TIPOS DE REFRIGERANTES, APLICACIONES Y TENDENCIAS DE MERCADO

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¿QUÉ ES UN REFRIGERANTE?

Lo primero que tenemos que hacer es definir qué es un refrigerante. Según el Reglamento de Seguridad de Instalaciones Frigoríficas,  en su IF-01, Terminología, tenemos que un Refrigerante (fluido frigorígeno) es un fluido utilizado en la transmisión de calor que, en un sistema de refrigeración, absorbe calor a bajas temperatura y presión, cediéndolo a temperatura y presión más elevadas. Este proceso tiene lugar, generalmente, con cambios de fase del fluido.

Por otro lado, se nos habla de Fluido secundario (fluido frigorífero),  que son unas sustancias intermedias (p.ej., agua, salmuera, aire, CO2, etc.) utilizadas para transportar calor entre el circuito frigorífico (circuito primario) y el medio a enfriar o calentar, con o sin cambio de estado.

En esta entrada nos centraremos en los Refrigerantes o fluido frigorígeno.

NOMENCLATURA DE LOS REFRIGERANTES

Los refrigerantes se clasifican en grupos de acuerdo con sus efectos sobre la salud y la seguridad.

De acuerdo con lo que establece el artículo 12 del Reglamento de Seguridad para Instalaciones Frigoríficas, los refrigerantes se denominarán o expresarán por su fórmula o por su denominación química, o si procede, por su denominación simbólico numérica, no siendo suficiente, en ningún caso, su nombre comercial.

Los refrigerantes podrán expresarse, en lugar de hacerlo por su fórmula o por su denominación química, mediante la denominación simbólica numérica adoptada internacionalmente y que se detalla seguidamente.
La denominación simbólica numérica de un refrigerante se establecerá a partir de su fórmula química, consistiendo en una expresión numérica en la que:

  • El primer carácter empezando por la izquierda es una R de Refrigerante, ejemplo: R134a.
  • La primera cifra de la derecha, en los compuestos que carezcan de bromo, indicará el número de átomos de flúor de su molécula.
  • A la izquierda de la anterior se indicará, con otra cifra, el número de átomos de hidrógeno de su molécula más uno.
  • A la izquierda de la anterior se indicará, con otra cifra, el número de átomos de carbono de su molécula menos uno.
  • Si resulta un cero no se indicará.
  • El resto de los enlaces se completará con átomos de cloro.
  • Si la molécula contiene átomos de bromo se procederá de la manera indicada hasta aquí, añadiendo luego a la derecha una B mayúscula, seguida del
    número de dichos átomos.
  • Los derivados cíclicos se expresarán según la regla general, encabezándolos con una C mayúscula a la izquierda del número del refrigerante.
  • En los compuestos isómeros, el más simétrico (en pesos atómicos) se indica sin letra alguna a continuación de los números. Al aumentar la asimetría, se colocarán las letras a, b, c, etc.
  • Los compuestos no saturados seguirán las reglas anteriores, anteponiendo el número 1 como cuarta cifra, contada desde la derecha.
  • Los azeótropos o mezclas determinadas de refrigerantes se expresarán mediante las denominaciones de sus componentes, intercalando, entre paréntesis, el porcentaje en peso correspondiente de cada uno y enumerándolos en orden creciente de su temperatura de ebullición a la presión de 1,013 bar a (absolutos). Los azeótropos también pueden designarse por un número de la serie 500 completamente arbitrario.
  • Las mezclas zeotrópicas determinadas de refrigerantes se expresarán mediante la denominación de sus componentes, intercalando, entre paréntesis, el porcentaje en peso correspondiente de cada uno y enumerándolos en orden creciente de su temperatura de ebullición a la presión de 1,013 bar a (absolutos). También puede designarse por un número de la serie 400 completamente arbitrario. Cuando dos o más mezclas zeotrópicas están compuestas por los mismos componentes en diferentes proporciones, se utilizarán las letras A, B, C, etc… para distinguirlas entre ellas.
  • Los números de identificación de los refrigerantes de los compuestos inorgánicos se obtienen añadiendo a 700 los pesos moleculares de los compuestos.
  • Cuando dos o más refrigerantes inorgánicos tienen los mismos pesos moleculares se utilizarán las letras A, B, C, etc… diferenciarlos

Un ejemplo de ello puede ser el R-134. El 4, está indicando el número de átomos de flúor que lleva la molécula, por lo que son 4. El segundo indica el número de átomos de hidrógeno más uno, por lo que tendría 2 hidrógenos. El tercer número indica el número de átomos de carbono menos uno, por lo que tendría 2 carbonos. Por lo tanto, es C2H2F4, que es el 1,2,3,4-tetrafluoroetano. La a significa la isomería que tiene la molécula.

