Category Archives: 03.01. Sistemas de Refrigeración y Bomba de Calor.

Evidencias del calentamiento global (efecto invernadero):

El efecto invernadero es necesario para la vida en la Tierra. Sin él, se estima que la temperatura en la superficie terrestre estaría en torno a los -18 °C. Las emisiones de gases de efecto invernadero se contrarrestan de forma natural hasta que la contribución de dichos gases se desequilibra con gases de procedencia no natural. En la figura se pueden observar los efectos del aumento global de la temperatura quedan evidenciados por las conclusiones que se desprenden de las medidas de las temperaturas en todos los continentes, del nivel del mar en la mayoría de los océanos y del espesor de la cubierta de nieve en el Hemisferio Norte.

Las causas a las que se atribuye el aumento del promedio mundial de las temperaturas desde mediados del siglo XX se encuentran, en su mayor parte, en la observación del aumento de las concentraciones de los llamados Gases de Efecto Invernadero (GEI) antropógenos o gases invernadero. Las emisiones mundiales de GEI causadas por actividades humanas han aumentado, desde la era preindustrial, en un 70% entre 1970 y 2004. El dióxido de carbono (CO₂) es el GEI antropógeno más importante y por este motivo se toma como referencia en el análisis de la influencia de otros GEI en el calentamiento global.

Contribución de los gases en el efecto invernadero:

Para establecer una comparación entre el potencial de calentamiento de los gases, se define el potencial de calentamiento global (Global Potential Warming, GWP) como la masa de CO₂, en kg, que tendría que ser emitida a la atmósfera para provocar el mismo efecto sobre el calentamiento atmosférico que la emisión de 1 kg de una determinada sustancia. Es, en definitiva, el cociente entre la intensidad de absorción de radiación infrarroja (a la que se llama \alpha en la ecuación) provocada en un intervalo temporal (usualmente de 100 años, aunque puede establecerse en 20 ó 500 años) por la emisión de 1 kg de una sustancia “i” a la atmósfera, y la absorción provocada en el mismo tiempo por la emisión de 1 kg de CO₂, siempre teniendo en cuenta el grado de disolución del gas en la atmósfera, dado que la capacidad de absorción depende de su concentración. Así,

GPW_i=\frac{\int _{\Delta t} \alpha_i C_i dt}{\int _{\Delta t}\alpha_{C O_2} C_{C O_2} dt}

La ecuación valora solamente el efecto directo (D) de la emisión de un gas de efecto invernadero (GEI) a la atmósfera, pero no tiene en cuenta la posibilidad de que un gas “i”, pudiendo tener un GWP más alto que otro, pueda, sin embargo, conseguir una operación más eficiente en la instalación o la máquina de la que forma parte que otro, con un GWP menor, lo que redundaría en definitiva, en un menor consumo de energía primaria y, por tanto, en menores emisiones de GEI a la atmósfera. Este efecto es el efecto indirecto, I, que se tiene en cuenta en la definición del impacto total equivalente de calentamiento (TEWI, Total Equivalent Warming Impact) que se obtiene de la expresión:

{TEWI}=D+I=G W P\cdot m\cdot f\cdot t+G W P\cdot m\cdot (1-\alpha )+E\cdot t\cdot A

Siendo:

• m: carga de refrigerante en la instalación, en kg.
• f: proporción anual de fugas, en kg_f/ kg_ref/ año.
• t: tiempo estimado de vida útil del equipo, en años.
• \alpha: fracción de refrigerante recuperado al final de la vida útil de la instalación, en kg_r/ kg_ref.
• E: consumo anual de energía de la instalación, en kWh/año.
• A: previsión de masa emitida de CO₂ por unidad energética eléctrica disponible por el usuario, en función del tipo de fuente energética de la que procede, en kg/kWh. En el caso de instalaciones alimentadas con energía eléctrica de la red, A=0,6\frac{kg}{kWh}.

