LOS REFRIGERANTES Y EL MEDIO AMBIENTE
REFRIGERANTES ECOLOGICOS
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Algunas definiciones primero:CFC: Clorofluorocarbonos, sustancias químicas orgánicas compuestas por cloro, flúor y carbono. Estas sustancias completamente halogenadas se usan comúnmente en refrigeración, espumados, aerosoles, esterilizantes, solventes de limpieza y en una variedad de aplicaciones. Los CFC tienen el potencial de destruir las moléculas de ozono en la estratosfera y son una de las principales causas del agotamiento de la capa de ozono.
HCFC: Hidroclorofluorocarbono Familia de sustancias químicas hidrogenadas relacionadas con los CFC, que contienen hidrógeno así como cloro, flúor y carbono. El hidrógeno que contienen hace que su vida en la atmósfera se reduzca haciendo que, a largo plazo, los HCFC sean menos nocivos que los CFC.
HFC: Hidrofluorocarbono. Familia de sustancias químicas hidrogenadas relacionadas con los CFC, que contienen hidrógeno así como flúor y carbono, pero no cloro y, por consiguiente, no agotan la capa de ozono.
Mezclas zeotrópicas: Se llaman así a las mezclas formadas por dos o más componentes (refrigerantes puros) de diferente volatilidad.*
Mezclas azeotrópicas: Se llama así a las mezclas de dos o más componentes de diferente volatilidad, las cuales, al ser utilizadas en un sistema de refrigeración, no cambian su composición ni su temperatura de saturación al hervir en el evaporador, o se condensan a una presión constante. La composición del líquido es la misma que la del vapor.
Las mezclas azeotrópicas pueden inclusive ser destiladas, sin que cambie su composición.*
SAO: Sustancia que agota la capa de ozono. Toda sustancia controlada conforme al Protocolo de Montreal y sus Enmiendas. Las SAOs incluyen CFCs, HCFCs, halógenos, tetracloruro de carbono, metilcloroformo, bromoclorometano y bromuro de metilo. Las SAOs tienen un potencial de agotamiento del ozono mayor que 0 y pueden agotar la capa de ozono estratosférica.
Molécula de ozono: Molécula que contiene tres átomos de oxígeno y cuya presencia en la estratosfera constituye la capa de ozono.
Gas efecto invernadero: Gas que atrapa el calor en la atmósfera de la Tierra, contribuyendo así al calentamiento global del planeta.
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El uso de los refrigerantes en el mundo ha contribuido de manera significativa al deterioro ambiental global, aporta a la destrucción de la capa de ozono y a la generación del efecto invernadero. A través de protocolos internacionales, algunos países han buscado reunir esfuerzos para combatir la contaminación del aire, sin embargo, algunas sustancias alternativas, a pesar de lograr la disminución del efecto sobre la destrucción de la capa de ozono, aportan al cambio climático generado por la emisión de los gases de efecto invernadero.
La problemática ambiental desatada por la destrucción de la capa de ozono ha llevado a que países, motivados por este fin, tomen medidas a través de convenios internacionales que permitan reducir el impacto causado por los compuestos contaminantes, involucrando tanto a países desarrollados como a países en desarrollo.
El Convenio de Viena, el Protocolo de Montreal y el Protocolo de Kyoto, han sido instrumentos determinantes para canalizar el compromiso y la participación en el impacto ambiental de los refrigerantes ecológicos de los países desarrollados y en vía de desarrollo, para el establecimiento de
metas que permitan planificar proyectos con miras a la reducción de las emisiones atmosféricas que tienen un impacto significativo sobre el medio ambiente.
Convenio de Viena
El Convenio de Viena, aprobado en marzo de 1985, representó el primer paso mundial para la protección de la capa de ozono, puesto que busca unificar el trabajo de varios países en la búsqueda de alternativas a través de la investigación.
A mayo de 2006, 190 países han firmado y ratificado el Convenio de Viena.
Protocolo de Montreal
Mediante el Protocolo de Montreal, aprobado en septiembre de 1987 y
actualizado mediante enmiendas de Londres (1990), Copenhague (1992), Viena
(1995), Montreal (1997), Beijing (1999), se establecieron las fechas de control
de las sustancias agotadoras de la capa de ozono, restricciones de importación y
exportación de las mismas y adopción de un mecanismo de financiación.
El Protocolo ha sido firmado por 189 países.
LA ATMOSFERA
La atmósfera es la envoltura gaseosa que rodea a la Tierra. En los comienzos, era una atmósfera ligeramente reductora hasta que la actividad fotosintética de los seres vivos introdujo oxígeno y ozono (a partir de hace unos 2500 ó 2000 millones de años) y hace unos 1000 millones de años la atmósfera llegó a tener una composición similar a la actual.
También ahora los seres vivos siguen desempeñando un papel fundamental en el funcionamiento de la atmósfera. Las plantas y otros organismos fotosintéticos toman CO2 del aire y devuelven O2, mientras que la respiración de los animales y la quema de bosques o combustibles realiza el efecto contrario: retira O2 y devuelve CO2 a la atmósfera.
La atmósfera terrestre protege la vida de la Tierra absorbiendo en la capa de ozono parte de la radiación solar ultravioleta, reduciendo las diferencias de temperatura entre el día y la noche, y actuando como escudo protector contra los meteoritos. El 75% de la atmósfera se encuentra en los primeros 11 km de altura desde la superficie planetaria.
Ozonosfera: región de la atmósfera donde se concentra la mayor parte del ozono. Se encuentra en la baja estratosfera, entre los 15 y 32 km aproximadamente. Esta capa protege de la radiación ultravioleta del Sol.
Ionosfera: región ionizada por el bombardeo producido por la radiación solar. Se corresponde aproximadamente con toda la termosfera.
Magnetosfera: Región exterior a la Tierra donde el campo magnético, generado por el núcleo terrestre, actúa como protector de los vientos solares.
Capas de Airglow: Son capas situadas cerca de la mesopausa, que se caracterizan por la luminiscencia (incluso nocturna) causada por la restructuración de átomos en forma de moléculas que habían sido ionizadas por la luz solar durante el día, o por rayos cósmicos. Las principales capas son la del OH, a unos 85 km, y la de O2, situada a unos 95 km de altura, ambas con un grosor aproximado de unos 10 km.
REGIONES ATMOSFÉRICAS
EFECTOS DEL DAÑO EN LA ATMÓSFERA
-Efecto invernadero.
-Lluvia ácida.
-Destrucción de la capa de ozono.
-El impacto del gas natural en el medio ambiente.
EFECTO INVERNADERO
El efecto de invernadero mantiene la temperatura promedio sobre la superficie de la Tierra en 15 °C. Si no existieran gases de invernadero la temperatura del planeta podría llegar a alcanzar -18 °C, demasiado frío para la mayoría de los organismos vivos. Porque la mayor parte del calor irradiado desde la superficie del planeta podría perderse directamente hacia el espacio exterior.
Si la concentración de gases invernadero se incrementara, tanto la superficie terrestre como las capas bajas de la atmósfera aumentarían su temperatura. Como consecuencia de esto aumentaría la cantidad de radiación generada en la Tierra hasta llegar a un nuevo equilibrio entre los flujos de radiación, en el que el total de la energía recibida por la radiación solar incidente en unidad de tiempo sería nuevamente igual a la del total de energía emitida por la Tierra en unidad de tiempo.
El CO2 atmosférico es producido por todos los organismos que obtienen su energía del consumo del oxígeno y por los procesos de combustión natural de origen humano. La principal fuente de consumo de CO2 atmosférico es el proceso de fotosíntesis que transcurre en los vegetales. Por esto, las principales causas del aumento del CO2 atmosférico son: el aumento de su generación, como consecuencia del uso de combustibles fósiles (petróleo, gas y carbón) y la disminución de su consumo como consecuencia de los cambios en el régimen de explotación de la Tierra, en particular, la deforestación de las selvas tropicales húmedas.
Entre las fuentes de producción del metano se encuentran los procesos bacterianos que se generan en los cultivos de arroz, las industrias del carbón, petróleo y gas natural. Los clorofluorocarbonos, son producidos de síntesis humana que fueron abundantemente utilizados como disolventes y gases refrigerantes.
