REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO

“SANTIAGO MARIÑO”

ESCUELA DE MANTENIMIENTO MECÁNICO

EXTENSIÓN MATURÍN

TIPOS DE REFRIGERANTES Y

CARGAS TÉRMICAS

Autores:

Becerra Gregory

Bello Yilsen

González Jesús

Ortiz Luis Miguel

Grupo Helado

Asesor: Ing. Luis Castillo

Maturín, Agosto del 2016

INTRODUCCIÓN.......................................................................................................3

TIPOS DE REFRIGERANTES.................................................................................4

1.1 Refrigerantes sintéticos........................................................................................4

1.1.1 Clorofluorocarbonos......................................................................................5

1.1.2 Hidroclorofluorocarbonados.........................................................................5

1.1.3 Hidrofluorocarbonados..................................................................................6

1.2 Refrigerantes naturales.........................................................................................6

1.2.1 Amoníaco (NH3, R717)................................................................................7

1.2.2 Hidrocarbonos (HC)......................................................................................7

1.2.3 Dióxido de carbono (CO2, R744).................................................................8

CARGAS DE REFRIGERACIÓN............................................................................8

2.1 Carga por Transmisión.........................................................................................9

2.2 Carga por Cambios de Aire..................................................................................9

2.3 Cargas Misceláneas..............................................................................................9

2.3.1 Luces...........................................................................................................10

2.3.2 Motores........................................................................................................10

2.3.3 Ocupación....................................................................................................10

2.4 Carga del Producto.........................................................................................10

2.4.1 Calor específico...........................................................................................11

2.4.2 Calor Latente...............................................................................................11

2.4.5 Respiración..................................................................................................11

2.4.6 Tiempo de Abatimiento...............................................................................12

CONCLUSIÓN..........................................................................................................13

BIBLIOGRAFÍA.......................................................................................................14

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INTRODUCCIÓN

En la actualidad hay una gran variedad de refrigerantes empleados en la

refrigeración, algunos de los cuales se usan comúnmente a nivel comercial. En las

primeras instalaciones de refrigeración se empleaban por lo general el amoniaco,

bióxido de sulfuro, propano, etano y cloruro metálico, los cuales aún se usan en varias

aplicaciones. Sin embargo debido a que estas sustancias son tóxicas, peligrosas o

tienen características no deseadas, han sido reemplazadas por substancias creadas

especialmente para usarse en refrigeración. 

Para instalaciones con grandes compresores centrífugos o en aplicaciones

donde se requiere muy baja temperatura, se usan refrigerantes especiales, pero para

refrigeración comercial y aire acondicionado que utilizan compresores reciprocantes,

se usan refrigerantes R-134a, R-22, R-404A, R-507 y R-410A. Muchos refrigerantes

en uso actualmente contienen, carbono, flúor, cloro, y en algunos casos hidrógeno. La

excepción son el amoniaco y los HFC. Los HCFC fueron la primera opción para

las primeras etapas de sustitución de los CFC, debido a su amplia disponibilidad, a

sus bajos costos y, principalmente, a que termodinámicamente son capaces de hacer

el trabajo de refrigerantes. Fue necesaria una reducción y eliminación de HCFC,

debido a que estas sustancias también deterioran la capa de ozono. En la actualidad,

existen más de 60 refrigerantes para la sustitución de los HCFC. Entre los

refrigerantes nuevos que se han sugerido para el servicio de

mantenimiento de equipos, se encuentran los refrigerantes naturales,

como el dióxido de carbono (CO2), el amoniaco (NH3) y los refrigerantes a

base de hidrocarburos (HC). Una vez determinado el refrigerante a emplear se debe

hacer un estudio de las cargas presentes en el sistema o equipo d refrigeración para

esto se emplean valores tabulados y fórmulas que ayudan a calcular con exactitud

dichas cargas garantizando así que el equipo funcione de manera correcta y sea capaz

de mantener las condiciones de climatización necesarias requeridas.

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TIPOS DE REFRIGERANTES

Existen dos grupos diferentes de gases refrigerantes:

Sintéticos: fluidos halocoarbonados tales como CFC, HCFC y HFC.

No sintéticos: hidrocarbonos, dióxido de carbono, amoníaco, agua,

aire (también denominados refrigerantes naturales).

