Comparativa de nuevos gases ecológicos
Los refrigerantes que se han tomado como patrón y que sirven de referencia para la evaluación de los alternativos son el R134A (en Media Temperatura) y el R404A (en Media y Baja Temperatura).
Los diferentes ensayos de cada grupo se han realizado utilizando la misma instalación frigorífica, la misma carga térmica y variando únicamente el refrigerante en el dispositivo de expansión electrónico.
Los resultados de los distintos ensayos han sido reflejados tanto mediante ‘gráficos de ciclo’ como mediante valores numéricos.
Además, para testar cómo afecta al rendimiento de la instalación el cambio de refrigerante en sistemas de expansión fija, se han realizado para algunos de los refrigerantes alternativos estudiados ajustes en el dispositivo de expansión, en concreto modificaciones del recalentamiento y del tamaño de tobera, obteniéndose mejoras en el funcionamiento del sistema.
Objeto del estudio
La idea era dotar de una herramienta tanto a instaladores y mantenedores, como proyectistas y distribuidores de gases refrigerantes, para poder elegir el refrigerante más adecuado a sus necesidades, debido a la gran cantidad de nuevos gases que han aparecido en el mercado. Hay que mencionar que este trabajo se ha realizado dentro del programa TKgune del Gobierno Vasco. TKgune es una Red de Innovación, Transferencia de Tecnología y Desarrollo Competitivo de las empresas para la implantación y mejora de la tecnología, desarrollando una oferta especializada, que incluye formación avanzada y servicios técnicos de valor añadido en el ámbito de proyectos de I+D+i, para el desarrollo de dinámicas de innovación y mejora continua de los procesos y productos clave de las PYMEs, que les ayude a acceder a mercados emergentes y de alto valor añadido.
En TKgune participan centros de Formación Profesional con la colaboración del Gobierno Vasco. TKgune se articula en cinco entornos estratégicos, los cuales abarcan los siguientes ámbitos tecnológicos: automatización, energía, automoción, fabricación e industrias creativas. A través de la red de centros y profesorado de Formación Profesional del entorno de energía en el que participa el Centro Integrado de Formación Profesional de Construcción y Eficiencia Energética de Vitoria, Eraiken CIFP Construcción LHII., ofrecemos la posibilidad de asistencia en la implantación y/o mejora de nuevos procesos de trabajo. La empresa dispondrá así de tutorización personalizada de nuestros profesionales, como la posibilidad de utilizar nuestra red de centros como banco de pruebas, previo a la implantación del proceso productivo.
Por iniciativa de la empresa Frinsa S.L., el centro Eraiken ha realizado este proyecto que consiste en analizar cómo se comportan los nuevos gases refrigerantes, entre los que se encuentran los nuevos refrigerantes ecológicos, destinados a sustituir los que se utilizan actualmente, en instalaciones tradicionales de climatización, conservación y congelación. Como es sabido, no podemos hablar de un gas ideal que encaje en todo tipo de instalaciones. Por ello, es necesario estudiar cada caso particular, las condiciones de aplicación, teniendo en cuenta que tenemos que conseguir la máxima eficiencia energética, cumpliendo la normativa medioambiental, sin perjudicar el rendimiento de la instalación y siendo viable económicamente. Este escenario obliga a proyectistas e instaladores, sobre todo, sin olvidar a los conservadores reparadores, a tener en consideración una nueva generación de gases refrigerantes o frigorígenos que aún no se encuentran suficientemente testados. Como consecuencia de este nuevo escenario, se ha realizado un estudio para clarificar las características y consecuencias de utilizar estos nuevos refrigerantes tanto en instalaciones nuevas como en instalaciones que se encuentran en funcionamiento.
El estudio ha consistido en la comprobación tanto del comportamiento, así como de las características determinadas por los fabricantes de los refrigerantes nuevos, es decir, algunos refrigerantes que tengan vigencia hasta el 2020. Para ello se instalaron dos cámaras frigoríficas de idénticas características constructivas que se encontraban en idénticas condiciones ambientales y se comprobaron sus propiedades y características.
Figura 1. Esquema frigorífico y planta de las cámaras frigoríficas.
Características de la instalación
Los gases refrigerantes testados en este ensayo se han probado en media (-5/0°C) y baja temperatura (-25/-20 °C) y han sido los que pueden verse en la tabla 1.
En la tabla 2 se pueden observar los valores correspondientes a cargas de refrigerante, PCA, precios, impuestos de cada uno de los refrigerantes…, que nos permitirán seleccionar la opción más conveniente en cada una de las situaciones.
Metodología
La metodología del ensayo ha consistido en la comprobación del comportamiento de la instalación en idénticas condiciones de funcionamiento (misma carga térmica, variando los gases refrigerantes. La estimación del caudal másico del refrigerante circulante se ha calculado mediante el rendimiento volumétrico.