Evolución del agujero de la capa de ozono antártico:

El ozono estratosférico protege a los organismos vivos de la radiación ultravioleta nociva, de longitudes de onda menores de 290 nm. La llamada capa de ozono ocupa una zona de la estratosfera situada entre los 15 y 40 km de altura en la que se encuentra una concentración de entre 2 y 8 ppm de ozono. El ozono se produce según las siguientes reacciones:

O_2+h_{\nu }\rightarrow O+O

O+O_2+M\rightarrow O_3+M

Y se destruye según estas otras:

O_2+h_{\nu }\rightarrow O+O_2

O+O_2\rightarrow 2O_2

Las cuatro reacciones anteriores forman parte del ciclo básico de formación y destrucción del ozono estratosférico. En todas ellas, es necesaria la energía del fotón que inicia la reacción, h_{\nu }. M se refiere a cualquier molécula que transporte la energía liberada por calor en segunda reacción. En presencia de especies químicas como H, OH, NO, Cl o Br (en general, X), tiene lugar la reacción de destrucción de ozono,

O_3+X\rightarrow O X+O_2

O X+O\rightarrow O_2+X

De esta forma, la especie X queda intacta y dispuesta a reaccionar nuevamente con otra molécula de ozono. Así, se estima que un átomo de cloro puede destruir hasta 10⁵ moléculas de ozono [Lapuerta Amigo & Armas, 2012]. Así es como se ha llegado a la situación en la que actualmente se encuentra la capa de ozono sobre la Antártida, que se puede visualizar de una forma evidente en la figura a continuación.

En lo que a refrigerantes se refiere, los átomos de cloro en la atmósfera proceden de la fotólisis de los CFC y de los HCFC. El potencial de destrucción de la capa de ozono (ODP, Ozone Depletion Potential), se define refiriéndose al CFC más reactivo, que es el R11, al que se asigna el valor unidad. El ODP en HCFC está comprendido entre 0,02 y 0,2 y es nulo en los HFC y en los PFC, aunque son muy estables y, por tanto, su tiempo de permanencia en la atmósfera es grande (mayor en los PFC incluso que en los HFC).

ODP y GWP de refrigerantes:

Reglamento europeo sobre gases fluorados de efecto invernadero:

El Consejo Europeo ha adoptado medidas en lo que a emisiones de Gases Fluorados de Efecto Invernadero (GFEI) se refiere. Dichas medidas quedan recogidas en el Reglamento Europeo sobre Gases Fluorados de Efecto Invernadero, de aplicación desde el 1 de enero de 2015. De manera muy resumida y por lo que afecta en el sector de la Climatización, cabe señalar que en dicho Reglamento se insta a la reducción de GEI en la Unión Europea en un 80 a 95% en 2050 con respecto a los niveles de 1990, con el objetivo de proteger el medio ambiente, estableciendo normas sobre contención, uso, recuperación y destrucción de GFEI y sobre condiciones de comercialización de productos y aparatos específicos que contengan GFEI o dependan de ellos. Igualmente, establece condiciones en usos específicos de GFEI y fija límites cuantitativos en la comercialización de hidrofluorocarburos.

En cuanto a control de uso, en dicho Reglamento se determina que a partir del 1 de enero de 2020 quedará prohibida la utilización de GFEI con un GWP igual o superior a 2500 para revisión o mantenimiento de aparatos de refrigeración con un tamaño de carga igual o superior a 40 toneladas equivalentes de CO2 para GFEI vírgenes. No obstante, hasta el 1 de enero de 2030 y para el uso citado anteriormente se permitirán los GFEI regenerados (tras haber sido adecuadamente etiquetados) y reciclados (siempre que se hayan recuperado de los mismos aparatos revisados y sean utilizados por la misma empresa que haya realizado la recuperación). Son destacables, también, las restricciones de la comercialización que se establecen en el citado Reglamento, recogidas en las prohibiciones de comercialización de productos y aparatos que contengan HFC o cuyo funcionamiento dependa de ellos, relativos al sector de la climatización y de la refrigeración.

Así, se fijan las siguientes prohibiciones:

“A partir de 1 de enero de 2020:

Aparatos fijos de refrigeración que contengan HFC, o cuyo funcionamiento dependa de ellos, con un GWP igual o superior a 2.500, excepto los aparatos diseñados para aplicaciones destinadas a refrigerar productos a temperaturas inferiores a -50 ˚C.

