Chapter 48. American Society of Heating, Refrigerating , and Air Conditioning Engineers.