Como ya se ha visto, el proceso por el cual un gas se convierte en líquido se llama condensación (por disminución de temperatura) o licuación (por aumento de presión) y todos los gases se pueden licuar o condensar. Se denomina temperatura crítica a la temperatura límite para la condensación de un gas. Por encima de esta temperatura es imposible condensar un gas, aunque se le someta a enormes presiones. Se llama presión crítica, a la presión que se necesita para licuar un gas cuando éste se encuentra en su temperatura crítica. En la siguiente tabla pueden verse las temperaturas y presiones críticas de algunos gases.

En el gráfico siguiente puede verse el comportamiento de un gas determinado, que es sometido a presiones crecientes.  Las líneas marrones representan el comportamiento de ese gas a diferentes temperaturas, son por lo tanto líneas isotermas. La T₁ es la más elevada y no permite la licuación del gas aunque aumentemos su presión. El gas a esa temperatura se comporta como un gas ideal y sigue las leyes termodinámicas estudiadas.

Si descendemos la temperatura se llega a T_c que es la temperatura crítica. Por debajo de esa temperatura el gas puede ser licuado. A una temperatura T₂, inferior a la crítica, la isoterma ABD se puede descomponer en tres regiones. Vamos a estudiar esa isoterma de derecha a izquierda. A la derecha de la campana color crema, es un gas que si se comprime (aumenta la presión), disminuye su volumen. Al llegar a la campana comienza a condensarse. A partir de ese punto y hasta que llegue al otro extremo la condensación se hace a presión y temperatura constantes, como hemos visto en los cambios de estado. En el interior de la campana tenemos una mezcla de gas y líquido. Cuanto más a la derecha estamos, la proporción de gas es mayor, mientras que hacia la izquierda es menor y hay más líquido. A la izquierda de la campana el gas ya se ha licuado complemente, y al ser líquido es incompresible: un aumento de la presión apenas reduce el volumen. La campana crema a trazos se ha obtenido experimentalmente uniendo todos los puntos que se generan a diferentes temperaturas.

Hay varios sistemas de producción de frío, basados en los cambios de estado de un refrigerante, pero los dos más importantes son:

- Ciclo de refrigeración por compresión. Son más del 90% de las instalaciones.

- Ciclo de refrigeración por absorción.

La refrigeración se define como el proceso de reducción y mantenimiento de la temperatura de un espacio o materia por debajo de la temperatura del entorno. Para poder reducir la temperatura, es necesario extraer el calor contenido en el espacio o materia que deseamos refrigerar, y para extraer el calor de un cuerpo es necesario la presencia de otro cuerpo mas frío (temperatura inferior) que absorba el calor que deseamos eliminar, ya que el calor siempre fluye del cuerpo más caliente hacia el cuerpo más frío. El cuerpo que se utiliza para absorber el calor que deseamos eliminar se llama refrigerante. Un refrigerante es un calorífero que desplaza el calor de un espacio que se debe refrigerar, hacia el exterior. Es el fluido operante en el ciclo de refrigeración. Cada vez que el refrigerante completa un ciclo, sufre dos cambios de estado, se evapora y se condensa, estos dos cambios de estado son necesarios para poder desplazar el calor del espacio que deseamos refrigerar hacia el exterior.

Por lo tanto, un equipo frigorífico extrae calor de un foco frío y lo entrega a un foco a una temperatura más alta. Los equipos frigoríficos de compresión, básicamente utilizan cuatro componentes: un compresor, un condensador, un dispositivo de expansión y un evaporador. El calor se extrae en el evaporador y se cede al condensador. El trabajo mecánico lo aporta el compresor que funciona mediante energía eléctrica. El siguiente circuito esquematiza este funcionamiento:

Por el interior de las tuberías circula un fluido frigorífeno que es el medio que transporta el calor, análogamente a como lo hace el agua en una instalación de calefacción o el aire en una instalación de aire acondicionado. Para realizar la operación, el fluido trabaja a dos presiones diferentes. Como puedes ver en la figura, una parte de la instalación está a alta presión y la otra a baja.

Como viste en la UT1 de este módulo: Aplicación de la Termotecnia, la temperatura de ebullición depende de la presión. A menor presión menor es la temperatura de ebullición. El fluido que se utiliza tiene un punto de ebullición a la presión y temperatura de la parte de baja presión que lo hace idóneo para refrigerar. Dependiendo de la temperatura (para congelación o para conservación) que necesitemos en la parte frigorífica, utilizaremos un fluido adecuado para ese uso. Aunque más adelante vas a estudiar en profundidad el ciclo frigorífico este es un buen momento para un primer contacto con el proceso que se da en el mismo. Fíjate en la figura numerada.

