El amoniaco en Refrigeración.

Un poco de historia de la refrigeración.

La refrigeración es un proceso conocido de mucho tiempo atrás. En el siglo XII los chinos utilizaban mezclas de salitre con el fin de enfriar agua; en los siglos XVI y XVII, investigadores y autores como Boyle, Faraday (con sus experimentos sobre la vaporización del amoníaco) hacen los primeros intentos prácticos de producción de frío.

En 1834, Perkins desarrolla su patente de máquina frigorífica de compresión de éter y en 1835 Thilorier fabrica nieve carbónica por expansión; Tellier construyó la primera máquina de compresión con fines comerciales, Pictet desarrolla una máquina de compresión de anhídrido sulfuroso.

El Amoníaco fue el primer refrigerante utilizado en plantas de refrigeración por medio de compresión mecánica en 1876 por Carl von Linde. Desde entonces, se ha venido utilizando en grandes plantas de refrigeración como son lecherías, cervecerías, rastros y otros lugares con grandes demandas de enfriamiento.

Al día de hoy, el amoníaco permanece como el refrigerante más utilizado en sistemas de refrigeración industrial para procesar y conservar la mayoría de los alimentos y bebidas. El amoníaco ha estado en el liderazgo de los avances de la tecnología en refrigeración, siendo parte esencial del procesamiento, almacenamiento y logística de distribución de los alimentos.

Clasificado por ASHRAE con R-717, dentro del grupo de refrigerantes naturales, no destruye la capa de ozono y no contribuye al efecto invernadero asociado al calentamiento global. De hecho el amoníaco, es un compuesto encontrado en la naturaleza comúnmente. Es esencial en el ciclo del nitrógeno de la tierra y su liberación a la atmósfera es inmediatamente reciclada. Esto lo hace consistente con los acuerdos internacionales respecto a la reducción del calentamiento global y destrucción de la capa de ozono.

El amoniaco y sus ventajas.

Una adecuada evaluación del impacto ambiental de los refrigerantes y los sistemas de refrigeración requiere la consideración tanto de su impacto directo como indirecto en el calentamiento global. Directamente los sistemas de refrigeración contribuyen al calentamiento global, a través del efecto invernadero causado por las fugas de gases refrigerantes. Indirectamente contribuyen al calentamiento global por la producción de emisiones de dióxido de carbón como resultado de la conversión de combustibles fósiles en la energía requerida para operar los sistemas de refrigeración.

El “impacto total equivalente de calentamiento” o TEWI, es definido como la suma de estas contribuciones directas e indirectas. El valor TEWI del amoníaco es muy bajo, ya que por sí mismo no contribuye al calentamiento global. Debido a sus características termodinámicas favorables, los sistemas de refrigeración con amoníaco emplean menos energía que los otros refrigerantes comunes. Como resultado, hay un beneficio indirecto al calentamiento global debido a las menores emisiones de CO₂ de las plantas generadoras de electricidad.

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Amoniaco como agente refrigerante.

El Amoníaco es un combustible moderado, y considerado por expertos dentro del sector químico industrial relativamente como no combustible. La energía de combustión del amoníaco es menor que su energía de auto-ignición, esto significa que el amoníaco no puede mantenerse encendido por sí mismo sin una fuente externa de ignición, aunque la misma fuente haya iniciado el fuego.

El Amoníaco en altas concentraciones es extremadamente tóxico, pero su fuerte olor es una excelente alarma. La concentración de amoníaco donde su olor no puede ser soportado (alrededor del 0.03% en volumen), no es dañino, siempre y cuando se esté expuesto a él sólo por un periodo de tiempo limitado (aún después de más de una hora, no hay efectos negativos notorios en la salud de las personas).

El costo del amoníaco es mucho menor que cualquier refrigerante sintético, de manera general cuesta de un 10 a un 20% menos en instalación. Termodinámicamente, el amoníaco es de 3 a 10% más eficiente que los otros refrigerantes; como resultado, un sistema de refrigeración de amoníaco tiene menor consumo eléctrico.

El costo del amoníaco por sí mismo es significativamente menor que el de los otros refrigerantes, y se requiere de una menor cantidad para la misma aplicación que otros refrigerantes y al ser una sustancia natural, no tiene una fecha límite en que se pueda producir o usar, a diferencia de otros refrigerantes sintéticos cuyo uso o  producción está limitada a una cierta cantidad de años.

