Instalaciones Frigoríficas Automatizadas de Pequeña y Mediana Potencia con Amoní

 

Comenzaremos esta charla, con una pequeña introducción sobre el tema de referencia, haciendo una reseña sobre el desarrollo del frío industrial, los orígenes y evolución de los refrigerantes y sus características.

En 1821 Seebeck descubre la generación de corriente eléctrica por efecto termoeléctrico.

En 1834 Peltier descubre la caída de temperatura por efecto termoeléctrico.

En 1834 Jacob Perkins inventa la maquina frigorífica a compresión con éter etílico como refrigerante.

En 1844 John Gorrie inventa la primer máquina frigorífica a aire expandido.

En 1857 Carré inventa la máquina frigorífica a absorción con éter y luego en 1869 con la mezcla amoníaco agua.

En 1866 Thaddeus Lowe crea la primer máquina a compresión para anhídrido carbónico.

En 1874 Pictet crea la primer máquina a compresión para anhídrido sulfuroso.

En 1876 Charles Tellier construye la planta frigorífica con compresores a éter metílico a bordo de navío “Le Frigorifique”, comenzando el comercio de carnes refrigeradas en nuestro país con destino al mercado europeo. El primer envío fue de 25 toneladas de carne refrigerada.

En 1876 Carl von Linde construye el primer compresor frigorífico de amoníaco.

En 1878 después de la Exposición Universal de París, las cervecerías comienzan a usar el amoníaco, para el enfriamiento de la cerveza durante el proceso de fabricación, con máquinas a compresión de vapores y con amoníaco como refrigerante.

De 1880 a 1884 se introducen en los E.E.U.U. los grandes fabricantes de material frigorífico, en 1880 Fred Wolf / Linde, en 1881 De La Vergne, en 1882 Frick y en 1884 York.

Considerando los refrigerantes iniciales, las presiones de condensación habituales en un ciclo de compresión de vapores para el anhídrido carbónico son de 60 a 70 Bar, y en el amoníaco de 10-15 Bar; por ello los compresores de amoníaco son máquinas menos exigidas mecánicamente y fueron las que tuvieron mayor desarrollo y venta, si bien en las instalaciones frigoríficas navales, sobre todo en barcos de guerra, el anhídrido carbónico tuvo mayor desarrollo por motivos ajenos a la refrigeración todo ello en los inicios de la refrigeración mecánica.

En la década del 1920 al 30 se usan como refrigerantes en instalaciones de baja potencia el anhídrido sulfuroso y el cloruro de metilo, y a partir del año 1930 comienza la utilización de los clorofluocarbonados, con gran publicidad por ser “refrigerantes sin peligro”.

El amoníaco se ve desplazado a las instalaciones industriales de gran potencia, fabricadas y mantenidas por personal idóneo, todo ello, a pesar de ser el amoníaco el refrigerante que económica y termodinámicamente es el mejor. También se lo relegó en las pequeñas instalaciones, porque exige que los orificios en las válvulas de expansión sean muy reducidos, con los consiguientes problemas constructivos en las mismas, pero recientemente, con los sistemas de expansión con válvulas de comando electrónico, se ha resuelto satisfactoriamente el problema de la expansión de pequeñas cantidades de refrigerante, anulándose esta dificultad.

Es de hacer notar, que ya desde aquellos años ganó el mercado y se mantiene en primera posición dentro de su tipo, una heladera del tipo familiar en ciclo de absorción con par amoníaco agua, la cual, teniendo como fuente de energía, la combustión de hidrocarburos, es usada fundamentalmente en el medio rural y con los mismos potenciales peligros que se le achacan al amoníaco y con funcionamiento perfecto por largos años.

El amoníaco a pesar de una mala fama no justificada, ocasiona muy pocos accidentes mortales, ya que por su olor, fácilmente detectable, aun con fugas mínimas y con niveles de refrigerante muy inferiores a los peligrosos, actúa como aviso. Además, por ser sus vapores mas livianos que el aire, fácilmente se eliminan al exterior, o se absorben con agua pulverizada.

Por otra parte, hay actualmente sistemas automáticos de detección de amoníaco, que pueden dar la alarma y/o efectuar las maniobras que el diseñador crea oportuno en la instalación frigorífica.