CLASIFICACIÓN DE LOS REFRIGERANTES

En general los refrigerantes podemos clasificar los refrigerantes como:

  1. Los inorgánicos, como el agua o el NH3(Amoníaco)
  2. Los de origen orgánico: halocarbonos/hidrocarburos
    1. CFC: halocarbono completamente halogenado (exento de hidrógeno) que contiene cloro, flúor y carbono, perjudiciales para la capa de ozono.
    2. HCFC: halocarbono parcialmente halogenado que contiene hidrógeno, cloro, flúor y carbono.
    3. HFC: halocarbono parcialmente halogenado que contiene hidrógeno, flúor y carbono.
    4. PFC: halocarbono que contiene únicamente flúor y carbono.
    5. HC: hidrocarburo que contiene únicamente hidrógeno y carbono.
    6. HFO: hidrofluorolefinas.

Mezclas

Azeotrópicas: mezcla de fluidos refrigerantes cuyas fases vapor y líquido en equilibrio poseen la misma composición a una presión determinada.
Zeotrópicas: mezcla de fluidos refrigerantes cuyas fases vapor y líquido en equilibrio y a cualquier presión poseen distinta composición. (Deslizamiento o Glide).

Clasificación por su inflamabilidad y su toxicidad 

Según el Reglamento de Instalaciones Frigoríficas, (Real Decreto 552/2019) los refrigerantes se clasifican en función de sus efectos sobre la salud y la seguridad, en dos grupos: por su inflamabilidad y por su toxicidad.

Por su inflamabilidad

  • Categoría 1: Refrigerantes que no muestran propagación de llama cuando se ensayan a +60 ºC y 101,3 kPa.
  • Categoría 2: Refrigerantes que cumplan las tres condiciones siguientes:
    • Muestran propagación de llama cuando se ensayan a +60 ºC y 101,3 kPa.
    • Tiene un límite inferior de inflamabilidad, cuando forman una mezcla con el aire, igual o superior al 3,5% en volumen (V/V).
    • Tiene un calor de combustión menor que 19.000 kJ/kg.
      Dentro de éste grupo la norma ISO 817 ha introducido el criterio de la disminución de riesgo a causa de la baja velocidad de propagación de la llama de ciertas substancias, estableciendo la categoría 2L, el cual además de satisfacer las tres condiciones anteriores presenta la siguiente característica: Velocidad de propagación de la llama inferior a 10 cm/s. Los refrigerantes que en la actualidad están dentro de esta categoría son los siguientes A2L: R-32; R-143a; R-1234yf; R-1234ze; R-444A; R-444B; R-445A; R-446A; R-447A; R-451A; R-451B; R-452B; R-454A; R-454B; R-454C y R-455A. B2L: R-717.
  • Categoría 3: Refrigerantes que cumplan las tres condiciones siguientes:
    • Muestran propagación de llama cuando se ensayan a +60 ºC y 101,3 kPa.
    • Tiene un límite inferior de inflamabilidad, cuando forman una mezcla con el aire, inferior al 3,5% en volumen (V/V).
    • Tiene un calor de combustión mayor o igual que 19.000 kJ/kg.

Por su toxicidad

  • Categoría A: Refrigerantes cuya concentración media en el tiempo no tiene efectos adversos para la mayoría de los trabajadores que pueden estar expuestos al refrigerante durante una jornada laboral de 8 horas diarias y 40 horas semanales y cuyo valor es igual o superior a una concentración media de 400 ml/m3 [400 ppm. (V/V)].
  • Categoría B: Refrigerantes cuya concentración media en el tiempo no tiene efectos adversos para la mayoría de los trabajadores que puedan estar expuestos al refrigerante durante una jornada laboral de 8 horas diarias y 40 horas semanales y cuyo valor es inferior a una concentración media de 400 ml/m3 [400 ppm. (V/V)].

Con todo esto, nos queda una tabla de clasificación sobre Clases de seguridad y su determinación en función de la inflamabilidad y toxicidad:

Clasificación de los refrigerantes por su función

  • Primario o fluido frigorígeno: si es el agente transmisor en el sistema frigorífico, y por lo tanto realiza un intercambio térmico principalmente en forma de calor latente.
  • Secundario o fluido frigorífero: Sustancia intermedia (p.ej., agua, salmuera, aire, etc.) utilizada para transportar calor entre el circuito frigorífico (circuito primario) y el medio a enfriar o calentar.
  • Se puede obtener más info en este documento de Kimikal, en el capítulo 3.