Partiremos del compresor. En él, el gas que le llega de 8 es comprimido, lo que hace que aumente su presión y temperatura. En 1 tenemos, entonces, un gas caliente a alta presión. Por la tubería se dirige a la entrada del condensador. Para tu referencia, en el caso del frigorífico doméstico es la parrilla que se encuentra detrás. El condensador hace que ese gas ceda calor y se enfríe hasta su temperatura de condensación y se convierta en líquido. A la salida en 3 se trata de un líquido a alta presión. El líquido, a alta presión, llega al dispositivo de expansión 4. Este dispositivo, puede ser de distintos tipos, como verás más adelante, pero su función es la de bajar la presión del fluido mediante una expansión. Eso produce una bajada inmediata de la temperatura del fluido. Recuerda que la temperatura de ebullición depende de la presión, y al disminuir ésta, la nueva temperatura de ebullición es mucho menor que la anterior. El líquido frigorígeno estaría a una temperatura superior a la de ebullición a esa nueva presión, pero como eso no es posible, se evapora parcialmente para disminuir la temperatura hasta adecuarla a la nueva presión. Ese fenómeno se denomina evaporación flash. A la salida del dispositivo, en 5, tenemos, por lo tanto, una mezcla de líquido y gas a baja presión. La mezcla entra en el punto 6 en el evaporador. Para tu referencia, ese es el circuito que está dentro del frigorífico, enfriando su contenido. En el evaporador el fluido coge calor del contenido de la cámara frigorífica y hierve, pasando todo el líquido a gas. A la salida del evaporador, en 7, tenemos un gas a baja presión y baja temperatura.  El gas a baja presión llega a 8. Desde el punto 7 al punto 8 se ha calentado un poco más para asegurarnos de que al compresor no le llegue nada de líquido, ya que sería causa de avería. El ciclo comienza de nuevo al aumentar la presión y la temperatura del gas en el compresor.

Esta serie de procesos se denomina ciclo de refrigeración. El ciclo de refrigeración simple se compone de los cuatro procesos fundamentales:

• Expansión.
• Evaporación.
• Compresión.
• Condensación.

En los cálculos que hay que realizar en una instalación frigorífica intervienen varias fórmulas matemáticas y tablas de datos. El ingeniero alemán Richard Mollier (1863-1935) elaboró un diagrama que permite hacer todos esos cálculos en forma gráfica, facilitando así el cálculo.

El diagrama de Mollier, también conocido como diagrama presión entalpía (p-h), es la representación gráfica de los estados posibles de los refrigerantes en un gráfico con escala logarítmica de presión en ordenadas y de escala de entalpía en abcisas. La forma de campana es semejante a la que has visto para el diagrama P-V (también llamado diagrama de Andrews).

Hay que recordar el concepto de entalpía, que podríamos simplificar diciendo que es la energía total que tiene un fluido en un determinado punto. Por ello, la diferencia de entalpía entre dos puntos es la energía que ha ganado o perdido un fluido entre esos puntos. Por ejemplo, si a la entrada del condensador el fluido tiene una entalpía de 320 kJ/kg y a la salida tiene 260 kJ/kg, eso significa que ha perdido una energía calorífica de 320-260 = 60 kJ/kg, que es justo el calor cedido al ambiente exterior (Q₁).

El diagrama de Mollier ha sido trasladado a software por diferentes empresas, entre las que que encuentran algunos fabricantes de refrigerantes y distintas asociaciones profesionales: Dupont, Solvay, ...

Los cálculos y estudios de máquinas frigoríficas pueden hacerse analíticamente mediante las fórmulas que relacionan las distintas variables, pero también pueden hacerse gráficamente de forma más rápida y visual. Finalmente, los nuevos programas informáticos han integrado todo ello en software. Algunos de estos programas los veremos más adelante. Igualmente, en Internet puedes encontrar diagramas para los distintos fluidos frigorígenos elaborados por los fabricantes como el de la imagen, para el refrigerante R134A:

Como has visto el diagrama de Mollier tiene muchas más líneas que las de los dos ejes de Presión y Entalpía. Vamos a ver todas ellas al detalle.Puedes ver este vídeo de introducción para, posteriormente, analizar en mayor detalle las distintas líneas del diagrama.

Ha llegado el momento de unir los dos puntos anteriores. ¿Cómo encaja el ciclo frigorífico en el diagrama de Mollier?

Vamos a verlo paso a paso, a partir del circuito frigorífico elemental ya visto.

Compresión

Partiremos, como hemos hecho antes, del compresor. Observa la figura. La máquina frigorífica funciona entre dos presiones, que están representadas por dos líneas horizontales. La compresión se supone adiabática, es decir sin transferencia de calor al exterior y por lo tanto sigue una línea isoentrópica. El vapor a baja presión, ligeramente sobrecalentado, en 8 evoluciona hasta un vapor a alta presión, fuertemente sobrecalentado, en 1.

Condensación

A partir de 1 el gas a alta presión se va enfriando cediendo calor en el condensador. En el diagrama ese proceso se hace presión constante siguiendo la isobara desde el punto 1 hacia la izquierda. Al llegar a la línea de saturación de la campana comenzará a condensar. Al llegar al otro extremo de la campana todo el refrigerante estará en fase líquida. A partir de ahí sufrirá un ligero subenfriamiento hasta llegar a 4. El punto 2 estará entre el punto 1 y la línea de saturación. El punto 3 estará ligeramente después de la línea de saturación de líquido.

