Gases Refrigerantes

 

FLUIDOS REFRIGERANTES Ing. Luis Bocanegra Ortiz, MSc

 

CARACTERISTICAS CARACTERIST ICAS DE UN REFRIGERANTE

• Flamabilidad • Toxicidad • Corrosividad • Incompatibilidad

 

Gases refrigerante primarios • Cloreto de etilo (1717) • Eter etílico (1856) • Anhidrido Sulfuroso (1874) • Amoniaco (1876) • Cloreto de metilo (1878) • Anhidrido carbónico (1878)

 

Gases Refrigerantes: 2da Generación • R12 (1930, Diclorodifluormetano) • R11 (1932, Triclorofluormetano) • R22 (1935, Monoclorodifluormetano) • R502 (Azeótropo de 48.8% de R22 y 51.2% de R115)

 

Destrucción del Ozono

• 1974

: Rowland y Molina

• 80s

: Investigaciones y mediciones

científicas confirmaron el adelgazamiento de la capa de ozono

 

Destrucción del ozono

 

Atomo de Cloro

UV

Molécula de CFC

Molécula de ozno

Monóxido de Cloro Cloro libre Atomo de oxigeno libre

Molécula de oxígeno

Molécula de oxigeno

 

Factores Ambientales • ODP: Factor de destrucción de la capa de ozono • GWP: factor de Calentamiento Global • TEWI: Impacto total equivalente

 

Refrigerante ODP GWP Factores Ambientales CFC 11

1.000

1.000

CFC 12

1.000

3.000

CFC 113

0.800

1.400

CFC 114 CFC 115

1.000 0.600

3.900 7.500

R 500

0.740

2.280

R 502

0.310

5.000

HCFC 22

0.055

0.360

HCFC 123 HCFC 124

0.020 0.022

0.020 0.100

HFC 143a

0.000

0.760

HFC125

0.000

0.840

HFC 134a

0.000

0.250

HFC 32 HFC 152a

0.000 0.000

0.130 0.030

 

TEWI • TEWI = GWP x M + ()  (  ( ) • GWP

= GWP del fluido relativo al CO2  (GWP CO2 = 1)

• M

= Masa total del refrigerante liberado (Kg.)

•     = Cantidad de CO2 liberado en la generación de electricidad (KgCO2 / Kw-h) ( = 0 para hidráulicas)      = Energía consumida por el sistema durante su vida útil (Kw-h)

 

Programa de Eliminación • Parámetro de consumo: 300 gr per cápita anual • Los países que excedan este nivel de consumo tiene fecha límite para eliminar los CFC el 31 de Diciembre de 1995

 

Programa de eliminación

• Grupo I: Anexo A

GrupoI AnexoB

CFC 11

CFC 111

CFC 12 CFC 113

CFC 112 CFC 211

CFC 114

CFC 212

CFC 115

CFC 213 CFC 214

GrupoI: AnexoC HCFC

 

•

Programa de Eliminación Otras substancias se encuentran resumidas en el grupo II, incluyendo : tetracloruro de carbono, metilcloroformo, bromuro metilo y halones (sustancias para de eliminación de fuego). En los países industrializados, los HCFC serán eliminados en el 2015 en la fabricación de equipos nuevos y en el 2030 para servicio de equipos ya existentes.

 

ASHRAE R 402a (22/125/290) R402 b (22/125/290) R401a (22/152a/124) R401 b (22/125a/124)

Reemplazos Intermedios Marca Registrada Reemplaza Ti Tip po HP 80 R 502 Mezcla

MP39

HCFC 22 R 502 HCFC 22 CFC 12

Mezcla

MP 66

CFC 12

Mezcla

HP 81

Mezcla

Lubricante Alquilbenceno

Aplicación Recargas

Poliolester   Alquilbenceno Máquinas Poliolester de hielo Alquilbenceno Recargas Poliolester (Tev mayor -10F) Alquilbenceno Recargas Poliolester (Tev menor a -10F)

 

Cuidados en el montaje de los sistemas • Carga de Gas Refrigerante

Linea de baja?

Linea de Alta?

 

Cuidados en el montaje de los sistemas

 

R134 VS R12

 

Presión x Temperatura de saturación

 

Efecto volumétrico

 

Aplicación LBP

 

Aplicación HBP

 

Motor Eléctrico

 

Aceite Lubricante

 

TUBO CAPILAR  • NECESIDAD TEORICA DE REDUCIR EL CAUDAL EN 10 A 15% PARA MANTENER LA MISMA EFICIENCIA DEL SISTEMA

 

FILTRO SECADOR  • FILTROS CON DESECANTE XH7 O XH9 • LA CANTIDAD DE DESCANTE DEBE SER 20% MAYOR DEBIDO A LA MAYOR HIGROSCOPICIDAD DEL ACEITE

 

Carga de gas Refrigerante

• La Carga de gas refrigerante de R134a  podrá ser 5 a 10% menor 

 

Higroscopicidad del aceite

 

Estabilidad Térmica e Hidrolítica

 

Residuos Incompatibles • AGUA • PRODUCTOS ALCALINOS • COMPUESTOS CLORADOS

 