Sistemas de aire acondicionado móviles (sistemas sellados herméticamente que el usuario final puede mover de una habitación a otra) que contengan gases fluorados con un GWP igual o superior a 150.

A partir de 1 de enero de 2022:

Sistemas centralizados de refrigeración múltiples, para uso comercial, con una capacidad igual o superior a 40 kW, que contengan gases fluorados de efecto invernadero, o cuyo funcionamiento dependa de ellos, con un GWP igual o superior a 150, excepto en los circuitos refrigerantes primarios de los sistemas en cascada, en que pueden emplearse gases fluorados de efecto invernadero con un GWP inferior a 1500.

A partir de 1 de enero de 2025:

Sistemas partidos de aire acondicionado con una sola unidad interior que contengan menos de 3 kg de gases fluorados o cuyo funcionamiento dependa de ellos, con un GWP igual o superior a 750.
Previa solicitud motivada de una autoridad competente de un Estado miembro, la Comisión podrá autorizar de modo excepcional, y mediante actos de ejecución, exenciones temporales de cuatro años para permitir la comercialización de algunos de los productos y aparatos enumerados anteriormente, en caso de que se haya demostrado que:
– Para una aplicación determinada, no se dispone de alternativas o no se puede recurrir a ellas por motivos técnicos o de seguridad.
– Su uso genere costes desproporcionados.

A efectos de instalación, revisión, mantenimiento, reparación o desmontaje de los aparatos fijos de aire acondicionado, bombas de calor fijas, aparatos fijos de refrigeración, etc., los GFEI solo podrán venderse a empresas que dispongan de los certificados correspondientes.

Los aparatos que no estén herméticamente cerrados y que estén cargados con hidrofluorocarburos comercializados, solo podrán venderse al usuario final cuando se disponga de pruebas de que la instalación se realizará por una empresa certificada.”

La denominación de un refrigerante se construye a partir de la cadena alfanumérica:

“Prefijo”&“-”& nde & nC & nH & nFl & nCl & a,

donde:

• nde: Número de dobles enlaces (se omite si es cero).
• nC: Número de átomos de carbono – 1 (se omite si es cero).
• nH: Número de átomos de hidrógeno + 1.
• nFl: Número de átomos de flúor.
• nCl: Número de átomos de cloro reemplazados por átomos de bromo (se le añade el prefijo B), o átomos de yodo (se le añade el prefijo I) (se omite si es cero).
• a: Letra o letras añadidas para identificar los isómeros. En el caso de un haloalcano de dos carbonos, el isómero “normal”, sin letra, para una numeración es aquel que tiene la menor diferencia de masas entre los carbonos. A continuación las letras a, b, etc. son adjudicadas sucesivamente a cada isómero conforme la diferencia de masas se aleja de la del “normal”.
• Prefijo se obtiene de la siguiente tabla:

 Mezclas azeotrópicas:

Mezclas no azeotrópicas:

El tetrafluoroetano (CH_2FCF_3), más conocido como HFC-134a, es el Refrigerante que, desde hace unos treinta años, se ha venido empleando habitualmente en los circuitos de los sistemas de frío por compresión utilizados en la climatización de automóviles. Según la Agencia de Protección Medioambiental de los Estados Unidos (EPA, Environmental Protection Agency), el HFC-134a tiene un Potencial de Agotamiento del Ozono (ODP, Ozone Depletion Potential) nulo, mientras que su Potencial de Calentamiento Global (GWP, Global Warming Potential) es de 1300 y tiene una vida media en la atmósfera de entre 13,8 y 14,6 años.

Tetrafluoroetano (HFC-134a)

El Potencial de Agotamiento del Ozono, ODP, se define como el potencial que tiene una sustancia de destruir Ozono, O_3, comparado con el potencial de destrucción del Ozono del clorofluorocarbono, CFC-11, que se toma como referencia e igual a la unidad.

Ozono (O_3).

