Los Refrigerantes Secundarios

Autor: Ing. Ernesto Sanguinetti R. – Gerente de la División de Ingeniería de COLD IMPORT S.A.

Como reemplazos de refrigerantes con altos Potenciales de Calentamiento Atmosférico (PCA) se están usando nuevos refrigerantes sintéticos HFC (Hidro Fluoro Carbonos) con bajo PCA, varios refrigerantes denominados HFO (Hidro Fluoro Olefinas), así como muchas otras mezclas azeotrópicas y zeotrópicas de bajos y muy bajos PCA. Por otro lado, tenemos el retorno al uso de los refrigerantes naturales como el amoníaco o R-717 (que nunca se dejó de usar y ahora encuentra mayor campo de aplicación), el Dióxido de Carbono o R-744 y algunos HC como el Iso-butano o R-600a, el propano o R-290, y el Propeno o R-1270.

Sin embargo, en casi todos los casos, lo que permanece invariable a lo largo de los años es el uso de los refrigerantes secundarios. Se denominan así a aquellos que extraen calor de un producto, de un ambiente o de personas (enfrían o congelan según las necesidades), pero como aumentan su temperatura, para poder seguir cumpliendo su finalidad, necesitan entregar ese calor a otro fluido a través de un intercambiador de calor para volver a bajar su temperatura. Ese fluido que recibe el calor se denomina refrigerante principal y generalmente es alguno de los tipos de refrigerantes HCFC, HFC, HFO, amoníaco, dióxido de carbono, iso-butano, propano, propeno o alguna mezcla.

Los refrigerantes secundarios más usados y conocidos son: aire, agua, mezclas de agua con sal (salmueras), soluciones de agua con glicol (agua glicolada), y mezclas de agua con alcohol.

El Aire

En cámaras frigoríficas de enfriamiento y/o de congelación, el aire impulsado por los ventiladores de los evaporadores enfría o congela a los productos almacenados y retorna hacia los evaporadores para enfriarse y regresar para seguir enfriando o congelando los productos. Por dentro del evaporador circula el refrigerante principal que se lleva el calor que trae el aire. Ese calor evapora al refrigerante mencionado que cumplirá el ciclo de refrigeración por compresión de vapor en concordancia con el resto de componentes del equipo frigorífico. En el gráfico que sigue se muestra el flujo de aire como flechas color azul/celeste, cumpliendo el rol de refrigerante secundario, en un túnel de congelación.

Eso mismo ocurre en los equipos de aire acondicionado, con la diferencia de que la humedad del aire solo alcanza el “punto de rocío” y se condensa, no llegando a formar hielo o “escarcha” como ocurre en la mayoría de aplicaciones de refrigeración donde los evaporadores necesitan “ciclos de deshielo”.

El Agua

Lo principal a tener en cuenta es que no debe enfriarse el agua a temperaturas por debajo de 5°C (aunque muchos fabricantes de enfriadores de agua, por seguridad, recomiendan no bajar de 7°C), debido a que el punto de congelación es de 0°C y si se llega a congelar el agua trae serios problemas en el equipo.

El uso más común es en aplicaciones de aire acondicionado utilizando los enfriadores más conocidos como chillers. El evaporador de este equipo puede ser del tipo placas o de banco de tubos. A diferencia de lo explicado anteriormente para el aire, el fluido que circulará por el evaporador es el agua y es el “agua helada” que se bombea a otros intercambiadores de calor, denominados unidades manejadoras de aire (UMAs) y/o “fan coils”, donde a su vez se enfriará al aire. Mediante los ventiladores de las UMAs o de los fan coils se envía ese aire enfriado – incluso a través de ductos, según sea el caso – hacia los ambientes a acondicionar. 

En este caso estamos ante la presencia de un refrigerante principal que tiene el chiller, refrigerante secundario que es el “agua helada” que se bombea hacia los intercambiadores de calor y refrigerante terciario que es el aire que se impulsa con ventiladores para acondicionar los ambientes brindando “confort” a los ocupantes.

Mezclas o Soluciones de Agua con Sal

En aplicaciones donde se debe tener refrigerante secundario líquido a temperaturas por debajo de 0°C, es muy común emplear mezclas de cloruro de sodio (NaCl) o de cloruro de calcio (CaCl2) con agua. Estas soluciones, conocidas como salmueras, consisten en agua con sal disuelta uniformemente en toda la masa líquida.