1.1 Refrigerantes sintéticos

Los refrigeradores empleados entre el año 1980 hasta 1929 empleaban gases

altamente tóxicos (amoníaco, cloruro de metilo y dióxido de sulfuro) como

refrigerantes. Varios accidentes fatales ocurrieron en la década de 1920 debido a la

fuga de cloruro de metilo de los refrigeradores. Se inició en conjunto de tres

corporaciones americanas la búsqueda de métodos menos peligrosos.

En el año 1928, se inventaron los refrigerantes CFC y HCFC como sustitutos

para los refrigerantes altamente tóxicos y flamables. Los refrigerantes CFC y HCFC

son un grupo de mezclas orgánicas conteniendo como elementos el carbono y el

flúor, y, en muchos casos, otros halógenos (especialmente el cloro) e hidrógeno. La

mayoría de los CFC y HCFC tienden a ser incoloros, sin olor, no flamables y no

corrosivos. Debido a que los CFC y HCFC tienen poca toxicidad, su uso elimina el

peligro de muerte por una fuga en un refrigerador. En solo pocos años, los

compresores de refrigeradores que usaban CFC se volvieron el estandard para casi

todas las cocinas hogareñas. En años siguientes, se introdujeron en una serie de

productos los refrigerantes R11, R13, R114 y R22, que ayudaron a la expansión de la

industria de la refrigeración y el aire acondicionado. Con el advenimiento del

Protocolo de Montreal, los refrigerantes HFC se desarrollaron durante el año 1980 y

1990 como alternativa a los CFC y HCFC.

Refrigerantes con potencial dañino a la capa de ozono:

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1.1.1 Clorofluorocarbonos

Los refrigerantes CFC consisten de cloro, flúor y carbono. Los refrigerantes

más comunes en este grupo son el R11, R12 y R115 (con la mezcla R502). Tal como

se mencionó más arriba, estos refrigerantes vienen siendo usados ampliamente desde

1930, en muchas aplicaciones, incluyendo refrigeración doméstica, refrigeración

comercial, almacenamiento frío, transporte y aire acondicionado del auto. Debido a

que no contienen hidrógeno, los CFC son muy estables químicamente, y tienden a

tener buena compatibilidad con la mayoría de los materiales y lubricantes

tradicionales como los del tipo mineral. A lo largo de toda la variedad de CFC, tienen

una amplia variedad de características de presión - temperatura, y por lo tanto cubren

un amplio margen de aplicaciones. Sus propiedades termodinámicas y de transporte

son generalmente buenas, y por lo tanto ofrecen un potencial muy bueno de

eficiencia. La buena estabilidad también resulta en un bajo nivel de toxicidad y no

flamabilidad, obteniendo una clasificación de A1 en seguridad.

Sin embargo, debido a que contiene cloro, los refrigerantes CFC dañan la capa

de ozono (ODP), y debido a su larga vida en la atmósfera, aumentan el calentamiento

global (GWP). De manera similar, existen gases ambientalmente ecológicos, pero con

un alto valor de GWP. Sin embargo, estos no son controlados por el Protocolo de

Kyoto debido a que son controlados y están siendo eliminados por el Protocolo de

Montreal. Tradicionalmente, los refrigerantes CFC fueron muy baratos y

ampliamente disponibles, hoy en día son mucho más caros y su disponibilidad

disminuye.

1.1.2 Hidroclorofluorocarbonados

Los refrigerantes HCFC consisten de hidrógeno, cloro, flúor y carbón. Los

refrigerantes más comunes en este grupo son el R22, R123 y R124 (dentro de varias

mezclas). Debido a que contienen hidrógeno, los HCFC son en teoría menos estables

químicamente que los CFC, pero sin embargo tienden a tener buena compatibilidad

con la mayoría de los materiales y lubricantes tradicionales.

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1.1.3 Hidrofluorocarbonados

Los refrigerantes HFC consisten de hidrógeno, flúor y carbono. Los

refrigerantes más comunes son el R134a, R32, R125 y R143a (la mayoría incluidos

dentro de mezclas tales como R404A, R407C y R410A). Estos están siendo usados en

gran escala desde 1990 en casi todas las aplicaciones correspondientes a los CFC y

HCFC, incluyendo refrigeración doméstica, refrigeración comercial, almacenamiento

frío y aire acondicionado automotor. Los HFC son generalmente estables

químicamente, y tienen tendencia a ser compatibles con la mayoría de los materiales.

Sin embargo, no son miscibles con los lubricantes tradicionales, y por lo tanto se

emplean otros lubricantes del tipo sintético. A lo largo del rango de refrigerantes

HFC, existen distintas versiones a diferentes presiones y temperaturas. Sus

propiedades termodinámicas y de transporte son desde casi a muy buenas, y por lo

tanto ofrecen una excelente opción. Aunque algunos HFC son clasificados como A1

en términos de seguridad, algunos poseen clasificación A2 (baja toxicidad y baja

flamabilidad). A diferencia de los CFC y HCFC, no contienen cloro, y por lo tanto no

dañan la capa de ozono. Sin embargo, debido a su largo período de vida, son

refrigerantes ecológicamente aceptables pero con un alto valor de GWP. Estos son

controlados por el Protocolo de Kyoto. Actualmente, los refrigerantes HFC tienen un

precio moderado, contra el precio de las mezclas que están comenzando a aumentar

de precio. Aunque numerosos países están desarrollando leyes para controlar el uso y

emisión de gases HFC, muchos están disponibles, y lo continuarán siendo por un

futuro mayor.

1.2 Refrigerantes naturales

Varios hidrocarbonos, el amoníaco y dióxido de carbono pertenecen al grupo

denominado refrigerantes naturales. Todos los refrigerantes naturales existen en los

ciclos de la naturaleza, inclusive sin intervención del ser humano. Tiene un valor de

ODP igual a 0 y no son GWP. Las innovaciones y evolución en la tecnología han

contribuido en la consideración de estos refrigerantes naturales. Debido a su mínimo

impacto ambiental y por ser más apropiados y acordes desde el punto de vista de la

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sustentabilidad tecnológica, los sistemas frigoríficos con refrigerantes naturales

pueden jugar un rol importante en el futuro de muchas aplicaciones.

1.2.1 Amoníaco (NH3, R717)

El amoníaco contiene nitrógeno e hidrógeno, y es ampliamente utilizado en

muchas industrias. Ha sido empleado como refrigerante desde los años 1800, y hoy

en día es comúnmente usado en refrigeración industrial, en procesos alimenticios y

más recientemente está siendo usado en refrigeración comercial y chillers.

El R717 es químicamente estable, pero reacciona bajo ciertas condiciones, por

ejemplo, cuando se pone en contacto con dióxido de carbono o agua o cobre. Por otro

lado, es compatible con el acero y con el aceite correctamente seleccionado. Las

características de presión y temperatura del R717 son similares al R22. Sin embargo,

sus propiedades termodinámicas y de transporte son excelentes, aumentando

potencialmente la eficiencia de los sistemas. Debido a su alto grado de toxicidad y

baja inflamabilidad, posee una clasificación igual a B2. A diferencia de los gases

fluorados, no tiene impacto en la capa de ozono y tiene un valor igual a cero de

calentamiento global (GWP).

1.2.2 Hidrocarbonos (HC)

Estos refrigerantes contienen carbono e hidrógeno, y son ampliamente usados

en dentro de muchas industrias. Los más comúnmente usados para propósitos de la

refrigeración son el isobutano (C4H12, R600a) y propano (C3H8, R290), propileno

(C3H6, R1270) y se usan también en mezclas compuestas en parte por estos fluidos.

Dentro de lo que es aplicaciones industriales, se usan una variedad de otros HC. En

general, los refrigerantes HC han sido usados como refrigerante desde los años 1800

hasta 1930, y fueron re-aplicados desde la década de los 90. Aparte de su uso en

refrigeración industrial, los refrigerantes HC se han usado en refrigeradores

domésticos, refrigeración comercial, acondicionadores de aire y chillers. Los

refrigerantes HC son químicamente estables, y exhiben una compatibilidad similar a

los CFC y HCFC. Los Hc también tienen excelentes propiedades termodinámicas y

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de transporte. Debido a su alta inflamabilidad, los HC tienen una clasificación de

seguridad de A3. Al igual que el R717, los refrigerantes HC no tienen impacto en la

capa de ozono y su efecto en el calentamiento global es insignificante. Tanto el

R600a y R290 son muy baratos pero su disponibilidad depende del país.

1.2.3 Dióxido de carbono (CO2, R744)

Este refrigerante contiene carbono y oxígeno, y es ampliamente empleado en

muchas industrias. Ha sido extensivamente usado durante mediados de los años 1800,

pero se discontinuó su uso con la aparición de los CFC y HFCF. A finales de los años

1990, emergió nuevamente como refrigerante y su uso se ha venido incrementando en

las industrias de la refrigeración, almacenaje frío, refrigeración comercial, y bombas

de calor, entre otros. El R744 es químicamente estable y no reacciona en la mayoría

de las condiciones, y es compatible con muchos materiales. Las características de

presión y temperatura del R744 son diferentes a de la mayoría de los refrigerantes

convencionales, y es por eso, por ejemplo, que opera a presiones siete veces mayores

que el R22, con lo cual el sistema debe ser diseñado con consideraciones especiales

para soportar altas presiones.

Además, tiene una baja temperatura crítica, de manera que cuando la

temperatura ambiente supera los 25º C, se necesita el diseño de un sistema especial.

Por otro lado, sus propiedades termodinámicas y de transporte son excelentes,

haciendo que los sistemas sean potencialmente eficientes en climas fríos. Debido a su

baja toxicidad y no inflamable, tiene una clasificación de seguridad de A1. A

diferencia de los refrigerantes fluorados, no tiene impacto en la capa de ozono. Sin

embargo posee un valor igual a 1 de potencial de calentamiento global (GWP). El

R744 es muy barato y ampliamente disponible en el mercado.

CARGAS DE REFRIGERACIÓN

Existen diferentes tipos de cargas presentes en un sistema de refrigeración,

cada una debe ser tomada en cuenta para el correcto diseño e implementación de

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equipos y sistemas de refrigeración. Los tipos de cargas que pueden estar presentes

son:

2.1 Carga por Transmisión

Los métodos para determinar la cantidad de flujo de calor a través de los

muros, piso y techo, están bien establecidos. Esta ganancia de calor es directamente

proporcional al DT, entre los dos lados del muro. El tipo y espesor del aislamiento

usado en construcción de la pared, El área exterior de la pared y el DT entre los dos

lados del muro son los tres factores que establecen la carga a través de muros.

Algunos refrigeradores para temperaturas arriba del punto de congelación son

construidos con el piso sin aislamiento. Para congeladores puede ser necesario

proveer calor en la base de la losa para evitar congelamiento del agua del terreno y

levantamiento del piso. La temperatura mínima de la losa deberá ser por lo menos

40°F, normalmente 55°F deberá ser usada para aplicaciones de congeladores.

2.2 Carga por Cambios de Aire

Siempre que la puerta de una cámara de refrigeración es abierta, cierta

cantidad de aire caliente del exterior entrará a la cámara. Este aire deberá ser enfriado

a la temperatura de la cámara refrigerada, resultando una considerable fuente de

ganancia de calor. Esta carga es algunas veces llamada carga de infiltración.

2.3 Cargas Misceláneas

Aun cuando la mayoría de la carga térmica en una cámara refrigerada o un

congelador es causada por la pérdida a través de paredes, cambios de aire y producto

enfriado o congelado. Existen otras tres fuentes de calor que no deben ser

descuidadas para la selección del equipo de refrigeración. Puesto que el equipo tiene

que mantener la temperatura bajo las condiciones de diseño, estas cargas son

generalmente promediadas a un periodo de 24 hrs. para suministrar la capacidad

durante este lapso. Dentro de este grupo están:

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2.3.1 Luces

Los requerimientos típicos son de 1 a 1/2 watt por pie2. Las cámaras de cortes

o proceso puedan ser del doble de capacidad estimado. Cada watt el multiplicado por

3.42 BTU / watt para obtener un BTUH estimado. Este es entonces multiplicado por

24 para tener un porcentaje diario estimado.

2.3.2 Motores

Los motores más pequeños usualmente son menos eficientes y tienden a

generar más calor por HP que los motores más grandes, por ésta razón la tabla 11 en

la página 19, está dividida en grupos de HP. Los motores están ubicados en el exterior

pero que el trabajo se realiza el interior, común transportador, rechazarán menos calor

dentro del espacio refrigerada. Si para manejar el material o producto se utiliza

equipo como montacargas, deberá incluirse la carga térmica del motor. Generalmente

se usan montacargas los cuales funcionan con batería en las cámaras refrigeradas, lo

cual representa una ganancia de calor de 8,000 a 15,000 BTU, o más sobre el período

de funcionamiento. Si las condiciones de carga debidas a los motores se desconocen,

se puede asumir un motor de 1 HP para cada 16,000 pies3 en cámara de enfriamiento,

y 1 HP por cada 12,500 pies 3 en cámara de congelación, aplicándose a motores de

ventiladores y algunos montacargas en funcionamiento.

2.3.3 Ocupación

La ocupación múltiple para un período corto debe promediarse a un período

superior a 24 hrs. Si la carga por ocupación no es conocida, se permite una persona

cada 24 hrs para cada 25,000 pies3 de espacio.

2.4 Carga del Producto

Siempre que un producto tenga una temperatura más alta y sea colocado en una

cámara de refrigeración o congelación, el producto perderá su calor hasta que éste

alcance la temperatura de almacenamiento. Esta carga térmica consta con cuatro

componentes que se definen a continuación:

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2.4.1 Calor específico

Es la cantidad de calor que debe de ser removido de una libra de producto

para reducir su temperatura 1°F, se le llama calor específico. Este tiene dos valores:

uno aplicado cuando el producto está arriba del punto de congelación; el segundo es

aplicable después de que el producto ha alcanzado su punto de congelación.

2.4.2 Calor Latente

Es La cantidad de calor que debe eliminarse a una libra de producto para

congelarlo, se le llama calor latente de fusión. La mayoría de los productos tienen un

punto de congelación en el rango de 26°F a 31°F, y si la temperatura exacta es

desconocida, ésta puede considerarse de 28°F

Existe una relación definida entre el calor latente de fusión del contenido de

agua del producto, su calor específico y latente. Estimación de los calores específico

y latente:

Calores específico arriba del punto de congelación = 0.20 + (0.008% agua).

Calor específico abajo del punto de congelación = 0.20 + (0.003% agua).

Calor latente = 143.3 x % agua.

2.4.5 Respiración

Las frutas frescas y los vegetales están vivos. Incluso en el almacén

refrigerado generan calor, el cual es llamado calor de respiración. Estos

continuamente son sometidos a un cambio en el cual se libera energía en forma de

calor, la cual varía con el tipo y temperatura del producto. Los valores son

generalmente tabulados en BTU/lbs/24hrs y son aplicados al peso total del producto

que se almacena y no sólo lo retirado diariamente.

2.4.6 Tiempo de Abatimiento

Cuando la carga del producto es calculada con un tiempo de abatimiento

diferente a 24 hrs.

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Un factor de corrección:

24 hrs.

Tiempo de abatimiento (c)

Debe de multiplicar a la carga del producto.

Mientras que el abatimiento de temperatura del producto puede ser calculado,

no debe otorgarse ninguna garantía en relación con la temperatura final del producto

debido a los diversos factores incontrolables. (Esto es el tipo de empaque, posición de

la carga, método de almacenamiento, etc.)

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CONCLUSIÓN

Podemos decir que la refrigeración es un proceso que consiste en bajar o

mantener el nivel de calor de un cuerpo o un espacio. Considerando que realmente el

frío no existe y que debe hablarse de mayor o menor cantidad de calor o de mayor o

menor nivel térmico (nivel que se mide con la temperatura), refrigerar es un proceso

termodinámico en el que se extrae calor del objeto considerado (reduciendo su nivel

térmico), y se lleva a otro lugar capaz de admitir esa energía térmica sin problemas o

con muy pocos problemas.

Entendiendo que al referirnos a cargas térmicas estamos hablando

implícitamente de fenómenos asociado a sistemas de climatización, como a sistemas

frigoríficos. Se trata de la cantidad de energía térmica por unidad de tiempo, es decir

la potencia térmica que un recinto cerrado intercambia con el exterior debido a las

diferentes condiciones higrotérmicas del interior y del exterior, considerando las

exteriores como las más desfavorables posible.

El cálculo de estas cargas permite disponer los sistemas adecuados de

calefacción o refrigeración para compensarlas. En principio, podríamos englobar

dentro el término refrigerante a cualquier sustancia que cambie de fase de líquido a

vapor a una temperatura baja, en función de las condiciones de presión , pero para su

utilización en un ciclo de refrigeración por compresión, debe cumplir con

características o propiedades que son las que determinan si son una opción viable y

factible para el sistema o equipo de refrigeración, es por ello que existe una amplia

variedad de refrigerantes debido a que hay una amplia variedad de aplicaciones que

requieren características especiales.

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BIBLIOGRAFÍA

Enlaces Web:

https://es.wikipedia.org/wiki/Refrigerante

https://www.gildardoyanez.com/refrigerantes/

http://ocw.unican.es/ensenanzas-tecnicas/frio-industrial-y-aire-

acondicionado/material-de-clase-2/003%20Cargas%20Termicas.pdf

http://www.cype.net/manuales/cypetherm_ashrae_loads/

Informe_de_cargas_termicas.pdf

http://www.bohn.com.mx/archivospdf/bct-025-h-eng-1apm-manual-

ingenieria.pdf

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