C O M P R E S S O R S

Informacin tcnica

R E F R I G E R A T I O N A N D A I R C O N D I T I O N I N G

Aplicaciones prcticas del refrigerante R290propano en sistemas hermticos pequeos

2 CN.60.F1.05 August 2001

El refrigerante R290, o propano, es un posible sustituto para otros refrigerantes, con granimpacto ambiental, en sistemas hermticos pequeos, como los refrigeradores ycongeladores domsticos y comerciales. Tiene un potencial cero de destruccin de ozonoODP y un potencial de calentamiento global GWP insignificante. Dado que procede delpetrleo, se le considera un refrigerante natural.El R290 se ha utilizado anteriormente en plantas de refrigeracin y todava se sigue utilizandoen algunas plantas industriales. En Alemania se ha utilizado en bombas de calor y airesacondicionados domsticos, con diferentes niveles de xito. Debido a su disponibilidad entodo el mundo ha sido debatido ampliamente para reemplazar a los CFC. El propano, R290es un posible refrigerante para esta aplicacin, con buen rendimiento, pero debe tratarsecon cuidado debido a su inflamabilidad.Este documento es similar en cierta medida al del R600a CN.60.E.

Las propiedades del R290 difieren de las de otros refrigerantes utilizados comnmente ensistemas hermticos pequeos, como se muestra en la tabla 1. Esto significa que senecesitarn detalles de diseo diferentes en algunos casos.

Tabla 1: Comparacin entre refrigerantes.

1 Refrigerante

etnaregirfeR 092R a431R A404R 22R a006R

erbmoN onaporP -2,1,1,1-arteT-oruolf

onate

alczeM521Ra341Ra431R

-orolC-oroulfid

onatem

onatubosI

alumroF C3H8 FC 3 HC- 2F 4/25/44 FHC 2 IC HC( 3) 3 HC

CneacitrcarutarepmeT 7.69 101 5.27 1.69 531

lomk/gkneraluceloMoseP 1.44 201 6.79 5.68 1.85

edlamronotnuPCnenicillube 1.24- 5.62- 8.54- 8.04- 6.11-

aniserP)otulosba(rabneC52- 30.2 70.1 05.2 10.2 85.0

aodiuqlleddadisneDl/gkneC52- 65.0 73.1 42.1 63.1 06.0

otaropavdadisneDm/gkneC23+/52- 3 6.3 4.4 0.01 0.7 3.1

aacirtmulovdadicapaCm/JkneC23/55/52- 3 4611 856 4331 4421 373

anicaziropavedaplatnEgk/JkneC52- 604 612 681 322 673

rabneC02+aniserP)otulosba( 4.8 7.5 0.11 1.9 0.3

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Una diferencia entre el R290 y el R134a es el nivel de presiones, el R290 esta ms cercaal R22 y R404A. Por ejemplo, una presin de evaporacin de 25C correspondeaproximadamente a un 190% de R134a, el 81% del R404A, 350% del R600a o casi igualpara R22. En relacin con esto el punto de ebullicin normal es cercano al R22. Por lotanto, el diseo del evaporador debe ser similar a los diseados para R22 y R404A.

Figura 1: Presin de vapor para diferentes refrigerantes frente a temperatura.

El nivel de presin y la temperatura crtica son casi como las del R22. Sin embargo, latemperatura de descarga es mucho ms baja. Esto da la oportunidad de trabajar a relacionesde presin ms altas, lo cual significa temperaturas de evaporacin mas bajas o temperaturade gas de aspiracin mas altas.

1.1 Presin

0

5

10

15

20

25

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60Temperatura en C

Pres

in

de va

por e

n ba

r

R290R134aR404AR22R600a

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1.2 Capacidad El R290 tiene aproximadamente un 90% de la capacidad volumtrica del R22 y un 150%del R134a a una temperatura de condensacin de 45C, como se puede ver en la figura 2.Es necesario, por lo tanto, un compresor con un desplazamiento volumtrico cercano al deR22, y de un 10 a un 20% mayor que para R404A.La capacidad volumtrica aproximada es de 2.5 a 3 veces la de R600a. Es por esto, quela eleccin de estos refrigerantes, R600a y R290, lleva a diseos de sistemas diferentesdebido a los diferentes flujos volumtricos necesarios para la misma necesidad derefrigeracin.

Figura 2: Capacidad volumtrica del R290, R134a, R404A y R600a, en relacin al R22,respecto a temperatura de evaporacin, temperatura de condensacin de 45C y temperaturade aspiracin de 32C, sin subenfriamiento.

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

-40 -30 -20 -10 0Temperatura de evaporacin en C

Capa

cidad

volu

mt

rica

rel.a

R2

2

R290R134aR404AR22R600a

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Si se carga R290 sin haber cambiado el sistema de refrigeracin, la cantidad de carga engramos ser mucho ms pequea. Sin embargo, calculado en cm3, la carga seraaproximadamente la misma que el volumen de lquido en el sistema. Esto da cargas deaproximadamente un 40% de R22 o R404A en gramos, de acuerdo con la tabla 1, lo cualtambin corresponde con los valores empricos.La carga mxima de acuerdo con las regulaciones de seguridad es de 150 g para mueblesrefrigerados y aplicaciones similares, las cuales corresponden aproximadamente a 360 gde R22 o R404A.

Las especificaciones para el R290 no se encuentran en los estndares internacionales.Algunos datos estn incluidos en la norma alemana DIN 8960 de 1998, la cual es unaversin ampliada de la ISO 916. La pureza del refrigerante se considera segn su qumicay su estabilidad, segn la vida del compresor y del sistema, y desde el lado termodinmicoconsiderando el comportamiento y el control del sistema de refrigeracin.

La especificacin DIN 8960 es una especificacin general sobre la seguridad de loshidrocarburos, adoptada de un catalogo de criterios sobre refrigerantes y convertido alpropano, isobutano, n-butano y otros. Algunos conceptos pueden ser aceptados pararefrigerantes especficos y combinaciones no puras despus de una evaluacin exhaustiva.

Por el momento no existe en el mercado ningn refrigerante con la calidad acorde con losestndares oficiales. Las especificaciones de calidad deben ser revisadas con el empresassuministradoras en detalle. El gas licuado del petrleo LGP para aplicaciones comocarburantes con grado de pureza tcnico de un 95 % no es suficiente para sistemas derefrigeracin hermticos. Los contenidos en agua, sulfuros y componentes reactivos debenestar por debajo de los niveles de garanta para estos productos. El denominado refrigerantetcnico de 99.5%, tambin conocido como 2,5, se utiliza ampliamente.

Tabla 2: Especificaciones de R290 de acuerdo con DIN 8960 1998

1.3 Carga derefrigerante

1.4 Pureza

nicacificepsE dadinU

etnaregirferneodinetnoC 1

5.99 asam%

sacinagrosazerupmI 2

5.0 asam%

oneidatuB-3,1 3

5 asamropmpp

onaxeh-n

05 asamropmpp

onecneB 4

1 aicnatsbusropmpp

erfuzA

2 asamropmpp

.pavearutarepmetedotneimazilseD

5.0 )litsed%79a5edsed(KselbasnednoconsesaG

5.1 ropavesaF.lov%

augA 5

52 asamropmpp

sodicneodinetnoC

20.0 nicazilartueng/HOKgm

nicaropaveedsoudiseR

05 asamropmpp

sodilS/saluctraP on lausivnisiveR

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1) El contenido no esta detallado en DIN 8960. Solo las impurezas estn clasificadasy limitadas. El principal contenido es el resto hasta un 100%.

2) Segn el compresor se acepta un contenido de un 1% de butano en el R290.3) Este es el valor mximo para cada sustancia simple de los hidrocarburos

insaturados.4) Este es un valor mximo segn cada compuesto aromtico sencillo.5) Este es un valor preliminar, ser revisado segn se vaya experimentando.

En los compresores Danfoss se emplea aceite poliolester al usar R290, siendo la compa-tibilidad con el aceite idntica al R134a o R404A. El R290 es qumicamente inactivo en loscircuitos de refrigeracin, luego no tiene porque dar problemas. La solubilidad con el aceitester es buena. La compatibilidad con los materiales directos es menos problemtica.Algunas gomas y materiales plsticos han manifestado algn tipo de problema pero noestn normalmente en sistemas hermticos pequeos. En la tabla 3 se muestra lacompatibilidad de algunos materiales con problemas estudiados por diferentes especialistas.En materiales crticos se deben realizar pruebas para el uso en particular.

Tabla 3: Compatibilidad con distintos materiales

El desecante comn para refrigeradores domsticos es el molecular sieves, una zeolita.Para R290, al igual que para R134a, se recomienda un material con poros de 3 porejemplo, UOP XH 7, XH 9 o XH 11, Grace 594, CECA siliporite H3R. Los filtros para R134ase pueden utilizar con R290, si estn homologados segn IEC / EN 60335.Ver tambin nota CN.86.A.Si se utilizan filtros con ncleos slidos, preguntar al fabricante por la compatibilidad conel R290. Los filtros DU se pueden utilizar.

2 Materiales

2.1 Filtrosdeshidratadores

lairetaM dadilibitapmoCaciltubamoG oNnmocamoG oN

oneliteiloP senoicidnocaledednepeDPP oN

CVP oNFDVP oNMDPE oN

MSC on

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La principal desventaja en relacin con el R290 es el riesgo de inflamabilidad, causa por laque se deben tomar precauciones de seguridad especiales para su manejo.

Tabla 4: Inflamabilidad del propano

Son necesarias precauciones de seguridad en concentraciones grandes de propano debidoa su inflamabilidad, en sus aplicaciones y en los procesos de produccin. Los riesgos enestas situaciones son muy diferentes. Para que se produzca un accidente se tienen quecumplir dos condiciones. Una es la mezcla inflamable de gas y aire y la otra es el tipo deignicin a ciertos niveles de energa o temperatura.Estas dos condiciones se deben presentar juntas para la combustin, luego se tiene queevitar esta combinacin.

Figura 3: Etiqueta de peligro amarilla

Para pruebas de seguridad en los refrigeradores domsticos y aplicaciones similares seha establecido en Europa un estndar, la hoja tcnica IEC TS 95006. Tambin existe unaadaptacin a la norma IEC / EN 60335-2-24, la cual es una norma de seguridad elctrica.Las homologaciones para refrigeradores con hidrocarburos como refrigerantes estn deacuerdo con los procedimientos del TS en Europa desde 1994. La metodologa del TS ylos procedimientos de esta norma estn basados en la siguiente descripcin. Tambin sedeben tener en cuenta otras normas nacionales, por ejemplo, EN 378, DIN 7003, BS 4344,SN 253 130, las cuales pueden tener diferentes requisitos.

Todo elemento interruptor de corte elctrico durante su operacin normal se consideracomo un foco de ignicin. Esto incluye termostatos, contactos de puertas para luz,dispositivos on/off y otros interruptores, como congelacin rpida, rels decompresores, trmicos externos, relojes de desescarche, etc.

Todos los componentes conteniendo refrigerante se consideran focos de refrigerantepor medio de una fuga. Esto incluye evaporadores, condensadores, calentadores depuertas, tuberas y compresor.

La carga mxima de refrigerante se fija en 150 g. Manteniendo la carga a un mximo de25% del nivel de explosin mnimo LEL, el cual es aproximadamente 8 g/m3, paracocinas estndares, los riesgos de ignicin son bajos, aun si la distribucin delrefrigerante, en caso de fuga, es desigual.

El objetivo principal de las precauciones de seguridad es separar las cmaras que contienenlos refrigerantes de las que tienen elementos elctricos de corte.

Los compresores Danfoss para R290 tienenprotectores internos y sistemas de arranquePTC o rels especiales, todos ellos ase-gurando que no se puedan producir chispascerca del compresor, ya que en caso de fugascerca del compresor no se puede garantizarla mezcla con el aire por debajo del LEL (lmitede explosin inferior).

Como muestra la figura 3, llevan una etiquetade peligro amarilla para gas inflamable.8

122-

4R2903.1 Aplicacin

3 Inflamabilidad yseguridad

Lmite mnimo de explosin (LEL) 2.1% Aprox. 39 g/m3Lmite mximo de explosin (UEL) 9.5% Aprox. 177 g/m3Temperatura mnima de ignicin 470 C

8 CN.60.F1.05 August 2001

Figura 4: Variantes de aplicaciones de diseo.

En la figura 4 se muestran tres posibilidades. La opcin 1 tiene el evaporador y el termostato/interruptor de puerta en el rea de almacenamiento. Es una situacin crtica si tenemosrefrigerantes inflamables y no se debera utilizar. La opcin 2 tiene el evaporador dentro yel termostato/interruptor de puerta fuera, en el techo. Esto sera una solucin bastantesegura. La opcin 3 tiene el termostato/interruptor de puerta dentro, pero el evaporadoresta incrustado en el aislante del equipo. Esta solucin se utiliza con frecuencia. La opcinelegida debe diseada y realizar pruebas de fugas segn los procedimientos TS 95006 yIEC / EN 60335.

Esta situacin de separacin de cmaras se da en la actualidad en el diseo de muchosmuebles frigorficos y congeladores. Los botelleros grandes y congeladores tienen con mucha frecuencia todos los

interruptores elctricos en el panel superior. Algunos congeladores tienen el evaporador escondido en el mueble, en el aislante, lo

que significa que no esta en el rea de almacenamiento, donde si est el termostato ypor tanto este caso se permite.

Se darn situaciones criticas cuando no sea posible evitar que el evaporador y el termostatoo los interruptores estn en la misma cabina. En este caso tenemos dos posibilidades.

Se deben utilizar modelos de termostatos e interruptores aislados, que eviten la entradade gas y que este pueda alcanzar los contactos. Danfoss tiene termostatoselectrnicos adecuados para esta aplicacin.

Los ventiladores dentro del recinto frigorfico deben ser seguros, y no producir chispasincluso si se bloquean.

Los conectores elctricos y lmparas deben cumplir ciertas especificaciones.

An habiendo tenido en cuenta todas las consideraciones anteriores, cada una de lasaplicaciones con R290 debe estar probada y homologada segn los procedimientos TS /IEC / EN, o por una organizacin independiente. Para ms detalles ver normas. Lasinstrucciones de utilizacin debern incluir alguna informacin sobre precauciones en elmanejo, como no desescarchar los compartimentos del congelador con cuchillos, e instalaren una cmara con al menos 1 m3 por cada 8 g de carga, esto ultimo se incluye en laetiqueta. Los sistemas con rels u otros componentes elctricos cerca del compresordeben cumplir las especificaciones que se detallan en la etiqueta del mismo.

1 32

Termostato /Interruptor depuerta

Evaporador

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Los ventiladores del condensador deben estar protegidos contra chispas que se puedanoriginar, incluso si se bloquea o sobrecarga. Los ventiladores estn diseados para nonecesitar un trmico o bien cumplen con la norma IECC 60097-15.

Los rels deben cumplir la IEC 60079-15 o estar instalados donde una fuga no produzcauna mezcla inflamable con el aire, por ejemplo en una caja aislada o a una alturasuficiente. Los accesorios de arranque de los compresores SC Danfoss se distribuyencon una cable largo para poderlos colocar en una caja elctrica separada.

El contenido de refrigerante en el sistema y el diseo de seguridad del mismo debe seraprobado y controlado regularmente por las autoridades locales. Ms abajo se indican losprincipios de diseo e instalacin en Alemania. En muchos detalles estn basados en lasregulaciones para instalaciones de gases licuados y se aplican especialmente en lasproximidades a las zonas de carga, donde se manejan con frecuencia los conectores degas y se realiza la carga de las distintas aplicaciones.

Los principios bsicos de seguridad son Ventilacin forzada para evitar la acumulacin de gas en el local. Equipo elctrico estndar excepto para ventiladores y sistemas de seguridad. Vigilancia continua con sensores de gas en reas de posibles fugas as como alrededor

de las estaciones de carga, con alarma y ventilacin doble a un 15% o 20% del LEL ycon desconexin de todos los equipos elctricos que no sean a prueba de explosin enel rea de monitorizacin con un valor del 30 a 35% del lmite de explosin inferior, LEL,dejando los ventiladores a mxima velocidad.

Prueba de fugas, para evitar realizar un proceso de carga en un sistema con fugas. Estaciones de carga diseadas para refrigerantes inflamables y conectadas a sistemas

de seguridad.

En muchos casos, los suministradores de estaciones de carga y equipos de deteccin degas pueden soportar el diseo de los sistemas de seguridad.

En algunos pases, las reglas para el manejo de R290 en contenedores pequeos, sonmenos estrictas.

En muchos casos cuando se produce la transicin de refrigerantes no inflamables a R290, las aplicaciones tienen que ser modificadas por razones de seguridad como se indicaen la seccin 3.1. Pero, adems, estos cambios pueden ser necesarios por otras razones.

Las partes del sistema que contienen refrigerante deben estar de acuerdo con IEC / EN60335 para que pueda soportar a una presin determinada sin fugas. El lado de alta presintiene que soportar una sobrepresin de 3.5 veces la presin equivalente a una temperaturade saturacin de 70C, el lado de baja presin tiene que soportar 5 veces la presinequivalente a una temperatura de saturacin de 20C. Esto nos da lo siguiente: 87 bar de sobrepresin para el lado de alta presin. 36.8 bar de sobrepresin para el lado de baja presin.Las normas nacionales podran tener diferentes especificaciones, dependiendo de laaplicacin

La eficiencia del sistema de refrigeracin no ocasionar el cambio del tamao del evaporadoro del condensador, lo que significa que el rea externa se puede mantener como para lasaplicaciones con R22 o R404A. A veces el diseo del evaporador necesita alguna modi-ficacin, porque el volumen de refrigerante es diferente, de acuerdo con el volumen barridopor el compresor. Para mantener la velocidad del refrigerante en el rango recomendado, de3 a 5 m/s, puede ser necesario adoptar secciones cruzadas de flujo.Los evaporadores de aluminio impresos Rollbond no deberan ser utilizados por las altaspresiones de rotura requeridas. Hay que tener especial cuidado con el diseo del acumuladordel sistema. Cuando se utiliza R22 o R134a el refrigerante es mas pesado que el aceite,mientras que el R290 es menos pesado, se puede ver en la tabla 1. Esto puede ocasionaracumulacin de aceite si el acumulador es demasiado grande, especialmente demasiadoalto, y el camino que sigue el fluido no garantiza el vaciado suficiente durante la fase dearranque del sistema. Las condiciones para el diseo del evaporador puede verse en eldocumento CN.82.A .

4 Diseo del sistemade refrigeracin

4.1 Intercambiadoresde calor

3.2 Fbrica

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La experiencia con R290 nos dice que el flujo capilar es similar a R404A. Al menos estonos permite un buen punto de partida para una optimizacin.