¿QUÉ TIPOS DE REFRIGERANTES SE UTILIZAN? CRITERIOS UTILIZADOS PARA LA SELECCIÓN

La elección del refrigerante

La decisión es compleja. No depende exclusivamente del PCA del refrigerante, es necesario considerar criterios económicos respecto a la inversión inicial y costes operativos, criterios técnicos en función de la disponibilidad de tecnologías y también profesionales cualificados. Además tiene que responder a los requerimientos normativos respecto a la seguridad de las instalaciones de refrigeración, criterios medioambientales respecto al PCA, TEWI, consumo energético y un largo etc. de consideraciones que hacen que la elección del refrigerante sea una decisión completa, y existan soluciones diferentes ante una misma situación.

Los refrigerantes deberán seleccionarse teniendo en cuenta los siguientes aspectos:

  1. Efectos medioambientales: Potencial de Calentamiento Atmosférico PCA y Potencial de Agotamiento de la capa de Ozono PAO.
  2. Carga de refrigerante.
  3. Aplicación del sistema de refrigeración.
  4. Diseño del sistema de refrigeración.
  5. Construcción del sistema de refrigeración.
  6. Cualificación profesional.
  7. Eficiencia energética.
  8. Seguridad e higiene (toxicidad, inflamabilidad, eetc).
  9. Presiones de operación positivas: Las presiones de condensación y evaporación deben ser positivas y mayores a la presión atmosférica de 1.013 bar.
  10. Temperatura de evaporación:  La temperatura de evaporación debe ser baja.
  11. Temperatura crítica por encima de la temperatura de condensación:  La temperatura crítica del refrigerante debe estar por encima de 55 °C.
  12. Temperatura de congelación por debajo de la temperatura de evaporación:  La temperatura de congelación debe ser menor que la temperatura de evaporación.
  13. Volumen específico en fase vapor, bajo: Debe ser lo más bajo posible. En fase vapor se considera una temperatura de 20 °C yla presión atmosférica de 1.013 bares para determinar el volumen específico.
  14. Calor latente de vaporización, alto: El valor del calor latente de vaporización debe ser el más alto posible.
  15. Densidad: Las densidades del refrigerante en fase líquida y vapor se utilizan para calcular los recipientes acumuladores, las líneas de líquido, los evaporadores, los condensadores y la línea de succión de los sistemas.
  16. Entropía: Hace referencia a la energía del refrigerante en el proceso de compresión y se utiliza para determinar la temperatura de salida del refrigerante del compresor.
  17. No debe ser tóxico ni venenoso y no debe ser explosivo ni inflamable: Los refrigerantes se han clasificado de acuerdo con el grado de toxicidad e inflamabilidad, según lo establecido en el Estándar 34 de ASHRAE.
  18. No debe tener efecto sobre otros materiales:  No deben tener efectos corrosivos ni afectar la estabilidad de los materiales.
  19. Fácil detección cuando se presenten fugas: Los refrigerantes con moléculas más pequeñas los hace más fáciles de presentar fugas.Los refrigerantes con moléculas grandes tienen menor tendencia de fugas.

Además de esto, debemos tener en cuenta lo siguiente a la hora de elegir un refrigerante:

  • Precio del refrigerante: Hay algunos refrigerantes que se han multiplicado por 7 respecto a los años anteriores.
  • PCA (Poder de Calentamiento Atmosférico): Este índice da el daño que se le proporciona a la atmósfera. Debe ser bajo, ya que la legislación española en vigor contempla un impuesto aplicable a todos los gases con PCA>150, por los cuales se pagará un impuesto proporcional al PCA. (PCA x 0.015). Por ejemplo, para el R-404A, debería pagarse 3921.6 x 0.015= 58.42 euros/kg.
  • REGLAMENTO EUROPEO F-GAS: Establece un calendario de reducción y una paulatina prohibición de los actuales gases refrigerantes. Su objetivo principal es la reducción del uso de gases fluorados de efecto invernadero (GEI) en un 70% de cara al año 2030.

 

APLICACIONES DE LOS REFRIGERANTES

La incorporación de nuevos refrigerantes

La «nueva generación de refrigerantes» o cuarta generación ya convive con nosotros. Hoy tenemos muchos fluidos en el mercado, tanto naturales como sintéticos; no existe una solución única y universal. Los nuevos refrigerantes, no son sólo un nuevo fluido. Obliga a todos los componentes, sobre todo al compresor, a adaptarse a este nuevo medio y por eso es necesario el estudio de la compatibilidad de los nuevos refrigerantes con los aceites ya existentes. Se siguen estudiando los refrigerantes naturales como amoniaco y dióxido de carbono como solución alternativa a los HFCs, por su bajo PCA, en servicios que antes, por poca evolución en la tecnología, no podían operar. Estos refrigerantes naturales contribuyen de forma notoria en minimizar las emisiones de CO2 en la atmósfera, reduciendo así el impacto en el cambio climático.