Expansión

En 4 el líquido sufre una expansión que le lleva a 5. Como puedes ver en el diagrama de Mollier el punto 5 está dentro de la campana y por lo tanto tiene es una mezcla de gas y líquido a baja presión. La transformación es isoentálpica y por lo tanto se trata de una línea vertical.

Evaporación

La mezcla de gas y líquido entra en el evaporador dónde recibe el calor de los productos contenidos en la cámara frigorífica y eso conduce a su ebullición. Se trata de un proceso de aumento de calor a presión constante y por lo tanto sigue la isobara de baja presión. En la salida del evaporador se habrá evaporado completamente, por lo que el punto 7 estará situado ligeramente fuera de la campana. De 7 a 8 el gas se calienta ligeramente para asegurar que en el compresor no entre nada de líquido.

Una vez que ya has visto como se  comporta un ciclo frigorífico y has aprendido a trasladarlo a un diagrama de Mollier, vamos a utilizarlo para calcular las transferencias de energía que se producen en el proceso. Supondremos que nos encontramos en un ciclo ideal. Más adelante verás como el ciclo real difiere un poco del que estamos estudiando.

El balance energético, no es otra cosa que el estudio del equilibrio entre las energías o potencias entrantes y las salientes. O, de otra manera, la comprobación de la Primera Ley de la Termodinámica: la suma de todas las energías (positivas y negativas) se anulan mutuamente. Para comprenderlo mejor, vamos a aplicar todo ello a los siguientes ejercicios resueltos.

En el ciclo representado en el primer ejercicio resuelto anterior, vamos a calcular el balance energético que se produciría para una potencia frigorífica de 10 kW (Calor absorbido por el evaporador), calculando las potencias puestas en juego en cada etapa,

En la figura puedes ver el ciclo frigorífico real. En verde tienes el ciclo ideal, en el que se mantienen las presiones y no se producen sobrecalentamientos ni subenfriamientos. En rojo tienes el ciclo real. Vamos a estudiar paso a paso que es lo que ha variado del ciclo ideal.

En primer lugar tendremos un sobrecalentamiento a la salida del evaporador. Recordarás que esto es necesario para asegurar que al compresor no le llegue nada de líquido. Pero el sobrecalentamiento va en contra del rendimiento del sistema frigorífico. Hace que tengamos que poner un compresor, un evaporador y un condensador mayor. Además la temperatura de los gases a la salida del compresor es mayor. Por lo tanto es importante que ese sobrecalentamiento sea lo menor posible. Lo habitual suele ser unos 5 ºC. En el diagrama el punto de entrada al compresor ya no es 4’ sino que es 4’’.

Vayamos a la otra parte del diagrama. El punto 2 ha pasado a ser 2' ya que hay un subenfriamiento. El subenfriamiento es beneficioso para el rendimiento del ciclo. Ahora la porción de gas evaporado al salir del dispositivo de expansión es menor y por lo tanto hay mayor cantidad de refrigerante hirviendo en el evaporador. En otras palabras, se utiliza mejor el evaporador. El subenfriamiento suele ser de 5 - 10 ºC siempre que sea posible).

El resto de las variaciones con respecto al ciclo ideal se deben a pérdidas de presión:

De 1'' a 1' pérdidas de carga debido a las válvulas de salida del compresor.

De 1' a 2 pérdidas de carga debido a tubería de descarga y condensador. Si no se perdiera presión en el condensador la línea sería horizontal

De 2 a 2' pérdidas de carga debido a la tubería de líquido que va del condensador a la válvula de expansión.

De 3' a 4' pérdidas de carga debido al evaporador.

De 4' a 4'' pérdidas de carga debido a la tubería de aspiración y válvula de aspiración del compresor.

De 4'' a 1'' esta línea ya no es en el ciclo real paralela a las líneas de entropía (isentrópicas), sino que se inclina más a la derecha, ya que hay aumento de entropía en la compresión. La Segunda Ley de la Termodinámica nos dice que en la Naturaleza todos los procesos reales son con entropía creciente, es decir hay pérdidas de calor y no son perfectamente adiabáticos..

Como es evidente tenemos que procurar que las pérdidas de carga sean lo menor posible. Se suele admitir unas pérdidas máximas de 0,10 a 0,20 bar evaporador y condensador y la válvula de expansión se pone lo más cerca posible del evaporador para que la tubería que lleva el líquido a baja temperatura y presión al evaporador, no aumente su temperatura en el trayecto.

En la explicación del ciclo real has visto como afectan a la eficiencia energética dos de las variables del ciclo, el sobrecalentamiento y el subenfriamiento. Has visto que debemos mantener el sobrecalentamiento lo menor posible ya que va en contra de la eficiencia energética y que debemos tener un subenfriamiento que va a favorecer un aumento del rendimiento del ciclo. Las otras dos variables sobre las que en alguna medida podemos actuar son la temperatura de vaporización y la temperatura de condensación.

Te habrás dado cuenta de que a veces decimos temperatura de vaporización y otras veces presión de vaporización. Realmente estamos hablando de lo mismo. Recuerda que cada compuesto tiene una temperatura única de ebullición para cada presión.

La eficiencia de un ciclo de refrigeración varía considerablemente con la temperatura de vaporización. Observa la siguiente figura en la que se representan dos ciclos simples con distintas temperaturas de vaporización.