El Potencial de Calentamiento Global, GWP, representa la contribución de la masa de una sustancia química al calentamiento global durante un período de tiempo determinado, en comparación con la de la misma masa de dióxido de carbono (CO_2) durante el mismo tiempo, que se toma como referencia asignándosele, por convenio, un GWP unidad.

Se pueden consultar los valores de los índices ODP y GWP en esta Tabla y en esta otra, ambas de la Agencia de Protección Medioambiental de los Estados Unidos.

A partir del 1 de Enero de 2017 no podrá fabricarse ningún vehículo en Europa que utilice HFC-134a como refrigerante. Así se indica en el Real Decreto 795/2010, de 16 de junio, 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 en el que se desarrolla la Directiva Europea de 17 de mayo de 2006 relativa a las emisiones procedentes de sistemas de aire acondicionado en vehículos de motor y por la que se modifica la Directiva 70/156/CEE del Consejo (conocida como MAC,s, de mobile air-conditioning systems).

Tetrafluoropropeno (HFO-1234yf)

Los fabricantes de refrigerantes Dupont y Honeywell han patentado, para su utilización como refrigerante en los sistemas de frío por compresión en automoción (tras no pocas controversias), una nueva molécula, el tetrafluoropropeno (CF_3CFCH_2) o HFO-1234yf, que tiene un comportamiento energético muy parecido al del HFC-134a (en la Revista Iberoamericana de Ingeniería Mecánica se puede encontrar este estudio mucho más pormenorizado) y cuyo GWP es, aseguran, entre un 99,7% (Dupont) y un 99,9% (Honeywell), inferior al correspondiente al HFC-134a, e incluso inferior al correspondiente al CO_2 que, como se ha visto, se toma como referencia. Además, el HFO-1234yf se descompone en la amósfera en 11 días, frente a los 13 años del HFC-134a. De momento, el HFO-1234yf es sensiblemente más caro que el HFC-134a (se pueden encontrar precios de refrigerantes fácilmente en la Web; véase, por ejemplo, este vínculo a “Eurorefrigerant“) siendo, también, “ligeramente inflamable” (la temperatura de inflamación es 405 °C) según se indica en sus características técnicas.

La controversia surgió cuando Daimler, el grupo propietario de Mercedes Benz, empleó en la segunda mitad del año 2012, el HFO-1234yf en uno de sus modelos, el Mercedes Clase B, sobre el que hizo una prueba calificada como “estándar” por la marca. En el vídeo se puede ver la evolución de la prueba posterior a la primera, de la que se ha publicado la fotografía que se muestra aquí (siento el sesgo informativo y sensacionalista que supone la aparición de la palabra “asesino” en el vídeo).

Como consecuencia, Mercedes Benz llamó a revisión a los propietarios de los vehículos de la serie SL para sustituir el HFO-1234yf, rechazándolo por “motivos de seguridad”. Algunas marcas (GM, Subaru, Mazda, Kia y Hyundai) ya lo han comenzado a utilizar pero otras (BMW y Volkswagen), tras anunciar que no iban a emplearlo, han pedido que se retrase la prohibición de utilizar el HFC-134a con el objeto de tener algo más de tiempo para investigar en la implementación del CO_2 como refrigerante. La Unión Europea, por su parte, ha emitido un comunicado en Marzo de 2014 en el que asegura que no hay evidencia de que la seguridad esté en riesgo, haciendo saber a Mercedes Benz de la obligación de cumplir con la normativa o tendrá que dejar de vender coches en Europa. Además, asegura que si el coche de Mercedes Benz se incendió fue “por un fallo de diseño”.

Y efectivamente, en todos los medios se dice que parece muy evidente que Mercedes conocía de antemano los resultados de su prueba. ¿Buscaba Mercedes, entonces, el resultado que encontró? Si es así, ¿para qué? Y si no… bueno, es que pensar que Mercedes no conocía el resultado que iba a obtener es imposible… ¡es Mercedes! Entonces… ¿hay algo más sobre la refrigeración con CO_2 que aún no se ha sacado a la luz, esperando un momento mejor? ¿Se ha doblegado la Unión Europea a los intereses de Dupont y Honeywell?

Las respuestas a tantas preguntas… en unos meses. Habrá que permanecer atentos.