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Alternativas al gas refrigerante R134a

instalacion-experimental-gases-refrigerantesAdrián Mota Babiloni, Investigador Postdoctoral y miembro del Grupo de investigación ISTENER de la Universitat Jaume I de Castellón ha participado recientemente en la “5th IIR International Conference on Thermophysical Properties and Transfer Processes of Refrigerants” celebrada en Seúl (Corea del Sur) entre los días 23 al 26 de abril con la ponencia “Refrigerantes R1234ze(E) y R450A como alternativas al R134a en sistemas de refrigeración: desde las propiedades de los fluidos hasta la comparación experimental” .

El estudio expuesto en la ponencia de Adrián Mota fue realizado bajo la supervisión del Prof. Joaquín Navarro Esbrí y en colaboración con Pavel Makhnatch y el Prof. Rahmatollah Khodabandeh, miembros de la División de Refrigeración y Termodinámica aplicada del KTH Royal Institute of Technology, de Estocolmo (Suecia).
Dada la importancia del contenido de la ponencia, desde Caloryfrio.com ofrecemos un resumen realizado por el propio Adrián Mota Babiloni, incluyendo la posibilidad de descargar el documento de la presentación.

Introducción y objetivo del trabajo

El uso del R134a como refrigerante está siendo cada vez más extendido en sistemas de refrigeración y aire acondicionado instalados en países en desarrollo, en los cuales se están cumpliendo los plazos de eliminación de clorofluorocarbonos e hidroclorofluorocarbonos (CFCs y HCFCs) establecidos por la normativa europea F-GAS. En países desarrollados como España, es el refrigerante más ampliamente utilizado en sistemas de temperatura media de evaporación como aire acondicionado para automóviles, enfriadoras de agua, y sistemas de refrigeración de temperatura media de evaporación.

Sin embargo, la enmienda del Protocolo de Montreal adoptada por Kigali estableció un calendario para la retirada de los hidrofluorocarbonos (HFCs) como el R134a con el fin de evitar un aumento adicional de 0,5 °C de la temperatura media mundial para el año 2100 (UNFCCC, 2016). Dicho calendario reduce de forma progresiva los HFCs permitidos en tres tipos de países: una categoría para países desarrollados (No A-5) y dos para países en vías de desarrollo (A5 Grupos 1 y 2), ( Figura 1.

evolucion-hfc

Fig.1 Evolución de los HFCs permitidos en los países adheridos al Protocolo de Montreal.

Hoy en día, ha quedado claro que no existe una solución de bajo potencial de calentamiento global (PCA) perfecta para reemplazar a los HFCs en sistemas de refrigeración y aire acondicionado, ya que cada alternativa planteada presenta algunas desventajas relevantes. Por lo tanto, en el futuro, para reemplazar a los HFCs se debe seleccionar un refrigerante como solución de compromiso entre diversos parámetros teniendo en cuenta las características particulares de cada aplicación. En la actualidad se suele diferenciar las alternativas entre refrigerantes naturales y sintéticos.

Destacan tres clases de refrigerantes naturales: hidrocarburos, amoníaco y CO2 dióxido de carbono. Los hidrocarburos y el amoníaco presentan buenas propiedades termodinámicas y se pueden desarrollar sistemas energéticamente eficientes. Sin embargo, estos fluidos presentan preocupaciones con respecto a la seguridad (toxicidad y / o inflamabilidad) y son limitados a aplicaciones de baja carga, o sistemas industriales. El dióxido de carbono, en cambio, es un refrigerante seguro (no inflamable y no tóxico), pero la tecnología actualmente desarrollada no les hace parecer una alternativa viable en la mayoría de aplicaciones tradicionalmente dominadas por fluidos sintéticos.

Los fluidos sintéticos desarrollados como reemplazo a los HFCs de bajo PCA son las hidrofluoroolefinas (HFO). Actualmente pueden ser destacados dos fluidos para refrigeración y aire acondicionado, R1234yf y R1234ze(E), con un PCA de 0.4 y 1 respectivamente. Dichos fluidos también presentan inconvenientes, como ser clasificados como fluidos inflamables (aunque menor a los hidrocarbonos) y que no cumplen con requisitos de capacidad frigorífica al sustituir al R134a de forma directa.

Por lo tanto, también han sido registradas recientemente mezclas de HFOs y HFCs como una solución intermedia para sustituir al R134a y otros HFCs a corto plazo. Aquellos desarrollados como refrigerantes alternativos al R134a, presentan una reducción de PCA mayor del 50%, y no provocan problemas de seguridad por ser clasificados como no inflamables y de toxicidad baja. En este grupo, se pueden destacar dos mezclas registradas y de fácil adaptación en sistemas de refrigeración y aire acondicionado existentes: el R450A, compuesto por R134a y R1234ze(E), y el R513A, compuesto por R134a y R1234yf.

En este trabajo, se compara la adaptación experimental de la HFO pura R1234ze(E) y la mezcla R450A con los resultados obtenidos con R134a en un banco de pruebas de refrigeración para diferentes condiciones de funcionamiento. Para discutir estos resultados experimentales, se toma como partida algunas propiedades básicas de los refrigerantes.