Comparando ambos ciclos, vemos que el efecto refrigerante es mayor para el ciclo que tiene la temperatura de vaporización mas alta, ya que,  h₄ - h₃   >  h_4' - h_3'.  Al ser mayor el efecto refrigerante la cantidad de fluido frigorígeno que ha de circular es menor para la misma potencia frigorífica. Por otro lado, como la diferencia entre las presiones de vaporización y condensación es menor, el trabajo de compresión también ha de ser menor, lo que implica que la potencia teórica requerida en el compresor será inferior.

El volumen de vapor movido por el compresor varía mucho con los cambios de temperatura de vaporización, disminuyendo a medida que esta aumenta. Este es probablemente el factor más importante de todos los que afectan a la capacidad y eficiencia del ciclo. Debido a la menor potencia del compresor, el calor eliminado en el condensador ha de ser menor, ya que  h₁ - h₂   <  h_1' - h₂. El efecto de la temperatura de condensación es inverso al que presenta la temperatura de vaporización. Manteniendo la temperatura de vaporización constante, la eficacia del ciclo disminuye si la temperatura de condensación aumenta. Observa la siguiente figura.

A una presión de condensación mayor el efecto refrigerante disminuye, ya que  h₄ - h_3'   <  h₄ - h_3.  Al reducirse el efecto refrigerante, el peso (caudal) de refrigerante que debe circular es mayor, aumentando por eso el volumen de vapor que debe ser comprimido. El trabajo de compresión necesario para aumentar la presión del vapor es mayor a medida que aumenta la temperatura de condensación, h_1' - h4  > h₁ - h_4. Aunque la cantidad de calor eliminado en el condensador por Kg de fluido varía muy poco, debido a que el aumento de calor de compresión es compensado por la disminución del efecto frigorífico, el rendimiento baja considerablemente: absorbemos menos calor de la cámara frigorífica y, sin embargo, consumimos más energía con el compresor. Ello lo podemos explicar de otra manera más simple, cuando la temperatura del condensador es más alta, es como si una bomba debiera subir agua a más altura: gastará más y disminuirá el caudal de agua que bombeemos.

Como se ha visto, para que el ciclo funcione de una forma eficiente lo conveniente es que la presión de evaporación y la de condensación estén lo más próximas posible.

Has visto que cuando la distancia entre las presiones de condensación y evaporación es muy alta el rendimiento baja mucho. En estas condiciones, la compresión del fluido frigorífico se produce con un rendimiento energético muy bajo, pues el rendimiento volumétrico disminuye considerablemente. Además la temperatura final de compresión es muy elevada.

¿Cómo podemos salvar esa dificultad? Lo que se hace es utilizar más de un compresor, y que se denomina compresión múltiple.

En los sistemas de refrigeración intermedia se diferencian dos sistemas:

a) Sistema de inyección total, en el que la totalidad del fluido frigorígeno se expansiona dentro una botella o recipiente intermedio que sirve de separador de líquido para el evaporador. La parte de líquido que queda dentro del separador sirve para alimentar las válvulas de expansión del evaporador en la etapa de baja presión. Observa la figura:

• El vapor recalentado es aspirado (1) por el compresor de baja presión y se comprime (2). El gas sobrecalentado entra en el recipiente intermedio donde es enfriado (3).
• El vapor saturado (3) del recipiente intermedio es aspirado por el compresor de alta presión, recalentándose en la tubería de aspiración (4). Se comprime (5) se condensa (6) y subenfría (7).
• A partir de este estado (7) se produce la expansión total del líquido en el recipiente intermedio. Esta expansión se produce con una vaporización parcial del líquido, por lo que a la salida de la válvula tendremos líquido saturado (8) y vapor saturado (3). Desde el recipiente intermedio se desvía líquido (8) por gravedad al evaporador de alta presión. Los vapores producidos en este evaporador son absorbidos por el compresor de alta presión a través del recipiente intermedio.
• Al mismo tiempo que ocurre esto también se desvía líquido al evaporador de baja presión que a través de una válvula de expansión termostática se vaporiza en el evaporador (9) y entra en la parte de baja presión del sistema. El refrigerante en estado líquido se vaporiza y recalienta en el evaporador y tubería de aspiración interior de la cámara (10). Una vez que sale la tubería de la cámara comienza el recalentamiento del refrigerante hasta la entrada del compresor (1) donde vuelve a comenzar el ciclo.

b) Sistema de inyección parcial, en el que solo se utiliza el efecto frigorífico a nivel de la etapa de baja presión.

