Refrigerantes naturales y sintéticos, calentamiento global: Una revisión

Refrigerantes naturales y sintéticos, calentamiento global: Una revisión

1. Introducción

El refrigerante es una sustancia o mezcla, normalmente un fluido, utilizado en el ciclo de calor que experimenta una transición de fase reversible de un líquido a un gas y viceversa. Refrigeradores, aires acondicionados, bombas de calor, calentadores de agua y muchos más dispositivos utilizan refrigerantes como un fluido mediador para transferir calor entre fuentes y dispositivos.

Los refrigerantes con propiedades adecuadas se eligen para aplicaciones selectivas de refrigeración y calefacción.  La sociedad humana utilizaba tecnología de refrigeración, incluso antes de la invención de la electricidad en la década de 1880.  Históricamente, Oliver Evans (1805) fue pionero en la idea de la refrigeración mediante el uso de éter, Jacob Perkin implementó esta idea en su primera máquina de refrigeración construida en 1834.  Más tarde, varios investigadores utilizaron la gasolina (1860s), NH3 (1873), CO2 (1886) y SO2 (1890) como fluidos mediadores en sus sistemas de refrigeración.  De 1830 a 1930, éter, NH3, CO2, SO2, H20, CCl4, HCOOCH3, HCs, CHCs fueron los más populares refrigerantes.  La mayoría de estos refrigerantes eran tóxicos, inflamables y altamente reactivos y propensos a accidentes.  Midgley y Henne  inventaron las moléculas de diclorodifluorocarbono (CCl2F2) en 1929, que fueron producidas comercialmente como refrigerantes de clorofluorocarbono (CFC-12) por Dupont de Nemours en 1932.  La adopción generalizada de refrigerantes CFC eficientes en la década de 1930 redujo el uso de NH3 y elimina el CO2 gradualmente en la década de 1950.  Los CFC se han utilizado durante años como refrigerantes, ventilación y agentes sopladores en la industria. El largo viaje de refrigerantes desde CO2, NH3 y HCs hasta HCFC, HFC y HFOs vuelve a terminar en mezcla de refrigerantes naturales y sintéticos (CO2, NH3, HCs, HFO,R-152a, R-1234yf).  No hay refrigerante a la vista, que tiene todos los lazos apropiados ideales.  

La historia temprana de la refrigeración (1800) comenzó con el uso de refrigerantes naturales, que fueron reemplazados por refrigerantes sintéticos (1929) con un rendimiento térmico superior, seguridad y durabilidad. Algunos de los refrigerantes sintéticos, los clorofluorocarbonos (CFC) se señalaron para causar agotamiento estratosférico del ozono, por lo tanto, fueron prohibidos en virtud del Protocolo de Montreal (1987). Como sustituto, en la década de 1980 se propusieron los hidroclorofluorocarburos (HCFC) y los hidrofluorocarbonos (HFC).  Se observó que los HCFC causan agotamiento del ozono y tienen un alto potencial de calentamiento global. El Protocolo de Kyoto (1997) programó una eliminación gradual de los HCFC para 2020-2030 y los HFC para 2025-2040. El permiso a corto plazo para usar HFC es una solución provisional, no cualquier justificación.  Nos acercamos rápidamente a la fecha límite, pero muchos países son insolentes y no se conocen o carecen de recursos financieros o conocimientos técnicos. Este trabajo revisa las perspectivas pasadas, presentes y futuras de los refrigerantes y ayuda al proceso de cambio de la decisión de gwP alto a bajo y refrigerantes naturales para calefacción existente y futura, así como máquinas de refrigeración. También se presenta una revisión actualizada sobre el agotamiento del ozono y el calentamiento global y se revisa críticamente el estado actual.