Lugar del NH3 en la industria del frío. Según DKV 2/1987

Aplicación:	Porcentaje	Refrigerante
R717	R22	Otros
Almacenes Frigoríficos	20	70	30	-
Mataderos y Procesos Cárnicos	15	60	39	10
Industria de Bebidas	15	80	15	5
Industria Alimenticia (Helados, Chocolates, etc.)	30	50	40	10
Industria Química	20	40	40	20
	_____________
	100

Producción y utilización del amoníaco.

Características principales.

El amoníaco forma parte integrante del ciclo del nitrógeno en la atmósfera; el total producido industrialmente, no llega al 3% del existente en la naturaleza.

El amoníaco, no tiene incidencia en la capa de ozono; su vida al aire libre no llega a dos semanas, pues se recombina, no contribuye al efecto calentamiento global de la atmósfera; y por su proceso de fabricación, se precisa menor energía para obtenerlo, que para cualquier otro refrigerante conocido, teniendo excelentes propiedades térmicas y termodinámicas.

En 1908 se desarrolló el primer método catalítico para su obtención, el cual fue creado por Fritz Haber y la producción de amoníaco sintético, comienza en 1913. El método de obtención, es el de descomposición catalítica del gas natural para obtener hidrógeno a 200 Bar y 400 C. y luego por medio de un catalizador ferroso se forma amoníaco, con el nitrógeno del aire.

En el año 1984 se produjeron aproximadamente 120 millones de toneladas de amoníaco y el 80% de esta producción, se usó en la fabricación de fertilizantes mientras que el 5% de lo fabricado, se usó como refrigerante.

El amoníaco recibe la denominación de refrigerante R717 de acuerdo a la nomenclatura desarrollada por lo siguiente: los refrigerantes inorgánicos tienen el número 700 como grupo y el número que les sigue es el de su peso molecular. El amoníaco tiene un nitrógeno con un peso molecular de 14 y tres hidrógenos con un peso molecular de 1 cada uno, por lo tanto será 700+1x 14+3x1= 717. Otros compuestos como ser: el agua; R718, el anhídrido carbónico; R744, el anhídrido sulfuroso; R764, etc.

El amoníaco anhidro tiene una pureza del 99,95% y es el indicado en refrigeración.

El Protocolo de Montreal y los siguientes no tienen ningún tipo de objeción para el uso del R717 como refrigerante por no atacar el mismo la capa de ozono.

Criterios para elegir un refrigerante.

Existe un compromiso en la elección, debido a que algunas propiedades pueden ser contradictorias.

Estas propiedades se pueden agrupar en dos grupos:

a). Propiedades termodinámicas y de transferencia de calor.

b). Propiedades físicas, químicas y fisiológicas.

Otros ítems a tener en cuenta pueden ser: la facilidad de detección de fugas, la estabilidad en presencia de agua y aceite, el costo y la libre disponibilidad del refrigerante en plaza.

Desde el punto de vista técnico, son características fundamentales la presión de los vapores, la presión y temperatura criticas, el peso molecular del refrigerante, etc..

El volumen de los vapores de refrigerante, producto de la obtención de una determinada potencia frigorífica, es inversamente proporcional a la presión de evaporación y desde ya a la temperatura de evaporación. Por lo tanto, un buen refrigerante para limitar las dimensiones del compresor en su aspecto físico, debería tener a la temperatura de evaporación la presión mas alta posible.

El gasto o consumo másico de refrigerante para una potencia frigorífica dada es proporcional al calor de vaporización y al peso específico del mismo.

Un refrigerante con alta densidad, precisa mayores diámetros de cañerías, de válvulas y menor velocidad de pasaje en las válvulas del compresor o sea máquinas mas grandes con menores velocidades.La velocidad optima de los vapores en máquinas alternativas es inversamente proporcional a la raíz cuadrada del peso molecular.

Comparaciones entre el R717 y el R 22.

Ventajas e inconvenientes.

El peso molecular del R22, (que tiene un átomo de cloro, dos de flúor, uno de hidrógeno y uno de carbono), es redondeando 1x 35 + 2x 19 + 1x1 + 12 = 86, mientras que el del R717 era de 17.