• El vapor recalentado es aspirado (1) por el compresor de baja presión y se comprime (2). El gas sobrecalentado entra en el recipiente intermedio donde es enfriado (3).
• El vapor saturado (3) del recipiente intermedio es aspirado por el compresor de alta presión, recalentándose en la tubería de aspiración (4). Se comprime (5) se condensa (6) y subenfría (7).
• A partir de este estado (7) se produce la expansión parcial del líquido en el recipiente intermedio a través de una válvula de expansión (8) que sirve para el subenfriamiento del resto de líquido que no se expansiona (9), y para enfriar el gas recalentado que descarga el compresor de baja presión desde el estado 2 al estado 3. El resto de refrigerante pasa a través de un serpentín dispuesto en la parte baja del recipiente intermedio subenfriandose en este (9). El líquido subenfriado (9) llega a la válvula de expansión del evaporador de baja presión. Una vez expansionado (10) se obtiene una mezcla líquido y vapor. El refrigerante en estado líquido se evapora en el evaporador de baja presión y se recalienta (11). Una vez que sale la tubería de la cámara comienza el recalentamiento del refrigerante hasta la entrada del compresor (1) donde vuelve a comenzar el ciclo.

Los sistemas de multicrompesión en cascada, con un sistema de refrigeración intermedia permiten aumentar la eficiencia frente a los de compresión simple única. Sobre todo cuando se manejan grandes relaciones de compresión, o lo que es lo mismo, grandes diferencias de temperaturas entre el evaporador y el condensador. El programa Solkane nos permite trabajar con este tipo de ciclos. La imagen muestra una máquina frigorífica con este sistema, en el que normalmente los compresores tienen, aproximadamente las mismas relación de compresión y potencia. Los datos que se han introducido son similares a los de casos anteriores y la temperatura de aspiración de la fase de alta presión se ha seleccionado en relación a la disponibilidad de una fuente de refrigeración con esta temperatura (por ejemplo agua de una enfriadora o de la propia red de abastecimiento). Esta fase intermedia de refrigeración, como podemos ver, hace que la temperatura de salida del vapor del compresor BP a 30 ºC la rebajemos hasta 10 ºC.

Probablemente has oído que las instalaciones solares térmicas también son válidas para la producción de frío en verano. Para ello se utilizan máquinas que tienen un ciclo distinto al de compresión, un ciclo de absorción. Las más habituales son las de LiBr-H₂O. También existen otras con amoniaco. El LiBr es una sal muy higroscópica y esta característica es la que la hace idónea para este tipo de máquinas.

Las máquinas de absorción tienen la desventaja de su bajo rendimiento, frente a las de compresión. Tienen un EFF-COP muy bajo. Pero como ventaja tienen que funcionan con fuentes térmicas de baja temperatura. Esto las hace idóneas para aquellas instalaciones solares de baja temperatura o cuando tenemos un calor residual (en lugar de echarlo directamente a la atmósfera nos puede permitir su uso para una instalación de aire acondicionado).

Para comprender como funciona el ciclo de absorción observa la figura.

La cámara central se encuentra a baja presión, unos 8 mbar. A esa presión el agua hierve a 5 ºC. El agua que cae de la ducha de la izquierda del dibujo, proveniente del condensador, extrae el calor del circuito que va a ir a los acondicionadores de aire: entra agua de retorno del circuito y sale enfriada hacia el circuito otra vez. En el diagrama no se ha representado el sistema de bombeo, únicamente la entrada y la salida de la tubería de agua. Por otra parte tenemos otra ducha por la que va cayendo una solución concentrada de LiBr-H₂O. Cómo la sal es muy higroscópica atrae los vapores de agua que se van creando en la cámara, cayendo a una bandeja y diluyendo su concentración.

Hasta aquí es la parte dónde se genera el frío. El resto de los componentes del circuito sirve para regenerar la sal concentrada por un lado y agua pura por el otro. Prosigamos con el ciclo. La solución diluida se impulsa al generador. Aquí se aplica el calor y se destila el agua. El vapor de agua se dirige al condensador, dejando en el generador una solución concentrada de LiBr-H₂O, que es la que se va a volver a utilizar en la cámara presurizada.

El vapor de agua al llegar al condensador vuelve al estado líquido. Para ello ha de ser enfriado. En el diagrama está representado un serpentín con salida a una torre de refrigeración. Por último, el agua enfriada contenida en el condensador se vuelve a utilizar para introducirla en la cámara presurizada e iniciar de nuevo el ciclo.

EVOLUCIÓN DE LOS REFRIGERANTES

Como has visto, para la máquina frigorífica es fundamental que circule un fluido frigorígeno. Los diferentes gases refrigerantes, por orden de comienzo de su empleo son: amoníaco (NH₃), anhídrido carbónico (CO₂), anhídrido sulfuroso (SO₂), cloruro de metilo, (CH₃Cl) y los refrigerantes halogenados, compuestos de carbono, hidrógeno y halógenos. Se llaman halógenos a aquellos elementos que se encuentran ubicados en el grupo 17 de la tabla periódica: Cl, F, Br, I, At y Ts (Cloro, Fluor, Bromo, Yodo, Astato y Teneso). Estos elementos se caracterizan por presentar 7 electrones en su última capa, por lo cual sólo necesitan un electrón adicional para completar la estable configuración de gas noble (regla del octeto).

Amoníaco: Los primeros compresores de amoníaco fueron construidos por Carl von Linde en 1877 en Alemania y, a continuación, por otros fabricantes de Europa y América, donde a partir de 1880 se producían en gran escala. Por sus favorables propiedades energéticas, el amoníaco ha seguido utilizándose para grandes instalaciones hasta la aparición de los refrigerantes halogenados hacia 1950, que compartieron con él su empleo. Hoy en día tiende a extenderse de nuevo, recuperando el amoníaco su puesto frente a los demás refrigerantes.