Instalación experimental y ensayos realizados

Una fotografía tomada de la instalación experimental cuyo funcionamiento está basado en un ciclo de compresión de vapor para simular el comportamiento del sistema de refrigeración se muestra en la fotografía que abre el artículo.

Los principales elementos de la instalación experimental son los siguientes: un compresor alternativo de tipo abierto, condensador carcasa-tubos (refrigerante en carcasa) y evaporador carcasa-tubos microaleteados (refrigerante en tubos), y una válvula de expansión termostática diseñada para su funcionamiento con R134a. La instalación cuenta además con componentes adicionales que aseguran un funcionamiento adecuado del sistema, como un separador de aceite, filtro deshumidificador, visor de líquido y elementos de seguridad, entre otros.

Los circuitos secundarios (utilizados para controlar las condiciones de funcionamiento) son aquellos que intercambian calor en el condensador (compuesto por una bomba que recircula agua enfriada por un ventilador y una enfriadora) y en el evaporador (compuesto por una bomba que hace recircula un fluido secundario basado en agua y propilenglicol calentado por resistencias eléctricas controladas mediante un PID inmersas en un tanque).

Se han presentado un total de once ensayos en estado estacionario experimentales para cada fluido, combinando diferentes temperaturas de evaporación (aprox. -13, -3 y 7 °C; correspondientes a una temperatura de evaporación media) y condensación (aprox. 27, 37, 47 y 57 °C; simulando condiciones muy variadas de temperatura ambiente o de diseños de condensador). El grado de sobrecalentamiento, 7 K, para cada refrigerante y las diferentes condiciones se estableció cambiando el orificio y ajustando el tornillo de la válvula de expansión termostática y el grado de subenfriamiento obtenido fue de 2 K variando entre ± 1 K, sin modificar la carga inicial de refrigerante establecido a condiciones intermedias.

Instalación experimental y ensayos realizados

En el artículo se han analizado diferentes parámetros, pero aquellos aquí mostrados son la capacidad frigorífica y el Coefficient of Performance (COP) (Figura 3), utilizado para cuantificar el desempeño energético del sistema de refrigeración. Ambos parámetros han sido representados para diferentes temperaturas de condensación, mostradas en el eje de las abscisas, mientras que las diferentes temperaturas de evaporación (To) son nombradas en la leyenda.

capacidad-frigorifica-cop

Figura 2. Capacidad frigorífica (izquierda) y COP (derecha)

La capacidad de enfriamiento inferior obtenida en los refrigerantes alternativos -R1234ze(E) y R450A- queda patente en la Figura 2. La capacidad frigorífica de R1234ze(E) es mucho más baja que la del R134a (llega a ser un 34% menor), pero la del R450A es un 9% menor como promedio. Teniendo en cuenta las propiedades de los fluidos analizados, esta reducción se debe principalmente al menor caudal másico medido para ambas alternativas, que a su vez es causado por la menor densidad de aspiración si se comparan con el refrigerante R134a. Además de esto, los refrigerantes alternativos sufren una reducción adicional en la diferencia de entalpía en el evaporador (también llamada efecto refrigerante) considerando condiciones equivalentes de subenfriamiento y recalentamiento.

Los resultados experimentales para el COP fueron obtenidos dividiendo la capacidad frigorífica por el consumo eléctrico del motor compresor medido. El COP de R450A es muy similar al obtenido usando R134a mientras que el del R1234ze(E) es ligeramente inferior, aunque puede coincidir con el de R134a en algunos casos.

Teniendo en cuenta que, como se ha mencionado anteriormente, ambos refrigerantes alternativos muestran menor capacidad frigorífica que el R134a, el resultado final del COP tomará en cuenta también la reducción obtenida en la potencia consumida del conjunto motor compresor. Al ser el COP del R450A similar al del R134a, se resalta que la reducción de la potencia consumida fue del mismo orden, mientras en R1234ze(E), esta reducción, aunque reseñable, fue menor que la medida en la capacidad frigorífica. Teniendo en cuenta que la eficiencia electromecánica del conjunto motor-compresor depende de las características de este, la diferencia en en la potencia se debe al trabajo de compresión específico particular para cada refrigerante.

Conclusiones

El refrigerante alternativo R450A, mezcla compuesta por R134a y R1234ze(E), presenta una reducción mínima de la capacidad frigorífica y similar desempeño energético al R134a cuando sustituye a este en sistemas de refrigeración experimentales. Si se considera además la importante reducción en PCA y que es un refrigerante seguro, su utilización en instalaciones reales realizando modificaciones mínimas puede dar lugar a beneficios medioambientales y ayudar a conseguir los objetivos establecidos en la enmienda del Protocolo de Montreal. El uso del R1234ze(E) puede ser interesante en instalaciones nuevas que utilicen componentes de nuevo diseño, para aprovechar el valor muy bajo de PCA que presenta este refrigerante.

Descarga del documento de la ponencia: “Refrigerantes R1234ze(E) y R450A como alternativas al R134a en sistemas de refrigeración: desde las propiedades de los fluidos hasta la comparación experimental" (inglés)


 

 
Modificado por última vez enMiércoles, 10 Febrero 2021 15:29
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