Residuos Inmiscibles

• Ceras - Parafina • Grasas - Silicones, Grasas de Protección

 

Recomendaciones:

• Los tapones de goma sólo deberán ser removidos  para ser instalado al sistema (Máximo 15 minutos)

 

Recomendaciones • Aceites protectores suelen ser fuertemente alcalinos • Solventes actualmente usados (Por ej. R11) son substancias cloradas

 

Recomendación • Realizar vacío por ambos lados hasta un nivel inferior o igual a 0.6 mbar  • Equipos reservados para el uso exclusivo del R134a • Evitar intercambio de herramientas entre el R12 y el R134a

 

Recomendación

• Usar detectores de fuga compatibles con el R134a

 

Gas R22

 

R22 a baja Temperatura • CADA 2.5C TIENE UN CRECIMIENTO DE 1% EN SU VOLUMEN

 

SOBRE CALENTAMIENTO 5C

Variable EVAPORADOR

VE

Sobrecalenntamiento debido a la Sobrecalenntamiento válvula de expansión

Sobrecalentamiento debido a la instala i nstalación ción

 

Sobrecalentamiento Succión

Sobrecalentamiento Sobrecalentam iento debido al motor

Sobrecalentamiento Sobrecalentam iento debido al motor  eléctrico  

 NO USAR CON R22!!!!!!!

 

Sobrecalentamiento • Función de la Aplicación • ALTA/MEDIA: 12/15 oC • BAJA: 25/35 oC

 

• Ej.: 30C de Sobrecalentam Sobrecalentamiento iento • 30C/2.5 = 12% • El Volumen aumenta 12%

 

Solución: Demand Solución:  Demand Cooling 

 

Demand Cooling

 

Bajar grado de Sobrecalentamiento • Aislando la tuberia de succión • Linea de succión menor de dos metros • Manteniendo Tcd = Cte. • Usar válvula reguladora de presión de succión • Sistemas de dos etapas

 

T cond = Cte • Si Tcd desciende: La capacidad aumenta y  puede desaparcer el sobrecalentamiento sob recalentamiento corriendo el riesgo de ingresar líquido al compresor  • Si Tcd aumenta: La capacidad disminuye reduciendo el flujo de masa, poniendo en riesgo el enfriamiento del motor 

 

Sistema de dos etapas

 

Sistemas de dos etapas De -20oC para abajo

• Usar: Separador de líquido Separador de aceite Filtro de succión Enfriamiento intermedio

 

SISTEMA CASCADA

 

Doble etapa

 

P(KPa)

5

7

8

4

6

3

2

1 h(KJ/Kg)

 

TÚNEL DE ENFRIAMIENTO (BATCH) Temp. de aire = +0.5°C / +1°C

Velocidad aire : 6 m/s Tiempo de enfriamiento : 4 a 6 horas

AREQUIPA DERECHOS RESERVADOS. ©

ENGINEER

 

V= 5m/s

Túnel de Congelamiento 0.86m

0.80m

Bacht: 4, 6 u 8 horas

10 Kg 1.70m

0.064m 0.35m

0.89m

 

5

3

4

Enfriador Intermedio medio 6

7 2

8

1

 

Una instalación frigorífica de R-502, dotada de tanque "flash'' y enfriador intermedio, opera a una Tevap y Tcond de -25°C y 36°C respectivamente. La presión intermedia corresponde a una temperatura de saturación de 0°C. Si la capacidad de instalación es de 300 compresor? Kw, ¿Cuáles   son los flujos de masa comprimidos  por

 

Las entalpías: P(KPa)

h1 = 335.48 KJ/Kg. h2 = 351.0 h3 = 346.6

5

7

4

6

3

2

h5 = h6 8

h6 = 243.2 h7 = h8 h8 = 200.0

1 h(KJ/Kg)

 

El flujo de masa que circula por el evaporador y por el compresor "booster'' es:   m1 = m2 = m7 = m8 = 300Kw = 300 = 2.216 Kg/s   h1 - h8  335.4 - 200   Para determinar el flujo de refrigerante que calcula por el compresor de alta presión:   Balance de masa: m2 + m6 = m7 + m3  

m7 = m2 

  Balance de energía:

m3 = m6 m2h2 + m6h6 = m7h7 + m3h3

   

y

(2.216) (351.0) + m3 (242.2) = (2.216) (200) + m3 (346.6) 5

3

m3 = 3.326 Kg./s

4

Enfriador Intermedio 6

7 2

8

1

 

Comprensión con dos etapas y dos niveles de temperatura de evaporación  P(KPa)

30C

5 6

8

-2C

4

3 7 2

-28C 1

h(KJ/Kg)

 

5 P(KPa)

3

4

7

30C

5 6

8

-2C

4

3 7

2

-28C

Enfriador Intermedio

1

6

h(KJ/Kg)

2 8

1

 

Un almacén de alimentos opera con una instalación frigorífica de R-22 que sirve a una cámara de congelados de 300 Kw de capacidad frigorífica. El evaporador opera a una temperatura de evaporación de -28°C, y una cámara de verduras de 220 Kw de capacidad dotada de un evaporador que opera a una temperatura de evaporación de –2°C. La temperatura de condensación del ciclo es de 30°C. ¿Cuáles son los flujos de masa desplazadas por cada compresor?

 

Solución: h1 = 394.02 Kj/Kg.

P(KPa)

5 6

h2 = 417.0 h3 = h7

30C

8

-2C

4 3 7

2

h7 = 404.63 h5 = h6 h6 = 236.66 h8 = 197.66 

-28C

1 h(KJ/Kg)

 

Flujos:   Evaporador de alta temperatura:   m5 = m7 = 220 Kw.   404.63-236.66   Evaporador de baja temperatura   m8 = m1= 300 Kw.

= 1.310 Kg /s

= 1.528 Kg./s

  394.02 – 197.66   Flujo de vapor que deja el tanque "flash''   m  = 3  

( 417.0-197.66 ) 1.528 + 1.310 = 3.305 Kg/s 404.63-236.66

El flujo desplazado por cada compresor:  

"booster'':

m1 = 1.528 Kg/s

Alta presión:

m3 = 3.305 Kg/s

 

P(KPa)

5

7

8

4

6

3

2

1

h(KJ/Kg)

 

Enfriamiento intermedio en compresión de dos etapas 

 

Una instalación frigorífica de amoniaco produce 210 Kw (59.7 (59 .7 TR) de refrigeración, operando entre las temperaturas de evaporación y condensación respectivamente iguales a -24°C y 30°C ¿Cuál debe ser la potencia de compresión para las siguientes condiciones? :   a) El sistema opera según el ciclo padrón de compresión a vapor.  b) El sistema opera según el ciclo con enfriamiento intermedio a la  presión de 430KPa (62.3 Psia)  

Vapor saturado para el compresor de alta Vapor  sobrecalentado liquido

Enfriador dor Intermedio

Del evaporador 

Presión intermedia

 

Solución: a) Para el ciclo padrón de compresión a vapor, las entalpías asociadas a los estados del ciclo son iguales a:   h1  = Entalpía de vapor saturado que deja el evaporador = 1431.6 KJ/Kg. h2 = Entalpía al final de la compresión isoentrópica hasta la presión de condensación = 1729 KJ/Kg. h3  = h4  = entalpía en la salida del condensador y en la entrada del evaporador 341.8 KJ/Kg.   El flujo de refrigerante y la potencia de compresión pueden, así ser calculados:   Flujo de masa = 210 Kw. = 0.193 Kg./s

  1431.6 – 341.8 KJ/Kg.   Potencia del compresor = (0.193) ( 1729 – 1431.6 Kj/Kg) = 57.4 Kw.  

  a)  El ciclo y su diagrama p-h para el caso en que se utiliza enfriamiento intermedio son mostrados en la fig. A y B.   Las entalpías de los estados son:   h1 = 1431.6 KJ/Kg.  

h2 = 1565 P(KPa)

h3 = Entalpías de vapor saturado a 430 KPa (62.3Psia) =   ha 1461 Kj/Kg. h4 = 1601 h5 = 341.8 h6 = 341.8

4 Reducción de compresión   hb

ha

3

2

5 Pc

Pi Pe

1

h7 = 341.8

hb

h(KJ/Kg)

 

El flujo de refrigerante a través del evaporador, m  = m  = m  es la misma que ya 7

1

2

fue calculada en la parte a) 0.193 Kg/s. Un balance de masa y energía en el enfriador intermedio permite escribir las siguientes condiciones:   m3 = m2 + m6 = 0.193 + m6  

m h  + m h  = m h 6 6

2 2

3 3

  Combinando las ecuaciones   (m3 – 0.193) (341.8 Kj/Kg) + (0.193) (1565 Kj/Kg.) = m 3 (1461.7 Kj/Kg)   m3 = 0.211Kg/s   La potencia total de comprensión puede calcularse:   Estado de baja presión (0.193)(1565-1431.6) (0.193)(1565-1431.6) = 25.7 Kw

Estado de alta presión (0.211)(1601-1 461.7) = Potencia(0.211)(1601-1461.7) Total de compresión =

29.4 Kw Kw (73.9 hp) 55.1

 

30C

5 3

4

Enfriador Intermedio 6

P(KPa)

Presión intermedia 0C 2

5

30C

4

-24C 7

6

0C -24C

3

2

1

1

7 h(KJ/Kg)  

En este caso (amoniaco) la reducción de compresión resultante fue de 4%. Si utilizamos R22 para las mismas condiciones de operación la potencia del ciclo padrón seria de 58.4 Kw. (78.3 hp) y adoptando enfriamiento intermedio la potencia combinada de co compresión mpresión seria de 59.3 59.3 Kw (79.5 hp):   Enfriamiento intermedio no implica reducción de  potencia.   La razón de usarlo es limitar la temperatura del refrigerante en la descarga. En instalaciones con compresores alternativos, temperaturas de descarga elevadas pueden comprometer la lubricación del compresor además de de

disminuir la vida útil de las válvulas de descarga.

 

Sistema 2 etapas