Anhídrido carbónico o Dióxido de Carbono (CO₂): A partir de 1887 se extiende el empleo del CO₂ como refrigerante y, debido a su seguridad, se aplica con preferencia en buques frigoríficos, sustituyendo al ciclo de aire que había utilizado hasta entonces. Su empleo continuó en la marina hasta 1940. Posteriormente se abandonó debido a sus altas presiones de funcionamiento, que hacen la instalación pesada y cara. No obstante está resurgiendo. Se conoce también como R-744 y es un refrigerante natural que no daña la capa de ozono.

Anhídrido sulfuroso y cloruro de metilo: Ambos gases refrigerantes se aplicaron a circuitos de pequeña potencia y fueron sustituidos hacia 1940 por los refrigerantes halogenados debido a su toxicidad. El primero es además corrosivo (SO₂), y el segundo (CH₃Cl), fácilmente inflamable. No se utilizan actualmente.

Refrigerantes halogenados: Los refrigerantes halogenados constituyen una familia de una veintena de gases denominados inicialmente "freones", por el nombre de una marca comercial, pero que tienen una designación numérica, por ejemplo: R-12, o R-245. Los primeros refrigerantes de este tipo se introdujeron en los EE UU hacia 1930, con el empleo del R-12 para los frigoríficos domésticos. Fue seguido de la introducción del R-11 para las grandes unidades con compresor centrífugo para la naciente industria del aire acondicionado. Más tarde, el R-22 fue compitiendo con el amoníaco a partir de los años 1950, y la gama de estos refrigerantes y su empleo ha ido extendiéndose hasta hace poco. Sin embargo, su nivel de contaminación ambiental, la destrucción de la capa de ozono y el efecto invernadero,ha hecho que se replanteen nuevamente los refrigerantes a emplear.

Se habla de «refrigerantes verdes», o refrigerantes de bajo PCA (Potencial de Calentamiento Atmosférico) o GWP (Global Warming Potential). El PCA es una unidad que mide cómo de nocivo es el gas para la atmósfera, así que mientras mayor sea el PCA, más dañino será el gas. Estos nuevos refrigerantes, ​ como el R-407C, el R-134A y el R-410A, tampoco podrán usarse a partir de 2022 para equipos nuevos y está sin determinar la fecha límite de su uso para servicio y mantenimiento. Curiosamente, todo este problema está haciendo que se vuelva la vista hacia los ahora denominados «refrigerantes naturales» como el amoníaco, su aplicación en equipos de refrigeración comercial se ha mantenido hasta hoy en día y muchos profesionales lo consideran como el refrigerante del futuro

Hasta finales del siglo XX los instaladores de frío tenían muy claro qué refrigerantes emplear, dependiendo del tipo de instalación:

• Instalaciones industriales grandes: Amoníaco, denominado actualmente R-717
  
• Instalaciones industriales medianas en refrigerados, aire acondicionado: R-22
• Instalaciones industriales en congelados: R-502
• Instalaciones pequeñas, frigoríficos domésticos, aire acondicionado coches: R-12

Estos gases halogenados (R-12, R-22, R-502), eran gases ideales, ya que no eran tóxicos, ni irritantes, incoloros e inodoros; además nos permitían utilizar cobre, que es un material fácil de trabajar y soldar, comparándolo con el acero.

Con estos gases se ha trabajado durante muchos años, hasta que se ha comprobado que la reducción de la capa de ozono de la atmósfera era debida, entre otras cosas, al cloro que llevan estos refrigerantes.

Así, en un primer momento, estos gases se han sustituido por otros que no llevan cloro. Por ejemplo, El R-12 se ha estado sustituyendo por el R-134-a, que es un gas muy parecido en presiones al anterior y El R-22 y R-502 se sustituían por el R-404-A. Éste no es un gas puro, sino una mezcla de gases y, por tanto, la evaporación y la condensación no la hacen a temperatura constante, sino que hay un deslizamiento, pero muy pequeño (0,4ºC), y las presiones son más altas que con el R-22.

Para aire acondicionado se ha estado empleando el R-134-A en instalaciones pequeñas, y el R-404-A en equipos más grandes. También se emplea el  R-407, que se está aplicando en unidades montadas en fábrica, pero tiene un deslizamiento muy grande (mayor de 5ºC).

Actualmente se están diseñando y empleando nuevos refrigerantes que sustituirán a los empleados en los últimos años. El Protocolo de Kyoto y el reciente Acuerdo de París plantean un proceso de lucha contra el cambio climático y la reducción de gases de efecto invernadero.

No hay que olvidar otros refrigerantes como el amoníaco, que está recuperando parte de su espacio perdido debido a que no ataca al ozono ni provoca efecto invernadero. O el isobutano, para instalaciones muy pequeñas (frigoríficos domésticos), por las mismas razones que el amoniaco; aunque hay que tener en cuenta que es explosivo.