2. Refrigerantes naturales

Los refrigerantes naturales se producen en los ciclos químicos y biológicos de la naturaleza sin intervención humana. Los refrigerantes naturales incluyen amoníaco (R-717), dióxido de carbono (R-744), dióxido de azufre (R-764), agua (R-718), aire (R728) y éteres etílicos (R-610).  Los refrigerantes naturales fueron el corazón de la industria HVACR desde 1800s hasta 1930s hasta la invención de refrigerantes sintéticos de alta actuación. El aumento rampante de los refrigerantes sintéticos y los combustibles fósiles comenzó a causar agotamiento del ozono y el calentamiento global, lo que obligó a las comunidades científicas y a las industrias manufactureras a despedirse de los hidrocarburos halogenados en favor de los refrigerantes naturales y los combustibles fósiles en favor de las tecnologías de energía sostenible y renovable.

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Fig. Histograma de refrigerantes sintéticos y naturales

2.1. Agua (R-718)

El agua (R-718) es no tóxica, no inflamable y abundantemente disponible en el planeta Tierra en todas partes. R-718 tiene un alto efecto de refrigeración en comparación con los CFC, pero requiere diez veces más flujo volumétrico para una capacidad de refrigeración dada, esto mejora el costo en forma de compresores axiales o centrífugos. En un estudio de simulación utilizando el vapor R-718 como refrigerante en una unidad compresora multietapa con estrategia de interenfriamiento; él resultado es que el vapor R-718 tiene 30% más COP en comparación con R-134a  a plena carga.  Kilicarslan  presentó una comparación basada en la simulación entre R-718 con R-290, R-717, R-134a, R-22 y R-152a para una temperatura de evaporación por encima de 35 °C, y encontrado R-718 exhibiendo mayor COP. Propiedades termofísicas del R-718 permiten alcanzar la COP, sin embargo, su alta temperatura crítica (373.95 °C) y la presión (221 bar), alto costo inicial de compresores axiales o centrífugos, alto flujo volumétrico, largo proceso de compresión , el uso de intercambiadores de calor de contacto directo son factores limitantes, lo que hace que el R-718 sea menos atractivo para aplicaciones de bombas de calor.

2.2. Hidrocarburos (HCs)

Los refrigerantes de hidrocarburos (CC) incluyen metano (R-50), etano (R-170), propano (R-290), butano (R-600), isobeno (R-600a), etileno (R-1150) y propileno (R-1270).  Los CC son amigables con el ozono y tienen un GWP más bajo en comparación con los HFC. HCs ofrece una excelente miscibilidad con aceite sintético, menor carga de refrigerante y son compatibles con el material de los sistemas de refrigeración y bomba de calor existentes.  El metano (R-50) y el etano (R-170) son un líquido criogénico inflamable que tiene un punto de ebullición extremadamente bajo de 162 °C y 88,58 °C, respectivamente. Estos se utilizan para la refrigeración a baja temperatura extrema (80 °C). Aparecen HCs como el propano, excelentes candidatos, a los que los investigadores en contacto con la industria han informado de problemas de seguridad. R-290 y R- 600 tienen características similares a las HCs halogenadas, pero son materiales inflamables. R-290 tiene una mayor capacidad de enfriamiento que R-12 y COP similar cuando se prueba en el sistema de refrigeración por compresión de vapor de propiedad.  Los resultados similares fueron presentados por B. Saleh y sus compañeros de búsqueda utilizando la ecuación BACKBONE. R-1270 es una alternativa eficaz de R-22 con mayor capacidad y COP. Las temperaturas de ignición de los HCs se encuentran en el rango de 420 °C (R-600) a 600 °C (R-50). Los CC tienen excelentes propiedades termodinámicas amigables con el medio ambiente, pero son inflamables. Según Missenden, se recomienda una cantidad restringida de 200 g de refrigerante HC para los sistemas de refrigeración domésticos, mientras que esta cantidad no supera los 0,40 g en dichos sistemas. Sin embargo, Corberan y otros, se han referido a una cantidad de 150 g, forman un pequeño sistema sellado de conformidad con las normas ISO, EU, IEC. Cuando algunos de los átomos de hidrógeno son reemplazados por cloro, flúor y bromo, la inflamabilidad reduce, pero comienza a eliminar los efectos ambientales no deseados que no les permiten más refrigerantes naturales.

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