Toma de datos realizados
- T de evaporación (aspiración)
- T de condensador (descarga)
- T del líquido condensado
- T ambiente
- T interior cámara
- P de alta (descarga)
- P de baja (aspiración)
- Consumo del compresor
- Consumo energético
- Generar fuga y comprobación del deslizamiento
- Peso de gas real
Equipos de medida
- Sondas de T, P
- Registrador de datos: Climacheck
- Contador de energía: Circutor Mod. Ar 6
- Registrador de datos: AKM (Danfoss)
Conclusiones
Detallar el comportamiento de los distintos refrigerantes determinando sus ventajas y desventajas.
- COP.
- Capacidad frigorífica.
- Tª de descarga.
- Análisis del deslizamiento.
- Variación en la regulación del sistema de expansión respecto al R-404ª y al R134A.
- Carga de gas usada (kg).
- Consumo eléctrico en kWh.
- Cálculo del Tewi.
Proceso a seguir
El proceso a seguir se resume en la tabla 3.
Tabla 3. Desarrollo del proceso.
Desarrollo y resultados del estudio
Datos y resultados obtenidos de los gases testados en la Cámara 1 en media temperatura
En las tablas de datos, se pueden observar, entre otros, los valores correspondientes a Capacidades Frigoríficas, COP, Tª de descarga de cada uno de los refrigerantes, que ayudarán a seleccionar la opción más adecuada en cada una de las instalaciones.
Por otro lado, y en referencia a la parte del ensayo correspondiente al estudio de las posibles variaciones en las propiedades de los refrigerantes que sean mezclas, al ir realizando sucesivas fugas, no se han detectado cambios muy significativos en dichos comportamientos.
En la figura 2 se indican las propiedades de los distintos gases refrigerantes comprobados en la cámara 1. Los gases fluorados que se han observado en dicha cámara han sido el R 134 A y sus sustitutos.
Figura 2. Propiedades de los refrigerantes, cámara 1.
En la tabla 4 se observan las características correspondientes a este primer grupo de refrigerantes en comparación al de referencia de este grupo que es el R134 A.
Tabla.4 Características de los gases refrigerantes, cámara 1.
En las siguientes gráficas se observan los comportamientos de un ciclo de funcionamiento de los gases refrigerantes probados en la cámara 1.
En la operativa tipo ‘Drop in’ que se ha utilizado en este ensayo, observamos el orden, de mayor a menor, de los refrigerantes que superan con mayor facilidad la carga térmica del calefactor (1000 W) y además del resto de cargas (transmisión por paneles frigoríficos, desescarches, ventiladores de evaporador...).
Figura 3. Comportamiento de los gases refrigerantes, cámara 1.
En la figura 4 se muestran los resultados obtenidos de las características de los gases refrigerantes testados en la cámara 1. Las condiciones de ensayo que se han establecido para estos gases han sido los siguientes:
- Condiciones del Ensayo: Carga térmica calefactor 1000w
- Ciclo calefactor 50´(ON)-10´(OFF)
- Tª Exterior 25-27°C
Figura 4. Características de los gases refrigerantes.
Datos y resultados obtenidos de los gases testados en la Cámara 2 en media temperatura
En la figura 5 se indican las propiedades de los distintos gases refrigerantes comprobados en la cámara 2. Los gases fluorados que se han observado en dicha cámara han sido el R 404A y sus sustitutos.
Figura 5. Propiedades de los refrigerantes, cámara 2.
En la siguiente tabla se observan las características correspondientes a este segundo grupo de refrigerantes en comparación al de referencia o patrón de este grupo que es el R404 A.
Tabla 5. Características gases refrigerantes, cámara 2.
En la figura 6 se observan los comportamientos de un ciclo de funcionamiento (Carga térmica On-Off), de los gases refrigerantes probados en la cámara 2.
Figura 6. Comportamiento de los gases refrigerantes, cámara 2.
Los gráficos de la figura 7 corresponden a los resultados obtenidos de las características de los gases refrigerantes testados en la cámara 2. Las condiciones de ensayo que se han establecido para estos gases han sido los siguientes:
- Carga térmica calefactor 2000w
- Ciclo calefactor 50´(ON)-10´(OFF)
- Tª Exterior 25-27°C
Figura 7. Resultados obtenidos de las características de los gases refrigerantes testados en la cámara 2.
Datos y resultados obtenidos de los gases comprobados en las Cámaras 1 y 2 en baja temperatura
En la figura 8 se indican las propiedades de los distintos gases refrigerantes comprobados tanto en la cámara 1 como en la cámara 2 pero en este caso se han testado en baja temperatura. Los gases fluorados que se han observado han sido el R404 A y sus sustitutos para baja temperatura.
Figura 8. Propiedades de refrigerantes en baja temperatura
En la tabla 6 se observan las características correspondientes al grupo de refrigerantes que trabaja en Baja Temperatura en comparación al de referencia o patrón de este grupo que es el R404A.
Tabla 6. Características gases refrigerantes, cámara 1 y cámara 2, en baja Temperatura.
En la figura 9 se observan los comportamientos de un ciclo de funcionamiento (Carga térmica calefactor On-Off) de los gases refrigerantes probados en ambas cámaras en baja temperatura – Tª˜ -20 °C)
Figura 9. Comportamientos de un ciclo de funcionamiento.