Los refrigerantes se pueden clasificar de diversas formas. Las más importantes son:

SEGÚN SU COMPOSICIÓN

En primer lugar lo vamos a hacer de acuerdo a su composición química. La mayor cantidad de los refrigerantes utilizados en la práctica son derivados de hidrocarburos (metano y etano fundamentalmente), en los que se sustituyen átomos de hidrógeno por halógenos (flúor, cloro fundamentalmente y en alguna ocasión bromo).

Se clasifican en tres grupos tradicionales y uno alternatiivo:

CFC's, aquellos refrigerantes que en molécula está compuesta por Cloro, Carbono y Fluor.

HCFC's aquellos refrigerantes que en molécula está compuesta por Hidrógeno, Cloro, Carbono y Fluor.

HFC's aquellos refrigerantes que en molécula está compuesta por Hidrógeno, Carbono y Fluor.

Refrigerantes de composición alternativa. Son aquellas sustancias eficientes, seguras y respetuosas con el medio ambiente.

SEGÚN SU IMPACTO AMBIENTAL

Después de años de uso, se ha comprobado que los CFC's (por ejemplo el R-11) y los HCFC's (por ejemplo el R-22) tienen importante impacto ambiental. Tanto es aasí, que ya no está permitido su uso, ni para cargar con este refrigerante máquinas nuevas ni para sustituirlo en máquinas en funcionamiento. En la actualidad sólo está permitido su uso en máquinas que estén en funcionamiento (las cuales tienen que estar identificadas y etiquetadas), pero si se estropean o hay que recargarlas con este refrigerante, está prohibido en la Unión Europea. Por ello, se han puesto rescatado del olvido refrigerantes naturales ya utilizados con anterioridad, como son el R744 (dióxido de carbono), el R717 (amoniaco), el R600a (isobutano) o el R290 (propano).

SEGÚN SU NATURALEZA

Los refrigerantes pueden ser sustancias puras o mezclas de varios componentes. Las mezclas pueden ser

Azeotrópicas: Se llama así a las mezclas de dos o más componentes, que al ser utilizadas en un sistema de refrigeración, no cambian su composición ni su temperatura de saturación al hervir en el evaporador, o se condensan a una presión constante. La composición del líquido es la misma que la del vapor. Son mezclas azeotrópicas en la serie R500 (R501, R502, ...R508A, etc)

Zeotrópicas: Se llama así a las mezclas formadas por dos o más componentes (refrigerantes puros) de diferente volatilidad. Cuando estas mezclas se evaporan o se condensan en un sistema de refrigeración, su composición y su temperatura de saturación cambian Al hervir esta mezcla, la composición del líquido remanente cambia. Esto es, al empezar a hervir el líquido, se evapora un porcentaje más elevado del componente más volátil. Por lo tanto, conforme continúa hirviendo la mezcla, el líquido remanente tiene menor concentración del componente más volátil, y mayor concentración del menos volátil. El cambio de composición del líquido, da como resultado un cambio en el punto de ebullición. La temperatura a la cual empieza a hervir el líquido (líquido saturado), se le conoce punto de burbuja. La temperatura a la cual se evapora la última gota de líquido (vapor saturado), se le llama punto de rocío. A una misma presión, la temperatura del punto de burbuja es más baja que la del punto de rocío para cualquier mezcla zeotrópica. A este fenómeno se le conoce como "deslizamiento de temperatura". Este deslizamiento de temperatura también ocurre en el condensador, pero aquí, la temperatura de condensación disminuye en lugar de aumentar. El deslizamiento de temperatura puede variar, dependiendo de la mezcla, desde 1°C ó 2 °C hasta varias decenas de grados centígrados, lo que hay tener en cuenta de cara a efectuar cálculos. Son mezclas  zeotrópicas los refrigerantes de la serie: R400 (R410A, R401B, R402A, etc).

SEGÚN LA SEGURIDAD PARA LAS PERSONAS

Atendiendo a criterios de seguridad (toxicidad e inflamabilidad), el reglamento de seguridad de las instalaciones frigoríficas clasifica a los refrigerantes en los siguientes grupos simplificados:

• Grupo de alta seguridad (L1): Refrigerantes no inflamables y con ligera o nula toxicidad. Prácticamente todos los CFC's, HCFC's y HFC's, pertenecen a éste grupo.
• Grupo de media seguridad (L2): Refrigerantes de acción tóxica o corrosiva o inflamable o explosivos mezclados con aire en un porcentaje en volumen igual o superior a 3,5 por cien. Entre ellos se encuentra el amoniaco (NH₃, R-717), el cloruro de metilo (R-30), el difluor metano (R-32) El cloruro de metilo (R-40), el cloruro de etilo (R-160), el anhidrido sulfuroso (R-764) y otros.
• Grupo de baja seguridad (L3): Refrigerantes inflamables o explosivos mezclados con aire en un porcentaje en volumen inferior al 3,5 por cien. Entre ellos se encuentran el etano (R-170), el propano (R-200) el butano (R-600), el isobutano (R-600 a) y el etileno (R-1150).

Como has visto antes el problema de la capa de ozono hizo que se modificaran los refrigerantes que se venían usando hasta hace pocos años. Otro problema medioambiental es el efecto invernadero  causado, principalmente, por las emisiones de CO₂, pero también por las emisiones de otros gases que tienen su efecto negativo.

