005 Refrig y Salm

8/3/2019 005 Refrig y Salm

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T4.- Refrigerantes y SalmuerasTecnologa Frigorfica (I.I.)

Ingeniera Elctrica y EnergticaMquinas y Motores Trmicos

Departamento:Area:

CARLOS J RENEDO [email protected]: ETSN 236 / ETSIIT S-3 28

http://personales.unican.es/renedoc/index.htmTlfn: ETSN 942 20 13 44 / ETSIIT 942 20 13 82

T3.- Refrigerantes y Salmueras

Las trasparencias son el material de apoyo del profesorpara impartir la clase. No son apuntes de la asignatura. Alalumno le pueden servir como gua para recopilarinformacin (libros, ) y elaborar sus propios apuntes

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1.- Introduccin2.- Refrigerantes3.- Clasificacin de los Refrigerantes4.- Fluidos Puros y Mezclas5.- Nomenclatura de los Refrigerantes6.- Problemtica de los Refrigerantes7.- Comparativa de Refrigerantes8.- Amoniaco9.- CO 210.- Salmueras

1.- Introduccin

Refrigerante es el fluido utilizado en la transmisin decalor que, en un sistema frigorfico, absorbe calor a bajas T y

presin, cedindolo a T y presin ms elevadas. Esteproceso tiene lugar con cambios de estado del fluido

Salmuera es un refrigerante secundario; transfiere el efecto frigorfico desde un circuitoprimario de refrigeracin (desde el evaporador en donde le enfra un refrigerante), alproducto a enfriar


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2.- Refrigerantes (I)

Las caractersticas y propiedades termodinmicas que han de tener son:

Alto calor latente de vaporizacin: (kJ/kg) Permite reducir el caudal msico circulante de refrigerante (kg/s)

Bajo volumen especfico del vapor en la aspiracin: v asp (m 3 /kg) Permite reducir el tamao del equipo (compresor y tuberas)

(kJ/kg)

vasp

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2.- Refrigerantes (I)


Alto calor latente de vaporizacin: (kJ/kg) Permite reducir el caudal msico circulante de refrigerante (kg/s)

Bajo volumen especfico del vapor en la aspiracin: v asp (m 3 /kg) Permite reducir el tamao del equipo (compresor y tuberas)

(kJ/kg)

vasp

Volumen especfico a -15Cde varios refrigerantes

Compresor centrfugo


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2.- Refrigerantes (II)


Presiones de trabajo moderadas P cond P atmos (evita entrada de humedad)

Tdesc

Temperatura de descarga moderada Evitar la descomposicin del lubricante y el asociado dao para el compresor

P cond

P evap

P critica

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2.- Refrigerantes (III)


Tasa de compresin y exponente isoentrpico reducidos:

(kJ/kg)A mayor exponente

mayor W comp

P cond

P evap

A menor exponentemenor W comp

A menor(P max /P min)

menor W comp

Punto de congelacin bajo Sin efectos secundarios para personas, materiales y gnero Disponible y de bajo costo


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2.- Refrigerantes (IV)

Midgley y su equipo buscaban un refrigerante apropiado para aplicacionesdomsticas (lo menos txico, inflamable posible)

As llegaron los FREONES, siendo el primero el dicloro-difluoruro-metano (CF 2Cl2)

Los FREONES desplazaron a la mayora de los refrigerantes anteriores

Dietileter 1834

Metileter 1864

Amoniaco 1872

R12 1930

CO 2 1886

Perkins

Boile

Midgley

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3.- Clasificacin de los Refrigerantes (I)

Por las presiones de trabajo :

R 404a

Butano R 600R 134a

Propano R 290R 717R 12 / R 22

G 3G 2G 1

Por el Reglamento de Seguridad (I)

Baja presin, a P atm su T ebullicin es alta, superior a +20C Media presin, T ebullicin entre +20C y 30C Alta presin, T ebullicin es baja, entre 30C y 80C Muy alta presin, a T ebullicin es muy baja, inferior a 80C

GRUPO PRIMERO: si no es combustible ni toxico. GRUPO SEGUNDO: txica o corrosiva; combustible o explosiva a un 3,5 % o

ms en volumen GRUPO TERCERO: comb. o expl. a menos de un 3,5%


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Toxicidad (concentracin y tiempo de exposicin); Dos Grupos: A y BTVL (TWA): valor lmite umbral de concentracin para la jornada laboral,

8 h/da, sin sufrir efectos adversosTVL (STEL): valor lmite umbral de concentracin para 15 min, que no se

debe exceder en la jornada laboralTVL (C): valor lmite umbral de concentracin instantnea que no se

debe pasar

Inflamabilidad y Explosividad (% vol. o ppm), tres Grupos: 1, 2 y 3LI, lmite de concentracin el aire a partir del cual la mezcla puede ser

explosivaLS , lmite de concentracin el aire a partir del cual la mezcla deja de ser

explosiva por falta de oxgeno

B3

A3

Alta Inflam. (3)

B2B1Alta Toxicidad (B)

A2A1Baja Toxicidad (A)

Baja Inflam. (2)No propaga llama (1)Nueva Designacin

G1

G2

G3b

G2

G3

G3a

3.- Clasificacin de los Refrigerantes (II)

P o r

S e g u r i

d a

d ( I I )

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Por su composicin qumica (I): Inorgnicos y orgnicos (hidrocarburos)

3.- Clasificacin de los Refrigerantes (III)

CFCs: dos tomos Cl, muy estables en la atmsfera (+100 aos), contribuyen a ladestruccin del ozono. R11, R12, R113, R114, R115, R-500 y R-502

HCFCs : un solo tomo de Cl, vida 2 a 28 aos, afectan la capa de ozono 2 al 10% delos CFC, han sido una solucin intermedia; influyen en mayor medida que los CFC en elcalentamiento del planeta. R-22, R-123, R-124 y R-141b

Los HFCs: H, F y C, no destruyen el ozono, pero algunos de ellos tienen un efectoimportante sobre el efecto invernadero. R-152a, R-32, R-125 y R-143a

El R134a niveles de toxicidad muy bajos, propiedades termodinmicas parecidas alR-12 en alta y media T. Como inconvenientes: disminuye el COP a medida quedesciende T evaporacin y aumenta la de condensacin, no es miscible conaceites convencionales


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3.- Clasificacin de los Refrigerantes (IV)

Por su composicin qumica (II): Inorgnicos y orgnicos (hidrocarburos)

Mezclas : varan sus propiedades en funcin de la composicin

Azeotrpica : evaporan y condensan a temperatura constante, R5XX

Zeotrpica : presentan deslizamiento, R4XX

Fluidos de trabajo naturales:

El amoniaco R717 (NH 3), excelente refrigerante, sus inconvenientes son su elevadatoxicidad y no ser compatible con el cobre, componentes de acero

Los hidrocarburos (HC's ), propano (R290), butano (R600) y sus mezclas; suproblema es su alta inflamabilidad

El agua (R718) es un excelente fluido de trabajo para alta T

CO 2 (R744)

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Fluidos Frigorgenos

HFC No HalogenadosHCFC

R22R123

FluidosPuros

Basadosen R22

Mezclas

R404aR507

R407cR417aR410aR508b

Mezclas

R290 (Propano)R600 (Butano)

R600a (isobutano)

HC

R717 (NH 3)R718 (Agua)

R744 (CO 2)

Inorgnicos

R134aR23

FluidosPuros

3.- Clasificacin de los Refrigerantes (V)

R11R12

CFC


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Cl F

H

Inflamable

Larga duracinen la atmsfera

Txico

Aumenta el ODP

Aumenta inflamabilidad

Disminuye la toxicidadAumenta el GWP

3.- Clasificacin de los Refrigerantes (VI)

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El refrigerante est formado por un nicocomponente. A una P determinada la T de

cambio de estado permanece cte

El fluido est formado por combinacin devarios componentes (diferente volatilidad)

Zeotrpica Azeotrpicas

4.- Fluidos Puros y Mezclas (I)

Clasificacin de seguridad de las mezclas :Como pueden separarse, se hace atendiendo

a las peores condiciones


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4.- Fluidos Puros y Mezclas (II)

Mezclas Zeotrpicas (R4XX) A una presin dada presentan deslizamiento de T durante el cambio de faseSe debe a cambios de composicin por diferentes volatilidades de los componentes

Evaporacin: Al ir absorbiendo calor a P cte se llegaa una mezcla bifsica (pto 1), en la queel vapor ser ms rico en elcomponente ms voltilLa mezcla lquida ser ms rica en elcomponente menos voltil, elevando supunto de ebullicin

Composicin de la mezcla

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4.- Fluidos Puros y Mezclas (III)

Mezclas Zeotrpicas: Glide (deslizamiento)

Deslizamiento de T : g = Tb Ta

g instalacin = Tb Tc

A C

BTb

Ta Tc

G instalacinG refrigerante


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4.- Fluidos Puros y Mezclas (IV)

Mezclas Zeotrpicas: Glide (deslizamiento) en evaporacin

Con P en elevaporador

Sin P en elevaporador

Glide con P ev < Glide sin P ev

A

S

CGlide con P ev = Tc - TaGlide sin P ev = Ts - Ta

Tb

Ta Tc

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4.- Fluidos Puros y Mezclas (V)

Mezclas Zeotrpicas: Glide Fraccionamiento: Cambio de composicin en los cambios de estado

Fugas Cargas de refrigerante Evaporadores inundados,

Deslizamiento de T : g = Tb Ta


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4.- Fluidos Puros y Mezclas (VI)

Cambio en la composicin del R-404Adurante la ebullicin a 20C

97,52,50,098

73,712,513,88058,813,727,560

49,113,637,340

40,213,246,620

34,0

R124

13,053,00

R152aR22

Composicin del Lquido (% en peso)% en pesohervido

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4.- Fluidos Puros y Mezclas (VII)

Mezclas Azeotrpicas: Formadas por varios componentes, en los que sus cambios de estado a

una P se producen a T cte


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5.- Nomenclatura de los Fluidos Refrigerantes (I)

El nombre se establece a partir de la frmula qumica como:R, seguido de una expresin numrica, con posibilidad de aadir una letra final

R n n n n

N tomos de F

N tomos de H + 1

N tomos de C - 1

N enlaces de Cno saturados

1 -1 = 0

1 +1 = 2

1 +1 = 2

CHClF 2

R 0022Si la molcula tiene tomos de Br se aade una B a laderecha seguida del N tomos de Br

En los derivados cclicos se aade una C a la izquierdaRC n n n n B1

Cl C

H

F

F

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5.- Nomenclatura de los Fluidos Refrigerantes (II)

Isomera:

Una molcula de ms C tiene varios tipos de asociacin, isomrica (NC 2)

H C

F

F

C

F

H

F

H C

F

H

C

F

F

F

NC = 2 : una letra minscula al final de la designacin define al ismero

Se toman los pesos atmicos ligados a cada C. La configuracin que msuniformemente los distribuya no posee letra alguna, las siguientes las letras a,b,


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5.- Nomenclatura de los Fluidos Refrigerantes (III)

NC = 3 : La 1 letra designa los tomos del enlace intermedio(a Cl 2, b Cl-F, c F 2, d Cl-H, e H-F, f H 2 )

La 2 letra designa la creciente simetra en pesos atmicos(a configuracin ms simtrica, b, c. menos simtricas)

Isomera:

Cl C

H

F

C

F

F

C Cl

F

F

F2 1 letra es c

NC-1 = 2

NH+1 = 2 NF = 5

Configuracin ms simtrica 2 letra es a

R225ca

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5.- Nomenclatura de los Fluidos Refrigerantes (IV)

Cl F

H

F

CF F

F

C

F

R22 R14

H FC

C

H

F

F

F

R134a


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5.- Nomenclatura de los Fluidos Refrigerantes (V)

Mezclas:

Zeotrpicas: R400 (R410A, R401B, R402A, etc)

Azeotrpicas: R500 (R501, R502, R508A, etc)

Al final de la designacin se aade una letra mayscula (A, B, ) en casode estar formada por los mismos componentes pero en diferente proporcin

Ej: R407 (R23 / 125 / 134a)R407A (R23 / 125 / 134a) (20 / 40 / 40%)

R407B (R23 / 125 / 134a) (10 / 70 / 20%)

R407C (R23 / 125 / 134a) (23 / 35 / 53%)

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5.- Nomenclatura de los Fluidos Refrigerantes (VI)

Inorgnicos:

R700 + Peso Molecular del compuesto

Amoniaco (NH3 3x1 + 14 = 17) R 717Agua (H2O 2x1 + 16 = 18) R 718

Dixido de Carbono (CO 2 2x16 + 12 = 44) R 744


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5.- Nomenclatura de los Fluidos Refrigerantes (VII)

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En 1974 Rowland y Molina lanzaron la hiptesis que los CFC agotan la capa de O 3

6.- Problemas de los Refrigerantes (I)

La capa de ozono es un filtro para los rayos ultravioleta que legan a la Tierra. Estaradiacin produce efectos como afecciones en la piel, vista, etc.


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En 1974 Rowland y Molina lanzaron la hiptesis que los CFC agotan la capa de O 3

6.- Problemas de los Refrigerantes (I)

La capa de ozono es un filtro para los rayos ultravioleta que legan a la Tierra. Estaradiacin produce efectos como afecciones en la piel, vista, etc.

Cl + O 3 = O 2 + ClO

ClO + O 3 Cl + 2O 2Destruccin del O 3

O2 + UV O + OO2 + O O3

Creacin del O 3

La evidencia llev a la firma del Protocolo de Montreal (1987) para la sustitucin delos CFC, temporalmente por HCFs y finalmente por HFC's

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01/01/201501/01/201001/01/200401/07/200201/01/200101/10/2000

CFC

HCFC

Prohibida la venta y uso(nuevo o recarga)

Prohibida su uso en equipos oinstalaciones nuevas

(Excepto Pot < 100 kW y B.C.)

Prohibida uso en todoslos equipos Pot < 100 kW

(Excepto B.C.)

Prohibido eluso de HCFCProhibidouso en B.C.

Prohibida uso en mantenimiento y operacinexcepto con HCFC recuperado

6.- Problemas de los Refrigerantes (II)

HFC


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Fluidos Frigorgenos

Transicin Medio / Largo Plazo

HFC No HalogenadosHCFC

R22R123

Fluidos

PurosBasadosen R22

Mezclas

R404aR507

R407cR417aR410aR508b

Mezclas

R290 (Propano)R600 (Butano)

R600a (isobutano)

HC

R717 (NH 3)R718 (Agua)R744 (CO 2)

Inorgnicos

R134aR23

Fluidos

Puros

R11R12

CFC

6.- Problemas de los Refrigerantes (III)

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6.- Problemas de los Refrigerantes (IV)

El factor de destruccin de la capa de ozono se llama ODP (Ozone DepletionPotential). Es un valor comparativo con el efecto del R11 (1)

60177,4R11 (CFC)

1600R134a (HFC)

150.0541R22 (HCFC)

1300,9558,6R12 (CFC)

VidaODPCont. Cl (%)Refrig.


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6.- Problemas de los Refrigerantes (V)

Contribucin a incrementar el efecto invernadero (I):

Parte de la energa recibida del sol es absorbida por la tierra, que se calienta eirradia, a su vez, calor hacia el espacio

Algunos vapores (CO 2, vapor de agua, el metano, los CFCs) retienen parte de laradiacin, por lo que la tierra se calienta. Es el efecto invernadero

La influencia es el ndice GWP , que mide la accin directa del refrigerante

3

3

3

0GWP

R600

R290

R170

R717Refrigerante

1R7445.000R113

0R7181.700R22

1.609R407c8.500R12

1.300R134a4.000R11GWPRefrigeranteGWPRefrigerante

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6.- Problemas de los Refrigerantes (V)

Contribucin a incrementar el efecto invernadero (I):

Parte de la energa recibida del sol es absorbida por la tierra, que se calienta eirradia, a su vez, calor hacia el espacio

Algunos vapores (CO 2, vapor de agua, el metano, los CFCs) retienen parte de laradiacin, por lo que la tierra se calienta. Es el efecto invernadero

La influencia es el ndice GWP , que mide la accin directa del refrigerante

3

3

3

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GWP

R600

R290

R170

R717

Refrigerante

1R7445.000R113

0R7181.700R22

1.609R407c8.500R12

1.300R134a4.000R11

GWPRefrigeranteGWPRefrigerante


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6.- Problemas de los Refrigerantes (VI)

Contribucin a incrementar el efecto invernadero (II):

El ndice TEWI tiene en cuenta las emisiones que se generan en el ciclo de vida(tiene importancia el COP, la cantidad y el tipo de energa consumida)

GWP Refrig : valor del GWP asignado al refrigerantePer Refrig prdidas anuales medias de refrigerante por fugas del sistema en kg/ao

VU: vida til de la instalacin en aosMRefrig : kg de refrigerante liberados a la atmsfera durante el funcionamiento de lainstalacin en toda su vida

Rec Refrig : es el factor de recuperacin del refrigerante al final de la vida til, es decir, lafraccin de m que se puede recuperar

: factor de conversin para determinar el CO 2 por kWh electrico en funcin delas fuentes energticas primarias

EAnual : kWh consumidos al ao por la instalacin

[ ] U Refrig Refrig U Refrig V E Rec M V Per GWP TEWI

irecto Efecto Ind ecto Efecto Dir TEWI

++=

+=

)1(

Directo (fugas de refrigerante)

Indirecto (la energa consumida)

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6.- Problemas de los Refrigerantes (VII)


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6.- Problemas de los Refrigerantes (VII)

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Propiedades de algunos Refrigerantes

7.- Comparacin de Fluidos Refrigerantes (I)


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7.- Comparacin de Fluidos Refrigerantes (II)

s = 1Tc = 45CTe = 0C

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7.- Comparacin de Fluidos Refrigerantes (III)

s = 1Tc = 45CTe = 0C


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7.- Comparacin de Fluidos Refrigerantes (IV)

s = 1

Tc = 45CTe = 0C

La seleccin del refrigerante se hace en funcin de la T de trabajo

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7.- Comparacin de Fluidos Refrigerantes (V)


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R12R500

R22R500

R13R503

R22R717

R502

R12

R11, R12R717, R500

R12R500

Anteriores

R134aR744

Climatizacinautomvil

R407c, R410aR290

R22Climatizacin

R23R508a, R508b

Refrigeracinmuy baja T

R404a, R507R717

R22Refrigeracinindustrial

R404aR507

R402aR408a

Refrigeracincomercial (-)

R134aR404a, R507

R22R401a

Refrigeracincomercial (+)

R134aR717

R123Climatizacin

Enfriadoras Q

R134aR600a

R401aR409a

Refrigeracindomstica

Largo PlazoTransicinAplicaciones

7.- Comparacin de Fluidos Refrigerantes (VI)

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7.- Comparacin de Fluidos Refrigerantes (VII)


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7.- Comparacin de Fluidos Refrigerantes (VII)

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PAGPOEM/AABMO

Conlimitaciones

Nocompatible

Conlimitaciones

Conlimitaciones

AdecuadoNH3

Conlimitaciones

AdecuadoAdecuadoAdecuadoAdecuadoHC

Conlimitaciones

AdecuadoNo

compatibleCon

limitacionesNo

compatibleHFC

Nocompatible

ConlimitacionesAdecuadoAdecuadoAdecuado(H)CFC

PolialquilglicolesPoliolesterMinerales

AlquibencnicosAlquilbencenosMineral Oil

Operacin y Mantenimiento (I)

7.- Comparacin de Fluidos Refrigerantes (VIII)

Muy Higroscpicos


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Operacin y Mantenimiento (II)

7.- Comparacin de Fluidos Refrigerantes (IX)

Viscosidades de aceites recomendadas

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8.- Amoniaco (R717) (I)

Elevadas temperaturas de descarga

Altsimo calor latente de vaporizacin

Densidad mucho mas baja que cualquier refrigerante

Es un gas incoloro, de fuerte olor, llega a ser txico e irrespirable

Facilidad de deteccin de fugas

Con presin y mezclado con aceite, puede formar una mezcla explosiva

Combustible en determinadas proporciones con el aire del ambiente

Estable hasta los 150 C

Corroe y ataca al cobre y todas sus aleaciones

No se mezcla con los aceites de nafta ni los sintticosSi hay una fuga, el amoniaco se disuelve en agua; todos los productosalimenticios contienen agua, puede hacer que estos tomen mal sabor,incluso que sean perjudiciales para la salud

