Sustitución de los refrigerantes

Los refrigerantes naturales se caracterizan por ser sustancias que se encuentran en la naturaleza, por lo que se generan y destruyen dentro de un ciclo natural, siendo de este modo unas sustancias con un impacto ambiental muy reducido o nulo (cero ODP y la mayoría cero o muy limitado GWP). Han sido utilizados desde el nacimiento de la refrigeración, aunque su uso se vio reducido drásticamente con la irrupción en el mercado de los CFC allá por la década de 1930 (Riffat et al., 1997), siendo los principales retos a los que se enfrentan estas sustancias para su uso como refrigerantes los siguientes:

- Amoniaco (NH3): debe investigarse en la reducción de la carga de refrigerante debido

a su toxicidad y al mal olor que tiene. Además, en los sistemas de absorción debe mejorarse la eficiencia global.

- Agua (H2O): en los sistemas de absorción debe mejorarse la eficiencia global y

disminuirse su tamaño. Además, para trabajar a temperaturas apropiadas será necesario desarrollar compresores adecuados, lo cual aumentará la presión de trabajo notablemente.

- Hidrocarburos (HC): es de vital importancia la reducción de las necesidades de carga de refrigerante para minimizar los riesgos derivados de su uso.

- Dióxido de carbono (CO2): habrá que ampliar la gama comercial de elementos

disponibles para ciclos transcríticos.

- Aire: aunque resulta interesante para su utilización a temperaturas por debajo de cero grados, los investigadores deben desarrollar compresores y dispositivos de expansión más eficientes.

Página 7 Las capacidades de refrigeración son más pequeñas en algunos casos de las que presentan los refrigerantes artificiales utilizados actualmente (agua), en otros casos son similares (HC y amoniaco) y en otros muy superiores (dióxido de carbono). No obstante, en general presentan muy buenas prestaciones comparadas con los refrigerantes tradicionales, como el R134a, el R404A y el R410A (Messineo y Panno, 2011).

Los expertos del sector opinan que los principales obstáculos para la implantación de los refrigerantes naturales son (Burhenne y Chasserot, 2011):

- Tecnología y seguridad: la falta de información y las ideas equivocadas ampliamente extendidas llevan al miedo a la inflamabilidad y las altas presiones. Esta barrera podría superarse con, entre otros, la creación de manuales de seguridad, la publicación y difusión de análisis de riesgos y la implantación de una serie de códigos para clasificar la seguridad de cada equipo en particular.

- Legislación y estándares: en algunos casos son demasiado restrictivos y varían mucho de unos países a otros. Las soluciones propuestas pasan por actualizar los estándares de seguridad y armonizar la normativa entre países.

- Falta de formación y know-how: hacen que las propias empresas del sector no apuesten definitivamente por ellos. La creación de planes de formación específicos, la incorporación en universidades y escuelas tecnológicas de módulos sobre la instalación y el mantenimiento de este tipo de instalaciones y la puesta en común de conocimientos entre los expertos mediante la celebración de jornadas de trabajo podrían ser las soluciones a este inconveniente.

Los ensayos demuestran que los hidrocarburos y sus mezclas presentan por lo general propiedades iguales o mejores que los refrigerantes tradicionales (el COP mejora hasta un 5,7 %), aunque algunos otros presentan propiedades ligeramente inferiores mezclados en determinadas proporciones (11,5 % de reducción de la capacidad frigorífica para el R290). Por otra parte, debido a que su densidad es por lo general mucho más baja, la carga de refrigerante se reduce hasta en un 55 % (Ki-Jung Park et al., 2007), hecho señalado por diversos autores (Poggi et al., 2008; Kheiri et al, 2009), lo cual resulta muy útil ya que dada la inflamabilidad de los hidrocarburos interesa disminuir la carga necesaria, además de otras medidas de seguridad adicionales. No obstante, la elección del fluido refrigerante debe hacerse de forma que se cumplan las especificaciones del sistema no dando un peso excesivo a su densidad como criterio de selección.

Aunque hay numerosos ejemplos en la literatura sobre ensayos de máquinas diseñadas especialmente para este grupo de refrigerantes (Cavallini et al., 2010; Corberán et al.,2008), un

CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN

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problema para el diseño de sistemas que funcionen con ellos es la escasa variedad de ciertos componentes a nivel comercial, como por ejemplo los compresores para capacidades de entre 1 y 20 kW (Palm, 2008).

En frigoríficos para su uso doméstico desde hace años se ha ensayado el uso de hidrocarburos como el isobutano (R600a) y el propano (R290) (Lee y Su, 2002; Rasti et al., 2012; Jung et al., 2000; Blanco-Castro et al., 2005). En Rasti et al. (2012) se realiza una comparación de mezclas de ambos comparándolos con R134a, observándose una reducción de la carga de refrigerante del 48 % y una disminución del 5 % del consumo eléctrico, además de funcionar durante un 11,8 % menos de tiempo, sin llevar a cabo ninguna alteración mecánica en la instalación original. En Palmiter et al. (2011) se realiza un estudio con R410A en bombas de calor residenciales de 10,6 kW distribuidas en las 5 zonas climáticas de los Estados Unidos obteniéndose que el COP se podía incrementar hasta en 5 %, pero recomendando prestar atención a los efectos estacionales y ajustar la carga tanto a estos como a la zona climática. Los resultados obtenidos por otros autores arrojan las mismas tendencias y cifras muy similares realizando comparaciones con otros refrigerantes avocados a su desaparición.

Fernando et al. (2004) estudiaron una bomba de calor agua/agua de 5 kW con R290 como refrigerante que utilizaba intercambiadores de mini/microcanales en evaporador y condensador. Se demostró que en las condiciones de trabajo de Suecia se podía operar reduciendo la carga de refrigerante en un 23 % en el condensador y el 60% en el evaporador, con un aumento superior al 50 % en su coeficiente de transmisión del calor y tan solo una caída de presión un 6 % superior en el condensador, pero del 50 % en el evaporador. La potencia calorífica del equipo apenas varió mientras el COP aumentó un 8 %, mientras que el EER se incrementó un 17 % con un incremento del 8 % en la potencia frigorífica.

En Tammaro et al. (2017) se compara el funcionamiento de una bomba de calor aire/agua de 40 kW para la producción de agua caliente sanitaria funcionando con CO2 y con propano. En

este equipo se tuvo que sustituir el compresor para obtener la misma potencia calorífica, resultando este 2,5 veces más grande en el caso del propano. Se constató como el uso de propano en climas cálidos y templados consigue un ahorro energético, mientras que en climas fríos no hay apenas diferencia.

Dentro de los hidrocarburos tienen una especial atención las HFO, aquellos con al menos un doble enlace carbono-carbono, y sus compuestos derivados, siendo el nombre de olefina un término en desuso y estando recomendado por la IUPAC el término más ampliamente utilizado en la actualidad de alqueno. Entre sus propiedades destacan el ser insolubles en el agua y tender a

Página 9 reaccionar con los halógenos (flúor, cloro, bromo, yodo y astato). En los últimos años han proliferado las publicaciones de estudios teóricos y prácticos en la materia, y son las principales candidatas a ser utilizadas en los sistemas de refrigeración para vehículos de automoción, aunque pueden ser utilizadas en cualquier otro uso.

En particular, el R1234yf (HFO) es el refrigerante cuyas propiedades han llamado más la atención (Brown et al., 2010; Chien et al., 2012) y ha sido seleccionado por los fabricantes de aparatos de refrigeración para vehículos y, en el campo de los aparatos de aire acondicionado, se ha ensayado como posible sustituto del R134a, si bien el R1234ze tiene más posibilidades en este aspecto. Los resultados reflejan que el R1234yf tiene peor comportamiento en cuanto a coeficiente de transmisión del calor se refiere (Del Col et al., 2010), aunque presenta un COP un 1,5 % superior para una temperatura de descarga del compresor de 15 ºC menos (Zhang et al., 2010). Debido a su inflamabilidad y a que sus presiones de trabajo no permiten sustituir a refrigerantes como el R410A que trabajan a altas presiones, se han ensayado mezclas del R1234yf con HFC, como el R32, obteniéndose prestaciones similares al R410A, pero con un menor GWP (Arimoto et al, 2011).

Por otra parte, también se ha evaluado su comportamiento en el campo de las bombas de calor de alta temperatura, en el cual se ha realizado su comparación con el R114, dando un COP un 2,5 % más elevado (Zhang et al., 2010). Para este mismo uso también se ha investigado el R1234ze (HFO) (Brown et al., 2009), encontrándose que el COP sería un 4,9 % más elevado, mientras que ratio de transferencia de calor sería un 20 % superior tanto en el evaporador como en el condensador.

No todos los tipos de refrigerantes presentan las mismas características y por tanto problemas, y no todos los refrigerantes de un mismo tipo presentan las mismas propiedades, por lo que se pueden lograr sustancias fruto de mezclas de los distintos tipos de refrigerantes con unas propiedades híbridas entre los tipos mezclados, y por tanto ocurriría lo mismo con su problemática. De esta forma podrían solventarse algunos impedimentos para su uso masivo.