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El amoníaco tiene un coeficiente de transferencia de calor mayor que el R-22, principalmente por sus propiedades termodinámicas y de transporte. Los valores para estas propiedades en relación con el R-22 son las siguientes:

• Calor específico de líquido y vapor:    4 a 1

• Calor latente en la vaporización:        6 a 1

• Conductividad líquida termal:            5.5 a 1

• Viscosidad:                                    0.8 a 1

• Densidad liquida:                            0.5 a 1

La tasa de flujo de la masa para una capacidad de refrigeración dada de amoníaco es de 1/7 menos que el R-22, lo que tiene un efecto significante sobre el tamaño de las tuberías y sobre la circulación del líquido.

Esto significa que sólo 1/7 del líquido necesita ser bombeado para una capacidad de refrigeración dada, resultado de esto, es una bomba de menor tamaño que utiliza menos potencia, y en tuberías de menor tamaño.

Plantas de Refrigeración con Amoníaco

Las plantas de refrigeración por compresión (ver figura 1) constan de un evaporador, en el que se evapora el refrigerante (amoníaco) produciendo frío; un sistema de compresión para transportar el vapor a baja presión del evaporador al condensador a alta presión; y el condensador en el que condensa el refrigerante disipando el calor generalmente mediante torres de refrigeración.

Figura 1. Refrigeración por compresión

Las plantas de refrigeración por absorción (ver figura 2) precisan de un fluido refrigerante y un fluido absorbente. Los pares de fluidos refrigerante/absorbente más usados son el par agua/bromuro de litio y el par amoníaco/agua. En las plantas que usan el primer par, el refrigerante es el agua por lo que estas plantas se usan para aplicaciones a temperaturas por encima de 0°C, utilizándose principalmente para la climatización.

Figura 2. Refrigeración por absorción

Las plantas de refrigeración con amoníaco/agua lo usan como refrigerante y tienen el campo de aplicación desde 0°C hasta -70°C.

En plantas de refrigeración por absorción el compresor mecánico es sustituido por un compresor químico o térmico. El vapor de baja presión procedente del evaporador, en vez de ser comprimido por un compresor mecánico, es absorbido por una solución diluida de amoníaco y agua en el absorbedor. La solución cuya concentración ha aumentado es bombeada al desorbedor, donde será calentada hasta su ebullición.

Siendo el amoníaco la componente más volátil en el desorbedor se produce vapor de amoníaco, que condensa en el condensador cerrando así el ciclo de refrigeración. El calor producido en el condensador y en el absorbedor suele ser disipado mediante torres de refrigeración, mientras que el calor aportado en el desorbedor es calor residual procedente, por ejemplo de una planta de cogeneración.

Usos del amoniaco en refrigeración

El amoníaco como refrigerante tiene la gran ventaja de poder producir refrigeración a temperaturas de hasta -70°C. Para alcanzar estas temperaturas hacen falta sistemas de compresión de varias etapas, por lo que dichas plantas son relativamente complejas. Así la operación en continuo de dichas plantas es una problemática, pues prácticamente no existen aceites compatibles con el amoníaco, que tengan cualidades lubricantes a la temperatura de los compresores y una baja viscosidad a -60°C.

El aceite que suele acumularse en evaporadores únicamente puede decantarse si se eleva temporalmente la temperatura. Todo ello encarece las plantas de compresión y hace necesario un mantenimiento muy riguroso para poder garantizar la fiabilidad necesaria. Especialmente a estas temperaturas las plantas de refrigeración por absorción tienen grandes ventajas comparadas con las de refrigeración por compresión. Por una parte pueden alcanzar temperaturas de hasta -70°C en una simple etapa y por otra parte no precisan aceites lubricantes por lo que pueden operar en continuo sin necesidad de paradas.

Tradicionalmente siempre se han empleado plantas de refrigeración por absorción con amoniaco en los sectores industriales en los que se precisa refrigeración a bajas temperaturas y en los que la disponibilidad de refrigeración continua es de gran importancia; en estos sectores generalmente puede aplicarse la trigeneración.

En las plantas de trigeneración el calor producido por los sistemas de cogeneración se usa para cubrir los consumos de calor y para propulsar una planta de refrigeración por absorción y así cubrir también la demanda de frío.

Estas plantas, al combinar el suministro de calor y de frío, tienen una gran flexibilidad, consiguiéndose una óptima utilización del calor generado en la cogeneración. En general las demandas de refrigeración a bajas temperaturas suelen ser relativamente constantes y suelen tener una gran inercia térmica.

La planta de refrigeración por absorción puede regularse de tal forma que consuma todos los excedentes de calor (generalmente vapor) dando prioridad al consumo directo de vapor, consiguiéndose así un elevado aprovechamiento del calor producido en la cogeneración