La actual modificación del Reglamento plantea nuevos condicionantes a la hora de elección de los refrigerantes a utilizar, teniendo también que prever los posibles cambios, tanto administrativos, como tecnológicos que puedan devenir. El mercado está en un proceso continuo de cambio, y lo que hoy puede ser una solución acertada, dentro de 10 años, podría no ser viable económicamente.

En este punto, vamos a detallar las aplicaciones de los refrigerantes, para qué se utilizan, atendiendo a su daño a la atmósfera, hablando del TEWI y del PCA.

A partir del 1 de enero de 2020 han quedado totalmente prohibido por el reglamento Europeo F-Gas el uso de refrigerantes tipo HFC con PCA ≥ 2500 en nuevas instalaciones, y en 2022 quedarán prohibidos aquellos que tengan un PCA ≥ 150, algo que ha revolucionado por completo el  sector del frío industrial, obligándolo a utilizar refrigerantes alternativos.

A continuación, veremos cuáles son los refrigerantes más utilizados en refrigeración comercial e industrial a día de hoy, indicando los sectores y equipos en los que se utilizan, la normativa aplicable, si dañan o no la capa de ozono y si reducen el efecto invernadero.

¿Qué gases refrigerantes se utilizaban en refrigeración?

Tradicionalmente en las últimas décadas, el refrigerante por excelencia usado en refrigeración comercial e industrial ligera ha sido el R-404A, que presenta unas características que lo hacían idóneo para baja, media e incluso alta temperatura. Tras la entrada en vigor del impuesto de gases fluorados en España y con la amenaza de la inminente prohibición en 2020 del refrigerante R-404A por el reglamento Europeo F-Gas, los diferentes fabricantes y distribuidores de gases han lanzado al mercado diversos gases refrigerantes sustitutivos directos del R-404A.

Por otro lado, el uso de los gases HFC (hidrofluorocarbonos) fue implementado en el mundo de la refrigeración en la década de los 90 para reemplazar otros gases que dañaban la capa de ozono (CFC o HCFC), y en la actualidad, se busca también sustituirlos debido a que son unos de los gases que más contribuyen al efecto invernadero y que tienen por tanto un gran impacto sobre el calentamiento global del planeta.

¿Cuál es la tendencia actualmente?

Durante los últimos años ha crecido significativamente la emisión de HFC a la atmósfera debido a la creciente demanda de refrigeración, especialmente en los países en desarrollo con una clase media en rápida expansión y climas cálidos.

Refrigerantes más empleados en la actualidad

gases-refrigerantes-mas-utilizados

Se puede observar que todos los refrigerantes más utilizados en la actualidad tienen un potencial de agotamiento del ozono igual a cero (PAO = 0). Significa que ninguno de ellos es un potencial destructor de la capa de ozono; son los gases refrigerantes sustitutos. En cambio, vemos que el potencial de calentamiento atmosférico PCA 100 es bastante variable de unos refrigerantes a otros.

¿Cuál es la normativa aplicable?

  • Real Decreto 552/2019, de 27 de septiembre, por el que se aprueban el Reglamento de  seguridad para instalaciones frigoríficas y sus instrucciones técnicas complementarias.
  • Real Decreto 1042/2013, de 27 de diciembre, por el que se aprueba el Reglamento del Impuesto sobre los Gases Fluorados de Efecto Invernadero.
  • Ley 6/2018, de 3 de julio, de Presupuestos Generales del Estado para el año 2018. Artículo 85 (modificación del anterior reglamento).
  • Reglamento (UE) nº 517/2014 del Parlamento Europeo y del Consejo, de 16 de abril de 2014 sobre los gases fluorados de efecto invernadero. “Reglamento F-Gas”.
  • Real Decreto 115/2017, de 17 de febrero, por el que se regula la comercialización y manipulación de gases fluorados y equipos basados en los mismos, así como la certificación de los profesionales que los utilizan y por el que se establecen los requisitos técnicos para las instalaciones que desarrollen actividades que emitan gases fluorados.

 

BIBLIOGRAFÍA

Ponemos, a continuación, algunos de los documentos que nos han servido para elaborar esta entrada:

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