El R717 con su peso molecular de 17, permite velocidades de pistón 2,5 a 3 veces mas elevadas que para los refrigerantes halogenados y por lo tanto compresores de menor tamaño.

El costo de refrigerante R717 es menos elevado. El R22 es aproximadamente 6 veces mas costoso por kilogramo, que el R717, pero tomando en cuenta el volumen que es lo que nos interesa, como el peso específico del R717 es menor, que el del R22, la relación de precio se convierte en el orden de 11 a 1.

Mejor rendimiento termodinámico en la mayoría de los rangos. El COP o sea la potencia frigorífica generada en relación a la potencia consumida es un 3% mayor para el R717 aproximadamente frente al R22.

Por ser los coeficientes de convección y de transferencia mayores con los refrigerantes de menor peso molecular y siendo el del R717 netamente inferior al del R22 sus coeficientes son mayores para el R717, obteniéndose de esta manera superficies de transmisión de calor en los condensadores y evaporadores inferiores.

Relaciones aproximadas de variables entre el R717 y el R22:

Calor específico del líquido 4 a 1.

Calor latente de vaporización 6 a 1.

Conductividad térmica del líquido 5,5 a 1.

Viscosidad 0,8 a 1.

Densidad del líquido 0,5 a 1.

Coeficiente de condensación exterior a los tubos 4,1 a 1.

Coeficiente de condensación interior a los tubos 3,5 a 1.

Coeficiente de ebullición exterior a los tubos 1,6 a 1.

Coeficiente de ebullición interior en los tubos 2 a 1.

Al tener el R717 una temperatura crítica de 132,4 C. frente a 96 C. para el R22 nos permitiría en ciclos del tipo de bomba de calor tener, temperaturas de la fuente caliente mas elevadas para el R717 y con ello un nivel de temperatura mas alto.

El R717 tiene temperaturas de descarga superiores al R22, por lo tanto, deben aislarse las cañerías de aspiración y evitar trabajar con vapores altamente recalentados, esto es para compresores alternativos, en que, la compresión es casi adiabática y no en el caso de compresores a tornillo, en los cuales, el aceite se lleva una parte del calor y se obtienen temperaturas de descarga de los vapores mas bajas.

Las fugas de refrigerante en el R717 son ya fácilmente detectables, con la presencia de 5 p.p.m. en el aire, valor este que esta bien lejos de concentraciones que comienzan a ser molestas y que son del orden de 100 p.p.m..

En Alemania en lugares de trabajo con jornada de 8 horas, se ha fijado una concentración máxima de R717 de 50 p.p.m. en el aire.

Con sistemas de detección automática de fugas para el R717, se suele conectar el sistema automático de ventilación de la sala de máquinas con concentraciones a partir de 500 p.p.m. y en cámaras los sistemas de alarma se suelen activar con concentraciones de 50 a 100 p.p.m..

A presión atmosférica el R717 evapora a -33,4 C. generándose 750 lts. de vapores por Kgr.. El R717 se disuelve fácilmente en agua; a 20 C. , un litro de agua puede absorber 0,517 Kgr. de R717 que corresponden a 650 lts. de vapores.

Al ser el R717 aproximadamente 1,7 veces mas liviano que el aire, se eleva y disipa fácilmente en la atmósfera, reaccionando con el anhídrido carbónico de la misma, generando bicarbonato de amonio y neutralizándose.

El R22 es inodoro y mas denso que el aire y puede producir efectos letales por desplazamiento del oxígeno en recintos cerrados, como son las bodegas de los barcos frigoríficos; además en presencia de llama, genera fosgeno, un gas altísimamente venenoso usado en la primera guerra mundial.

El R717 se descompone a 450 C., a mas altas temperaturas es inflamable, el límite mínimo de inflamabilidad es del 15 % en aire o sea 150.000 p.p.m. o de 9,2 % de peso de R717 en aire, el índice máximo es de 30,2 % en aire que equivale a 302.000 p.p.m. o 20,1 % en peso en aire. El calor producido por su combustión no es suficiente para mantener la llama, luego el fuego se extingue si la fuente de ignición es removida. La inflamación y la explosión no se producen al aire exterior por todo lo que antecede. Durante la segunda guerra mundial, se bombardearon e incendiaron muchos frigoríficos con R717 como refrigerante sin presentarse problemas de este tipo.