Las consecuencias que se esperan del efecto invernadero para el próximo siglo, en caso de que no vuelva a valores más bajos:
-Aumento de la temperatura media del planeta.
-Aumento de sequías en unas zonas e inundaciones en otras.
-Mayor frecuencia de formación de huracanes.
-Progresivo deshielo de los casquetes polares, con la consiguiente subida de los niveles de los océanos.
-Incremento de las precipitaciones a nivel planetario pero lloverá menos días y más torrencialmente.
-Aumento de la cantidad de días calurosos, traducido en olas de calor
DESTRUCCION DE LA CAPA DE OZONOEn la parte superior de la estratosfera se encuentra la capa de ozono, la cual es un filtro de la radiación solar ultravioleta. Si se produce una reducción de su concentración provoca un incremento de la cantidad de radiación ultravioleta que incide sobre la Tierra.
Estas capas superiores de la atmósfera también son contaminadas por aeronaves de vuelo a gran altura, explosiones nucleares y erupciones volcánicas. Aparecen como contaminantes los óxidos de azufre y otros gases que son hidrocarburos halogenados, designados comúnmente como clorofluorocarbonos; estos son gases pulverizadores en aerosol, refrigerantes en equipos de aire acondicionado, pesticidas etc. Y tienen un tiempo de residencia de 1000 años aproximadamente.
Esta reducción en la capa de ozono ha sido relacionada con efectos tales como el cáncer de piel en el ser humano, que se produce en dos etapas:
- La reducción del ozono en la estratosfera produce un incremento en la radiación ultravioleta que alcanza la superficie terrestre.
- El incremento de esta radiación aumenta los efectos naturales de la radiación ultravioleta, que son considerados agentes cancerígenos.
DESTRUCCION DE LA CAPA DE OZONO
CICLO DEL OZONO
La disminución grave de la capa de ozono provocará el aumento de los casos de cáncer de piel, de cataratas en los ojos, supresión del sistema inmunológico en humanos y en otras especies.
Para preservar la capa de ozono hay que disminuir a cero el uso de compuestos químicos como los clorofluorocarbonos, CFC; (refrigerantes industriales), y fungicidas de suelo que destruyen la capa de ozono a un ritmo 50 veces superior a los CFC.
Hay que tomar conciencia de la gran cantidad de moléculas de ozono que se destruyen diariamente por culpa de la actividad humana y que tomando las medidas adecuadas se podría remediar.
TIPOS DE REFRIGERANTES:
-REFRIGERANTES INORGÁNICOS
Las características de estos refrigerantes son estudiados en otra unidad.
-REFRIGERANTES ORGÁNICOS
Basados en la química del carbono. Actualmente los más usados son derivados fluorados conocidos por sus nombres comerciales tales como, FREON, FORANE, FRIGEN, etc.
Hidrocarburos HC: Formados por carbono e hidrogeno con diferentes tipos de enlace. Presentan buenas características como refrigerante. No son corrosivos. Presentan serios problemas de seguridad debido a su alta inflamabilidad. Para mejorar las condiciones de seguridad, se sustituyen los átomos de hidrogeno por alógenos.
Hidrocarburos halogenados: Es un grupo de refrigerantes derivados de hidrocarburos de bajo peso molecular fundamentalmente derivados del metano y el etano en los que alguno o todos sus átomos de hidrógeno se han sustituido por halógenos normalmente flúor, cloro y bromo, Br. En función de su composición estos refrigerantes pueden clasificarse en tres grupos: CFC (clorolfuorocarbonos), HCFC (hidroclorofluorocarbonos) y HFC (hidrofluorocarbonos).
Clorofluorocarbonos (CFC): son hidrocarburos totalmente halogenados, es decir, todos sus hidrógenos están sustituidos por cloro y flúor. Estos refrigerantes son de baja toxicidad, no corrosivos y compatibles con otros materiales. No son inflamables ni explosivos, pero en grandes cantidades no deben ser liberados donde halla fuego o elementos de calentamiento eléctrico ya que el aumento de temperatura puede hacer que se descompongan en sus elementos internos causando afecciones al tejido humano. Son particularmente perjudiciales para el sistema respiratorio. Los refrigerantes CFC más comunes son: R-11, R-12, R-113, R-114 y R-115.