Los efectos compensanel volumen desplazado


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8.- Amoniaco (R717) (II)

Dosis letal30.000

Ambiente insoportable, reaccin instantnea a salir del lugar1.500

Visin disminuida, respiracin insoportable, irritacin de piel en min.1.000Lgrimas en pocos sg700

Lgrimas tras 30 sg600

Ojos afectados rpidamente450

Nivel inferior de riesgo300

Ojos levemente afectados tras 1 min.150-200

STEL lmite de exposicin de corta duracin35

TWA media ponderada en el tiempo25

Lmite de deteccin5

Efectoppm

50


Gas inerte no contaminante es un producto naturalEstable qumicamenteNo corrosivoNo deteriora los productos en caso de fugaNo combustible, se utiliza en la extincin de incendiosNo es irritante, es inodoro: no causa alarmaLa descarga a la atmsfera es totalmente inocua a todos los efectos ypasa desapercibida

Mucho ms denso que el aire, sus fugas caen al suelo y desplazan el

oxgeno, en concentraciones altas puede ser peligroso y letalRiesgo de congelacin por despresurizacin

9.- CO 2 (R744) (I)


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9.- CO 2 (R744) (II)

Su gran densidad hace que el volumen desplazado sea pequeo(6-8 veces amoniaco)

Compresores de menor tamao y cilindrada Menor cantidad de refrigerante en instalacin Menor tamao de recipientes y lneas

Esto es especialmente a baja presiones

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10.- Salmueras (I)

La clasificacin de las salmueras puede hacerse en:

Salmueras de tipo salino

Salmueras a base de glicol : (etilenglicol y propilenglicol) Salmueras para bajas temperaturas (alcoholes) Salmueras para aplicaciones especiales (aceites trmicos)

Las aplicaciones

Aplicaciones Especficas como en las pistas de patinaje Industria Alimentaria; para enfriamiento y congelacin por inmersin directa La Fabricacin de Hielo en Barras Las Aplicaciones de Tipo Industrial En instalaciones centralizadas de aire acondicionado

Permiten el almacenamientoPresentan problemas de corrosin , por lo que el sistema debe mantenersesobrepresionado y sin contacto con la atmsfera


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10.- Salmueras (II)

Los sistemas de distribucin para las salmueras son similares a los deagua en circuito cerrado. La diferencia fundamental reside en la viscosidad

Las salmueras son lquidos trmicamente inferiores al agua, por lo que espreciso gastar ms energa de bombeo.

Factores para seleccionar la salmuera :

El coste de las salmueras, y de los tratamientos del agua y los inhibidores La corrosin y la incompatibilidad con ciertos materiales La toxicidad , especialmente cuando el producto a enfriar sea algn alimento, o

cuando haya contacto con personas El calor especifico que determina el caudal msico La estabilidad a temperatura elevada La viscosidad , incide en la energa de bombeo El punto de congelacin de las salmueras La tensin de vapor

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10.- Salmueras (III)

Agua glicoladaAgua

5,74,192,992,291,611,44Viscosidad dinmica (mPa s)

0,3770,4110,4470,4860,5280,582Conductividad Trmica (W/mC)

3,2623,4593,6423,8113,9664,197Calor Especfico (kJ/kg C)

1,081,061,051,031,021Densidad (kg/m 3)

-33,8-22,3-14,1-7,8-3,20T congelacin (C)

50403020100% en peso

% Glicol

T Cong.

DensidadCp hay que bombear ms caudal

Enega de bombeo


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6.- Intercambiadores de calor (V)Bibliografa del Tema (I)

Los Refrigerantes en las Instalaciones FrigorficasErnesto Rodrguez

Cuadernos de Climatizacin. RefrigerantesFerroli

Manuales (CD)Kimikal

ASHRAE HANDBOOKS (CD`s)Fund.; Cap 19; 20; 21

Refrigeration; Cap 5; 7


6.- Intercambiadores de calor (V)Bibliografa del Tema (II)

Revistas nacionales: El Instalador Montajes e Instalaciones

http://www.carburos.com/index.html

http://www2.dupont.com/Refrigerants/es_ES/

Comentarios al RITE 2007IDAE

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