El mayor problema se origina debido al pánico de las personas, cuando perciben el olor penetrante del R717 e ignoran los efectos del mismo. Por ello no es recomendable su uso en expansión directa en lugares con alta concentración de personas como ser cines, teatros, etc. ,pero si se puede usar para el aire acondicionado de dichos locales, usando un fluido intermediario como agua, o diversos tipos de soluciones alcohólicas o salinas.

El R717 no es compatible con el mercurio, el zinc y los compuestos cuprosos, pero lo es con todos los ferrosos y con el aluminio.

El costo del bombeo en instalaciones por recirculado, es mucho menor para el R717, por bombearse menor cantidad para una misma potencia frigorífica, con menor peso específico y con viscosidades menores.

El R717 tiene una tolerancia muy alta a la contaminación con agua, formándose soluciones amoniacales que no obturan con hielo los orificios de expansión, mientras que la presencia de agua en un circuito de R22 genera graves problemas por obturación de las válvulas de expansión por formación de hielo si se trabaja con temperaturas de evaporación inferiores a 0 C. y productos producidos por la descomposición del R22 por presencia del agua con los metales, generando ácidos que alteran los componentes de la instalación.

Mejor estabilidad del R717 con los aceites lubricantes.

Muy buen comportamiento del R717 con los elastómeros.

Las dimensiones de las cañerías y de las válvulas para el R717 son menores para igual potencia frigorífica y demás condiciones., pues en líquido, el gasto másico es del orden de 1 a 7, por ello las cañerías de líquido son menores, y en la aspiración, la relación de diámetros de las cañerías es de aproximadamente 1 a 3.

El R717 no es prácticamente miscible con los aceites frigoríficos, estando las superficies de transferencia prácticamente libres de aceite, mejorándose las mismas por ello.

El R717 no tiene ningún efecto sobre la capa de ozono, ni tampoco en el calentamiento global de la atmósfera.

Tendencias futuras.

El R717 es el refrigerante mas probado en el tiempo, con tecnologías perfectamente conocidas, no contaminante atmosférico y que actualmente, con todos los controles existentes, se puede llegar a una automatización total.

La tendencia actual, es la de tratar de tener en el circuito frigorífico la menor cantidad de refrigerante y ello se logra mediante el adecuado diseño de la instalación. Se trata de hacer plantas frigoríficas con pequeña cantidad de refrigerante en el circuito, del tipo paquete, que perfectamente armadas y probadas de taller en todos sus componentes, minimizan los trabajos de puesta en marcha en el establecimiento.

En instalaciones de supermercados y en plantas de aire acondicionado se trata de diseñar el circuito de enfriamiento con fluidos intermediarios, a fin de eliminar los eventuales problemas que pudiera presentar una fuga de refrigerante en los locales públicos.

Los intercambiadores con mínima capacidad de refrigerante son los del tipo de placas soldadas tipo paquete u otros, los cuales minimizan la carga de refrigerante, debiéndose tomar solamente la precaución de observar la limpieza de los fluidos que circulan por ellos y que la recirculación se haga en un régimen altamente turbulento.

Es de hacer notar, que se están desarrollando compresores semi-herméticos de baja capacidad, los cuales tienen como material de las bobinas, alambres de aluminio, material este que como hemos dicho anteriormente, no es atacado por el R717.

En nuestro país, contamos desde hace muchos años con compresores frigoríficos alternativos, para R717, de excepcional calidad mecánica, que arrancan desde una potencia consumida de 5 H.P. en adelante, hasta llegar a la gama de los compresores a tornillo también de fabricación nacional; las técnicas de instalación son bien conocidas y probadas y a no dudarlo, después de tantas marchas y contramarchas el R717 perdurará en el tiempo y ocupará el lugar en la gama de medianas y bajas potencias frigoríficas de donde fue desplazado por compuestos químicos que inicialmente eran perfectos y que luego demostraron lo contrario.

El país cuenta con los técnicos y la mano de obra necesaria para realizar esta tarea y solamente hay que confiar en el buen criterio de los que toman decisiones.