Se caracterizan por ser gases muy estables que persisten en la atmósfera muchos años y por tanto pueden llegar a la estratosfera donde destruyen la capa de ozono. Por este motivo dejaron de fabricarse y usarse a partir de 1995 según lo acordado en el protocolo de Montreal.
Hidroclorofluorocarbonos (HCFC): son hidrocarburos halogenados que contienen un átomo de hidrógeno en su molécula lo cual le permite oxidarse con mayor rapidez en la parte baja de la atmósfera siendo su poder de destrucción de la capa de ozono menor. Son sustitutos a medio plazo de los CFC. Según el protocolo de Montreal su uso y producción tendrá que estar reducido al 100 % en enero del 2030. Los HCFC tales como el R-22 y el R-123 son considerados refrigerantes interinos. Son usados hasta que se dispongan su remplazo.
Hidrofluorocarbonos (HFC): derivados halogenados que no contienen cloro en su molécula oxidándose con gran rapidez en capas bajas de la atmósfera. Los HFC son considerados con potencial nulo de daño a la capa de ozono. Tienen únicamente un ligero efecto en el calentamiento global. Son usados típicamente en los sistemas nuevos los cuales son específicamente diseñados para su uso. Estos refrigerantes requieren de aceites especiales sintéticos para la lubricación, por tanto, no deben
mezclarse con aceites minerales o lubricantes con alcalilbenzeno. Se usan como remplazo de los CFC y los HCFC. En este caso, los aceites existentes dentro del sistema deben ser remplazados. Hay también otros factores que deben ser considerados, esto incluye comportamiento del sistema, cambios en los accesorios, materiales existentes, etc. Se incluyen refrigerantes tales como el R-134a y el R-124.
MEZCLAS DE REFRIGERANTES
Durante muchos años ha habido interés por el uso de refrigerantes mezclados, tanto en estudios de calorímetros como en pruebas de campo.
Obviamente, los refrigerantes que se mezclan deben ser compatibles entre sí, es decir, no deben tener efectos químicos uno sobre otro, ni inmediatamente ni al cabo de un largo período.
En sistemas herméticos, la mezcla no debe tener ningún efecto sobre el aislamiento eléctrico. Deberá tener suficiente estabilidad para dar años de operación libre de problemas. Como con cualquier otro refrigerante, una mezcla se desempeña mejor en el equipo que ha sido diseñado para ella.
Cuando se mezclan dos o más compuestos diferentes, los cuales se utilizan individualmente como refrigerantes, se pueden formar dos tipos de soluciones: una mezcla zeotrópica (o mezcla simple) o una mezcla azeotrópica.
Ambos tipos de mezclas pueden operar en equipos de refrigeración, aunque las mezclas azeotrópicas tienen ciertas ventajas.
Un compuesto puro, tal como el R-134a, tiene una sola curva que define sus relaciones de presión y temperatura de saturación. Las mezclas azeotrópicas, tales como el R-502 y el R-507, también tienen una sola relación de presión-temperatura, igual que un solo compuesto puro.
Las mezclas zeotrópicas se comportan un poco diferente, como se explicará a continuación.
*Mezclas Zeotrópicas. Se llama así a las mezclas formadas por dos o más componentes (refrigerantes puros) de diferente volatilidad. Cuando estas mezclas se evaporan o se condensan en un sistema de refrigeración, su composición y su temperatura de saturación cambian. La palabra zeótropo se deriva de las palabras griegas zein = hervir, y tropos = cambiar.Al hervir esta mezcla en un evaporador, la composición del líquido remanente cambia. Esto es, al empezar a hervir el líquido, se evapora un porcentaje más elevado del componente más volátil. Por lo tanto, conforme continúa hirviendo la mezcla, el líquido remanente tiene menor concentración del componente más volátil, y mayor concentración del menos volátil.
El cambio de composición del líquido, da como resultado un cambio en el punto de ebullición. La temperatura a la cual empieza a hervir el líquido (líquido saturado), se le conoce punto de burbuja. La temperatura a la cual se evapora la última gota de líquido (vapor saturado), se le llama punto de rocío. A una misma presión, la temperatura del punto de burbuja es más baja que la del punto de rocío para cualquier mezcla zeotrópica. A este fenómeno se le conoce como "deslizamiento de temperatura".