La salmuera de Cloruro de Sodio (NaCl) que es la sal común, se usa mucho en la fabricación de hielo en bloques ya que no es tóxica. El equipo frigorífico con un refrigerante principal enfría a la salmuera de cloruro de sodio que es el refrigerante secundario. A su vez, esta enfría los moldes que contienen el agua que se transformará en hielo en bloques.

Cuanto más sal se agrega al agua, la mezcla va disminuyendo su punto de congelación, hasta alcanzar la concentración máxima en la que se obtiene la menor temperatura posible, denominado punto eutéctico, y cuya concentración se le llama concentración eutéctica ( -21.1°C con 23% en peso de sal). Una característica de la solución es que si se agrega más sal, la temperatura de congelación empieza nuevamente a subir. Esta salmuera presenta el inconveniente de ser corrosiva, por lo que deben emplearse sustancias neutralizadoras para evitar ese efecto.

También se utiliza la salmuera de cloruro de calcio, que consiste en una mezcla de agua con cloruro de calcio (CaCl₂), una sal granulada, higroscópica y de sabor amargo. De manera similar, cuanto más sal se agrega al agua, va disminuyendo su punto de congelación, llegando hasta el punto eutéctico y a su concentración eutéctica (-55°C con 30% en peso de sal). Si se agrega más sal, la temperatura de congelación empieza nuevamente a subir, teniendo un comportamiento similar al de la Salmuera de Cloruro de Sodio, pero la ventaja está en que se logran líquidos con menores temperaturas de congelación. Igualmente, es corrosiva y deben aplicarse sustancias neutralizadoras para evitar ese efecto.

Mezclas o Soluciones de Agua con Glicol

Los glicoles son alcoholes divalentes porque tienen dos grupos de oxidrilos en sus moléculas y son de sabor algo dulce. Al mezclarse con agua se vuelven corrosivos, por ello se comercializan con inhibidores incorporados.

Se usan el etilenglicol o glicol etilénico y el propilenglicol o glicol propilénico.

El glicol etilénico es tóxico por ingestión y por inhalación; por ello, en las aplicaciones alimentarias está prohibido. Se utiliza mucho como anticongelante, por ejemplo, en radiadores de autos y camiones. Su punto eutéctico es -67°C con concentración en peso de 70%. 

El glicol propilénico se usa más que el etilénico. Es viscoso, biodegradable, poco tóxico por ingestión y por inhalación; por ello, se emplea en las aplicaciones alimentarias y como fluido secundario en chillers de aplicación industrial. Su punto eutéctico es -42°C en concentración de 60% en peso. Con concentraciones de 50% en peso es posible congelar productos a -30°C.

Mezclas de Agua col Alcohol

Los alcoholes son compuestos orgánicos crioscópicos (disminuyen la temperatura de congelación del agua si se mezclan con ella), siendo los más conocidos el alcohol metílico, que es inflamable y tóxico, por lo que se excluye de las aplicaciones relacionadas con la alimentación; el alcohol etílico, que es incoloro, se mezcla con agua en cualquier proporción y, al no ser tóxico, puede emplearse en la refrigeración de alimentos. Además, es volátil y se congela a -114 °C. Por su parte, el glicerol, también llamado glicerina, es un alcohol de azúcar, líquido viscoso, incoloro y dulce, que se mezcla con agua en todas las proporciones y cuyo punto de congelación es de -40°C.

Sistemas en Cascada

Mencionamos los sistemas en cascada porque utilizan un refrigerante principal y un refrigerante secundario para alcanzar bajas y muy bajas temperaturas. En realidad, son dos circuitos de refrigeración independientes, cada uno con su respectivo refrigerante, que comparten un intercambiador de calor, el cual actúa como condensador para el refrigerante secundario y, a la vez, como evaporador para el refrigerante principal.

Los sistemas en cascada se utilizan en los sistemas de frío alimentario de los supermercados, empleando dióxido de carbono (CO₂) como refrigerante secundario, que cumple un ciclo subcrítico para alcanzar bajas temperaturas en su evaporador. El refrigerante principal puede ser un HFC, un HC o amoníaco.

Finalmente, mencionamos las ultracongeladoras, que también utilizan sistemas de refrigeración en cascada para obtener temperaturas desde -40 °C hasta -100 °C (las hay hasta -150 °C). Se emplean principalmente con fines medicinales, como la conservación de vacunas, células humanas, tejidos, reactivos y muestras de ADN, entre otros.

Utilizan como refrigerante principal cualquier HFC y como refrigerante secundario el R-23 o el R-50B. Sin embargo, como actualmente se recomienda emplear refrigerantes con bajo PCA, se ha comenzado a utilizar el R-290 como refrigerante principal y el R-1270 como refrigerante secundario.