Desde un punto de vista medioambiental los refrigerantes se comparan según los siguientes índices índices:

ODP (Ozone Depletion potential). Potencial de agotamiento de la capa de ozono:

Es un parámetro adimensional que mide el potencial de agotamiento de la capa de ozono estratosférico de la unidad de masa de una sustancia en relación con la del R-11 que se adopta como unidad.

GWP (Global Warming Potential). Potencial de calentamiento atmosférico (PCA):

Es un parámetro que mide el potencial de calentamiento atmosférico producido por un kilo de toda sustancia emitida a la atmósfera, en relación con el efecto producido por un kilo de dióxido de carbono, CO2, que se toma como referencia, sobre un tiempo de integración dado. Cuando el tiempo de integración es de 100 años se indica con PCA 100.

TEWI (Total Equivalent Warming Impact). Impacto total equivalente sobre el calentamiento atmosférico:

Es un parámetro que evalúa la contribución total al calentamiento atmosférico producido durante su vida útil por un sistema de refrigeración utilizado. Engloba la contribución directa de las emisiones de refrigerante a la atmósfera y la indirecta debida a las emisiones de CO₂ (dióxido de carbono) consecuencia de la producción de energía necesaria para el funcionamiento del sistema de refrigeración durante su período de vida útil. Se expresa en kilogramos equivalentes de CO₂.

Has visto que hay muchos refrigerantes y no es sencillo en estos momentos elegir cuál es el más adecuado. Este es un problema que afecta más a los fabricantes de equipos pero es importante que conozcas cuáles son las características que deben cumplir los refrigerantes. Entre todos los fluidos potencialmente aptos para utilizar como refrigerantes buscaremos aquellos que reúnan las siguientes características en mayor grado:

• Presión de evaporación lo suficientemente alta a la temperatura de evaporación deseada. Es deseable que esta presión sea superior a la atmosférica.
• Calor de vaporización lo mas elevado posible, a fin de que la transmisión de calor se lleve a cabo con la menor cantidad de refrigerante posible.
• Volumen especifico, a la temperatura de evaporación, sea lo más bajo posible. Cuanto mayor sea el calor de vaporización y menor sea el volumen especifico, tanto menor será el tamaño del compresor necesario.
• Presión de condensación, a temperatura ambiente, baja.
• Temperatura de descarga lo mas baja posible.
• No tóxico, ni inflamable, ni explosivo. Cuando el refrigerante a utilizar tenga alguna de estas características debe ser utilizado con precauciones especiales.
• No corrosivo, tanto en estado líquido como en estado de vapor.
• Estable física y químicamente a las temperaturas y presiones a las que vamos a utilizarlo
• Buen comportamiento con los aceites.
• Económico.
• Bajo ODP, un bajo GWP y un bajo TEWI.
• Bajo deslizamiento (GLIDE).

Si tienes coche o moto conoces la importancia de lubricar el motor. Un motor sin aceite se gripa rápidamente. En el caso del motor frigorífico sucede lo mismo. En estos momentos hay distintos tipos de aceites que son más o menos adecuados dependiendo del refrigerante. Una característica importante es la miscibilidad. El aceite en una instalación frigorífica sale del compresor y circula por toda la instalación. El aceite que sale arrastrado por el gas de descarga o en fase vapor, puede constituir un obstáculo para el intercambio térmico si se acumula en evaporadores e intercambiadores; por ello, debe procederse a retirarlo de dichos puntos. La forma en la que esto se lleve a cabo dependerá de la miscibilidad del aceite con el refrigerante.

Que el refrigerante y el lubricante sean miscibles significa que forman una mezcla homogénea, es decir que la mezcla mantendrá las mismas proporciones en todo el recorrido. Otra propiedad es la solubilidad. Está indica que el lubricante es soluble en el refrigerante. La diferencia entre ambos conceptos radica en el hecho de que los dos fluidos si son miscibles forman una mezcla homogénea en cualquier proporción que se unan, en tanto que si son solubles tienen una capacidad limitada de dilución. Lo ideal es que ambos fluidos sean totalmente miscibles en todo el campo de temperaturas que pueden presentarse a lo largo del circuito.

Los aceites que se utilizaban en las instalaciones antes de la sustitución de los refrigerantes eran los aceites minerales MO (mineral oil, en inglés). A partir de la aparición de los nuevos refrigerantes se hizo necesario otros tipos de lubricantes.

• Los lubricantes AB (alquilbencénicos) son los más indicados para instalaciones donde se empleaba aceite mineral (MO), antes de cambiar el refrigerante.
• Los lubricantes POE (Poliol-eter) están especialmente recomendados para instalaciones nuevas equipadas con refrigerante HFC, con preferencia para R-134A, R-407C, R-410A, y R-404A.
• Los lubricantes PAG (polialquilglicoles) lubricantes se utilizan para aplicaciones de aire acondicionado en automóviles equipados con R-134-A.

En la siguiente tabla puedes ver la compatibilidad entre los diferentes tipos de refrigerante y los tipos de lubricantes: