Departamento técnico de VMC
Sistemas de refrigeración
Los sistemas de refrigeración, en todas sus aplicaciones, consumen una porción substancial de la energía generada en el mundo. Gran parte de esta energía es subutilizada por malas prácticas, tecnologías desactualizadas o por aplicaciones técnicas ineficientes. Es preciso desarrollar estrategias que hagan estos procesos más eficientes y sustentables para reducir los costos de energía y las emisiones de gases invernadero.
Una parte importante de los esfuerzos necesarios para mejorar esta situación se vincula a la utilización de gases refrigerantes adecuados para los sistemas de refrigeración en todas sus aplicaciones. Los compromisos contraídos por los países en el Protocolo de Montreal, en la conferencia de París y su posterior enmienda de Kigali, cumplen un rol fundamental en la obtención de estos objetivos. Si estos protocolos se implementaran adecuadamente, se podría reducir notablemente el calentamiento global. La adenda Kigali entró en vigor en enero de 2019 (febrero de 2020 en nuestro país) y es un paso importante en los esfuerzos para reducir drásticamente los gases de efecto invernadero y limitar el calentamiento global. La misma, ha sido ratificada por la mayoría de los países (más de 200), aunque algunos con cierta demora o reticencia. La enmienda reducirá la producción y el consumo proyectados de hidrofluoro- carbonos (HFC) en más del 80% durante los próximos 30 años. Estos gases no afectan la capa de ozono, pero tienen un efecto invernadero con un potencial de calentamiento global ampliamente superior al dióxido de carbono. La reducción favorecería además el desarrollo de equipos más eficientes energéticamente.
LOS GASES REFRIGERANTES
Uno de los puntos claves normados en los protocolos ha sido la consideración y evaluación de los gases refrigerantes utilizados en los procesos de refrigeración y climatización. La influencia de los mismos en la problemática ambiental hace que la elección del gas refrigerante adecuado para cada aplicación sea una cuestión conflictiva en muchos aspectos. Desde el inicio del proceso de selección o definición del gas a utilizar, surge la división entre los “Refrigerantes naturales”, que existen naturalmente en el medio ambiente, y los “No naturales” o “sintéticos”, producidos químicamente.
Existen factores y condiciones que influyen y complican la definición, así como intereses o tecnologías divergentes de grupos industriales, de compañías químicas productoras, de fabricantes de equipos, empresas distribuidoras, organizaciones de protección ambiental, usuarios, organizaciones políticas y público en general. Para algunos secto- res, los refrigerantes sintéticos mejorados/neutralizados parcialmente pueden ser una solución. Sin embargo, otros sectores evalúan que sólo representan una atenuación, postergación o extensión en los plazos del daño que causan este tipo de gases.
A pesar de los intentos y desarrollos de refrigerantes sintéticos mejorados, se verifica una tendencia global a intensificar el uso de refrigerantes naturales, sobre todo en los países más desarrollados y con mayor compromiso con el medio ambiente. Hay señales positivas en este sentido con el uso extensivo de amoníaco y CO2, en su condición de refrigerantes más antiguos, eficientes, respetuosos del ambiente, económicos, probados y con gran experiencia de aplicación. Además, actualmente se incorporan los hidrocarburos en forma gradual y consistente para aplicaciones específicas.
Equipamiento VMC para planta industrial con certificación LEED
Retornando a los refrigerantes sintéticos, se debe observar que -si bien se han atenuado sus efectos negativos- siguen constituyendo la mayor amenaza para el calentamiento global. Se debe considerar que por efectos del cambio de condiciones climáticas y de la evolución económica mundial, se incorporarán millones de usuarios de aire acondicionado doméstico. El consumo de energía de equipos de climatización alcanza un valor importante de la demanda mundial, además se estima que si persiste la tendencia actual de su utilización, el consumo de energía inherente se incrementará más del triple para el 2050 y el número de equipos alcanzará a casi 4.000 millones de unidades. La producción de los mismos estará condicionada por razones de eco- nomía en su costo de fabricación, con consecuentes tecnologías de bajo precio, con servicio y mantenimiento precarios o inexistentes, pérdidas inevitables, etc., lo que se traducirá en formidables valores de contaminación.
Se debe mencionar, además, que esta incorporación se produciría en su mayor parte en países productores y exportadores de gases sintéticos que ya son, o serán en el corto plazo, inaceptables en la mayor parte del planeta. La conclusión es que la solución para el problema de contaminación por gases refrigerantes pasa por la utilización intensiva y excluyente de refrigerantes naturales.
Equipamiento VMC – Ciclo de refrigeración con propano
LOS SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN
Los gases refrigerantes adecuados son un factor fun- damental en la sustentabilidad de la refrigeración en todas sus aplicaciones. Para mitigar los perjuicios y el aporte al calentamiento global, además de la utilización de refrigerantes naturales se deben perfeccionar el diseño y fabricación de los sistemas de refrigeración. La refrigeración debe ser optimizada en su inocuidad sobre el medio ambiente, pero además debe ser lograda en condiciones de seguridad, eficiencia y operatividad.
Estos condicionamientos requieren que las plantas industriales generen cada vez menores emisiones, con mínimos valores de potencial de calentamiento global, menor impacto en la capa de ozono, menor impacto equivalente total de calentamiento y menor potencial
negativo total a lo largo de la vida útil de los sistemas. Uno de los objetivos principales en el diseño y fabricación de equipos y componentes es obtener los resultados deseados utilizando el menor volumen posible de refrigerante, independientemente del tipo de los mismos. El segundo aspecto es construir con el objetivo de que los sistemas tengan pérdidas o fugas cercanas a cero.
En muchas regiones ya han sido legislados claramente los porcentajes máximos aceptables de fugas de refrigerante de los sistemas, ya sean sintéticos o naturales, estableciendo formas de medición, escalas y eventuales penalizaciones a los excesos. Estas normativas o exigencias deberían extenderse para su aplicación universal. Ambos aspectos, carga mínima y estanqueidad máxima, son conceptos preliminares para el diseño y fabricación correctos de equipos y sistemas.
EL DISEÑO
En la medida de lo posible, se deberían diseñar sistemas con el concepto de “carga mínima o justa”. La optimización de la carga de refrigerante reduce el riesgo de fugas importantes y es, por lo tanto, beneficiosa para la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero y para la seguridad de las plantas e instalaciones.
El requisito principal para los sistemas de carga reducida es una elevada estanqueidad de la unidad, de manera que las fugas estén cercanas a cero. Se deben considerar como principios fundamentales:
– Que la reducción de la carga no puede lograrse a expensas de la eficiencia de la unidad,
– Que los sistemas puedan operar en condición estable.
– Que todos sus componentes reciban el volumen de refrigerante correcto.
Una unidad de baja carga pero que sacrifica su eficiencia con mayor consumo de energía implica que en la realidad se emitirán mayores emisiones indirectas de carbono negativas. Por lo tanto, es necesaria una optimización y compatibilización entre el diseño del equipo, su eficiencia energética, sus condiciones de seguridad para los bienes y personas, y la minimización de la carga de refrigerante.
Se debe asumir que el criterio de baja carga de amoníaco es aplicable a los sistemas de refrigeración de todas las capacidades y dedicados a las industrias de todo tipo, incluyendo aplicaciones de aire acondicionado, tratamiento de aire de procesos, etc. Los refrigerantes naturales disponibles en uso actualmente para su aplicación normal y sus características distintivas son:
– Amoníaco: R 717, NH3, el más utilizado.
– Dióxido de carbono: R 722 CO2, alta presión.
– Propano: R290 C3H8, inflamable.
– Butano: R600 C4H12, inflamable.
SOLUCIONES CON AMONÍACO
Este gas es el refrigerante más utilizado en la industria (y actualmente con aplicaciones en tratamiento de aire, climatización, etc.). Admite en todas sus aplicaciones, en mayor o menor grado, diseñar sus sistemas con el concepto de “carga justa”, o al menos minimizada. Puede ser utilizado en sistemas con diferentes ciclos de trabajo:
– Sistemas de expansión directa.
– Sistemas de recirculado.
– Sistemas inundados.
– Sistemas distribuidos.
– Sistemas con refrigerantes secundarios indirectos. – Sistemas combinados con otros refrigerantes naturales (CO2).
En los sistemas cuyo refrigerante utilizado es el amoníaco, las exigencias actuales son satisfechas ampliamente y los procesos se adaptan a las más diversas aplicaciones con las máximas condiciones de eficiencia y seguridad.
SOLUCIONES COMBINADAS AMONÍACO-CO2
Estos sistemas combinados pueden ser:
– Con amoníaco como refrigerante primario y con CO2 como refrigerante secundario.
– Con amoníaco en etapa de alta temperatura (A.T.) y CO2 en etapa de baja temperatura (B.T.) en sistemas en cascada.
En plantas industriales de gran capacidad a menudo los sistemas centralizados son la opción excluyente. En estos casos, la combinación de R717 y R744 constituye una solución que satisface los requerimientos actuales en todo sentido. El sistema resultante es de bajo riesgo y amplia aplicabilidad, ya que son dos refrigerantes naturales, aptos para operación en todos los rangos de temperaturas normalmente requeridos en los procesos que implican refrigeración. El amoníaco con concepto de baja carga opera confinado en las salas de máquinas, y el CO2 como agente distribuidor seguro y no tóxico llega a todos los espacios refrigerados servidos por el sistema, operando con presiones que en la actua- lidad son normales y con tuberías de dimensiones reducidas. En instalaciones de muy baja temperatura para congelación con compresores de R717 en la etapa A.T. y de CO2 en la B.T., los compresores, tuberías, controles y accesorios resultan de menores dimensiones, con la consiguiente optimización de costos. Estos sistemas consumen menos energía, reducen tiempos de congelación y se obtienen aumentos en las capacidades de producción.
LAS SOLUCIONES CON CO2
El CO2 (R744) ha sido utilizado como refrigerante desde los primeros tiempos de la refrigeración mecánica, ya que sus múltiples ventajas lo hacen apto para aplicaciones frigoríficas. Sin embargo, la aparición de los refrigerantes sintéticos supuestamente “seguros” y con rangos de presiones moderadas -como los CFCs y HCFCs- ocasionó una disminución en el uso de CO2 a partir de la década de 1930. En la actualidad las consideraciones ambientales negativas de los sintéticos y las condiciones positivas del CO2, hacen que vuelva a ser una opción muy atractiva en múltiples aplicaciones. Sus parámetros operativos son estándar en la industria: compresores, intercambiadores, válvulas y accesorios son suministrados normalmente por los fabricantes para operar en forma satisfactoria y con seguridad en los rangos de presiones que requiere este refrigerante. Los requerimientos de control, seguridad, detección, etc., son los normales en las aplicaciones actuales, y el grado de entrenamiento del personal operativo no excede a lo requerido por otros refrigerantes. Sus ventajas son evidentes para aplicaciones de refrigeración comercial, en cualquier capacidad y rango de aplicación. Asimismo, en instalaciones de climatización proporcionan favorables condiciones de eficiencia y economicidad para sistemas con “recuperación de calor”, incluyendo su aplicación en “bombas de calor”
LAS SOLUCIONES CON HIDROCARBUROS
Estos gases tienen aplicación en el sector de climatización y refrigeración convencional. La aplicación del propano (R290) como refrigerante en equipos de climatización individuales puede atenuar el aumento de la temperatura global en mayor medida que los refrigerantes sintéticos utilizados actualmente. Inclusive comparando contra el propuesto refrigerante sustituto alternativo R32, el propano constituye una solución superior, ya que brinda menores perspectivas de calentamiento global y mejores condiciones de eficiencia energética y de sustentabilidad. Grandes países consumidores, como China e India, producen equipos de climatización con propano, y también aumenta su aplicación en la industria del transporte. Por sus características el R 290 está siendo utilizado en equipos de refrigeración comerciales de bajas capacidades, como expendedoras, vitrinas, gabinetes y cámaras frigoríficas pequeñas. Su utilización en muchas regiones está aún condicionada por los códigos de construcción, normativas y estándares particulares que limitan su aplicación. Las limitaciones se basan en su mayor parte en su característica de inflamabilidad. Además su popularización demandará el aumento de personal técnico calificado entrenado en sus características tecnológicas. A pesar de esas consideraciones adversas, el endurecimiento a las aplicaciones de refrigerantes halogenados de GWP (Global Warming Potential) superiores a 150 en los países industrializados permitiría el uso de propano en equipos split o bombas de calor y chillers. En el caso de estos últimos, ya se está utilizando en plantas de mediana y gran potencia específica.
Estas consideraciones permiten inferir que los refrigerantes HC constituirán en un futuro próximo una solución para los equipos domésticos individuales, que representan una masa importantísima y de gran consumo de energía mundial y en otras aplicaciones de climatización y refrigeración en el sector del transporte. En resumen, sus aplicaciones alcanzan a los siguientes equipos:
– Heladeras y congeladores hogareños.
– Enfriadoras de botellas.
– Gabinetes comerciales de baja temperatura.
– Gabinetes comerciales refrigerados.
– Enfriadoras de cervezas.
– Expendedoras de bebidas.
– Equipos deshumidificadores.
– Bombas de calor.
– Refrigeradores en comercios.
– Equipos de aire acondicionado.
– Chillers de agua y glicoles, en especial para instalaciones exteriores.