Como ocurre con el R134a, R404A y R600a, el intercambiador de la lnea de aspiracin esmuy importante para el rendimiento del sistema con R290, no as para el R22, como se veen la figura 5. La figura muestra el aumento del COP con el recalentamiento desde unospocos K hasta +32C en el gas de retorno, donde el rango va desde +20C hastaaproximadamente +32C, lo cual es normal para sistemas hermticos pequeos. Estegran aumento en el COP para R290, se debe a un alto calor especifico de vapor. Junto conla necesidad de mantener la carga de refrigerante prxima al mximo posible en el sistemay para mantener bajo el sobrecalentamiento a la salida del evaporador y para prevenir lacondensacin del aire hmedo en la tubera de aspiracin, el intercambiador de la lnea deaspiracin tienen que tener un alto rendimiento. En muchos casos una prolongacin de lalnea de aspiracin y capilar mejoran el rendimiento. La superficie de contacto entre elcapilar y la lnea de aspiracin debe ser lo mas grande posible.

Figura 5: El incremento terico del COP de diferentes refrigerantes respecto a la temperaturade aspiracin con compresin adiabtica, intercambio de calor interno, temperatura deevaporacin a 25C, temperatura de condensacin de 45 C, sin subenfriamiento antesdel intercambiador de calor interno.

Con un alto sobrecalentamiento, con un buen intercambiador de calor (interno), el COPterico para R290, R600a y R134a es mayor que para el R22. Con un sobrecalentamientobajo, el COP de R290, R600a y R134a es menor que para R22. El comportamiento deR290 es similar al R134a, con respecto al intercambiador de calor interno.

2,0

2,2

2,4

2,6

2,8

3,0

-25 0 25Temp. gas de aspiracin C

COP

isent

rpi

co

R290R134aR404AR22R600a

4.2 Capilar

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Generalmente las reglas utilizadas para el R22, R134a y R404A, sobre evacuacin ymanejo son validas para el R290. La mxima cantidad de gases no condensables en elsistema es de un 1%. Un elevado nivel de gases no condensables, incrementa el consumode energa porque la temperatura de condensacin es ms alta y una proporcin del gastransportado es inactivo. Adems esto puede aumentar el ruido.

La especificaciones de limpieza son comparables a las de R22 o R134a. La nica normautilizada para la limpieza de los componentes de refrigeracin es la DIN 8964, la cual seutiliza en varios pases adems de Alemania. Especifica el mximo contenido en solubles,insolubles y otros residuos. Los mtodos para determinar los contenidos de solubles einsolubles estn siendo modificados para el R290, pero en principio los mismos valoresson tiles.

La reparacin y mantenimiento de un sistema con R290 requiere un buen equipo biencalificado y preparado. Ver documento CN.73.C. para ms detalles. Tambin se debentener en cuenta las leyes y regulaciones locales. Debido a la inflamabilidad del gas esnecesario un manejo cuidadoso, lo cual es un riesgo potencial durante el trabajo en elsistema de refrigeracin. Se necesita una buena ventilacin de la habitacin y la descargade la bomba de vaco se debe hacer al aire libre. El equipo del servicio tcnico tiene quecumplir los requisitos del R290 en concepto de calidad de evacuacin y precisin en lacarga de refrigerante. Se recomiendan escalas electrnicas para controlar la carga derefrigerante dentro de las necesidades de precisin.

Danfoss no recomienda la conversin de R22, R502 o R134a a R290, porque estos sistemasno estn preparados para la utilizacin de refrigerantes inflamables, adems los elementosde seguridad elctricos no estn de acuerdo con las normas necesarias.

TS 95006 Refrigerators, food-freezers and ice-makers usingflammable refrigerants, Safety Requirements,Ammendment to IEC 60 335-2-24, CENELEC, July 1995

CN.86.A Driers and Molecular Sieves Desiccants

CN.82.A Evaporators for Refrigerators

CN.73.C Service on Household Refrigerators and Freezerswith New Refrigerants

CN.60.E Practical Application of Refrigerant R 600a Isobutanein Domestic Refrigerator Systems

EN 60335-2-24 Safety of household and similar appliances Part 2:Particular requirements for refrigerators,food freezers and ice-makers

4.3 Realizacin delvaco

4.4 Limpieza de loscomponentes

5 Mantenimiento

Referencias

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