En la figura 10 se observan los comportamientos a lo largo de un ciclo de los gases que se han probado a una Tª de -25°C con ajuste de orificio y regulación en la válvula de expansión.
Figura 10. Comportamiento de los refrigerantes en baja temperatura.
En la figura 11 se pueden ver los resultados obtenidos de las características de los gases refrigerantes testados en las dos cámaras en condiciones de baja temperatura. Las condiciones de ensayo que se han establecido para estos gases han sido los siguientes:
- Carga térmica calefactor 500w
- Ciclo calefactor 50´(ON)-10´(OFF)
- Tª Exterior 25-27°C.
Figura 11. Características de los refrigerantes en baja temperatura.
Conclusiones
Conclusiones generales
Con el fin de facilitar a instaladores y mantenedores, así como proyectistas y distribuidores de gases una herramienta eficiente para poder elegir el refrigerante más adecuado a sus necesidades, ante la gran cantidad de nuevos gases que han aparecido en el mercado. Después de llevar a cabo el estudio, y valorar los resultados obtenidos sobre los gases refrigerantes sustitutos, se pueden afirmar las siguientes conclusiones:
- Los gráficos de ciclo se han realizado para todos los gases de cada grupo, variando solamente la programación de los parámetros de cada gas, sin variar toberas ni recalentamientos. En los casos en los que se han realizado ajustes, se indica en el título del mismo.
- Las tablas que se adjuntan, en las que se indican los valores alcanzados por cada refrigerante ensayado, nos aportan una información útil para hacer una estimación previa y aproximada del rendimiento de la instalación. En concreto relacionando el caudal de refrigerante, producción frigorífica específica y/o apertura de válvula.
- Como complemento en la ayuda al instalador, a la hora de elegir entre un refrigerante u otro, además de la información de los diferentes rendimientos frigoríficos, se adjunta la referente a los precios e impuestos de cada uno de ellos, con el fin de aportar otro tipo de criterios, en este caso, económicos y medioambientales.
- Las sucesivas fugas y recargas de refrigerante no han supuesto cambios relevantes de funcionamiento en los diferentes ensayos realizados.
- En relación con la configuración del sistema de expansión, se ha probado a programar los parámetros de otros refrigerantes (R22, R407A) en algunos de los ensayados con el fin de comprobar si se producían mejoras o funcionamientos más estables, no produciéndose esta mejora en ninguno de los casos.
Conclusiones por temperatura de trabajo
Media Temperatura: Por lo general no se han precisado ajustes especiales del sistema de expansión una vez configurado el control electrónico para cada tipo de refrigerante.
Baja Temperatura: En este caso, en todos los gases sustitutos sí se precisa un ajuste específico del sistema de expansión en lo referente a tamaño de toberas y valores de recalentamiento, en relación a la configuración del refrigerante de referencia. Para realizar cualquier retrofit por lo menos hay que realizar ajustes en los elementos (válvula de expansión…) y en los casos más adversos habrá que cambiar alguno de los elementos de la instalación. En Baja Temperatura no todos los gases comprobados llegan a alcanzar -25°C en las condiciones establecidas.
- Así mismo, se han producido situaciones con recalentamientos muy bajos. En concreto con el R453A el recalentamiento era muy bajo, incluso con riesgo de entrada de líquido en la aspiración del compresor. Por tanto, se actuó sobre el tamaño del orificio (menor) y el recalentamiento (mayor), eliminándose la problemática descrita antes y consiguiendo un funcionamiento correcto en la instalación, dándose la situación contraria en el R452 A.
- Otra prueba realizada, ha consistido en el cambio de las llamadas Ctes. de Antoine, que son diferentes y únicas para cada gas y con ellas se puede adaptar el funcionamiento del control electrónico de válvula de expansión a las características específicas de cada refrigerante.
Fases a seguir en la ejecución de un retro-fit
Si se considera una instalación frigorífica en funcionamiento en el cual hubiera que cambiar el gas refrigerante las pautas, paso a paso, a seguir son:
- Definir el refrigerante
- Análisis de sus características (fundamentalmente
- Deslizamiento)
- En tabla observar carga de refrigerante (patrón y gas sustituto)
- Completar carga hasta visor lleno
- Comprobar apert.valv. Y recalentamiento en tabla
- Comprobar in situ tª y p de aspiración
- Ajuste (recalentamiento y regulación de valv.)
Bibliografia
- CoolPack Software
- www.bitzer.de/websoftware/
- www.chemours.com
- www.gasrevei.com
- www.honeywell-refrigerants.com
- www.refsols.com
- P.J. Ranpin y P. Jacuard (1997).: “Instalaciones frigoríficas”. Marcombo. Barcelona.
- Jean Georges Conan (1990).: “Refrigeración industrial”. Paraninfo. Madrid.
- Augusto Silva Sotelo (1969).: “Curso de termodinámica aplicada”. Subsecretaría de la Marina Mercante.