Este deslizamiento de temperatura también ocurre en el condensador, pero aquí, la temperatura de condensación disminuye en lugar de aumentar. El inicio de la condensación es en su punto de rocío, cuando todo el vapor se ha condensado, este es el punto de burbuja.
El deslizamiento de temperatura puede variar, dependiendo de la mezcla, desde 1° ó 2 °C hasta varias decenas de grados centígrados. Cuando una mezcla tiene un deslizamiento menor, que no conduce a errores consecuentes en el cálculo para una aplicación en un sistema de refrigeración, se le llama "mezcla cuasi azeotrópica".
De 1990 a la fecha, los fabricantes de refrigerantes han desarrollado más mezclas zeotrópicas de las que existían, hasta antes de dicho año. Estas mezclas son transitorias y se desarrollaron para substituir a los refrigerantes HCFC's, tales como el R-12, el R-22 y el R-502. Estos últimos van a dejar de fabricarse y usarse alrededor del año 2030.
Estas mezclas ya se encuentran disponibles comercialmente, y algunas se van a quedar permanentemente como remplazos para el R-22 y el R-502.
A las mezclas zeotrópicas comerciales, se les debe asignar un número de identificación en la serie 400. Este número indica qué componentes se encuentran en la mezcla, pero no el porcentaje de cada uno de ellos.
*Mezclas Azeotrópicas. Se llama así a las mezclas de dos o más componentes de diferente volatilidad, las cuales, al ser utilizadas en un sistema de refrigeración, no cambian su composición ni su temperatura de saturación al hervir en el evaporador, o se condensan a una presión constante. La composición del líquido es la misma que la del vapor.Las mezclas azeotrópicas pueden inclusive ser destiladas, sin que cambie su composición.
El prefijo "a" antes de la palabra zeótropo, es de raíz latina, y significa una negación, por lo que la palabra azeótropo se puede interpretar como que "no cambia al hervir".
Al combinar los componentes, la mezcla resultante se comporta en muchas maneras, como si fuera un solo refrigerante puro, con una sola temperatura de saturación correspondiente a una presión dada. Generalmente el punto de ebullición resultante de una mezcla azeotrópica, es menor o igual que el del componente con el más bajo punto de ebullición.
Sustitutos
Tras el descubrimiento del daño causado a la capa de ozono por los CFC y otras sustancias, y la celebración del Protocolo de Montreal para el establecimiento de un cronograma que conllevara a su eliminación definitiva, la industria mundial ha trabajado en el desarrollo de alternativas de sustitución para encontrar sustancias que no afecten la capa de ozono.
Entre los principales compuestos sustitutos se encuentran los hidroclorofluorocarbonos (HCFC), los hidrofluorocarbonos (HFC), los hidrocarburos (HC) y algunos refrigerantes naturales como el amoniaco y el dióxido de carbono (CO2).
Los hidroclorofluorocarbonos (HCFC) han sido utilizados para sustituir a los clorofluorocarbonos (CFC) en algunas aplicaciones, dada su breve permanencia en la atmósfera que, en consecuencia, causa un menor agotamiento del ozono.
Por otra parte, los HFC (hidrofluorocarbonos) y los PFC (perfluorocarbonos) son utilizados también como sustitutos porque no contienen bromo ni cloro y no causan un agotamiento considerable del ozono, sin embargo, todas estas sustancias son generadoras de efecto invernadero y, por lo tanto, contribuyen en distinta medida al cambio climático.
Otras opciones de sustitución son el amoníaco y las sustancias orgánicas, cuyas emisiones directas tienen efecto muy reducido en el clima, aunque sus emisiones indirectas pueden afectar el sistema.
FUENTES:
Escuela de Ciencias Estratégicas (2008) Medellín - Colombia. Impacto ambiental de los refrigerantes ecológicos.-Lina Marcela Duque Guzmán
Universidad Politécnica de Catalunya Facultad de Náutica de Barcelona-Refrigerantes y el medio ambiente.Juan Pablo Plazas Monroy
