Sustitutos al gas refrigerante R134a en bombas de calor y enfriadoras: HFO-1234ze(E) y R-515B como refrigerantes alternativos

Teniendo en cuenta que un porcentaje de la carga de refrigerante fuga a la atmósfera, multiplicado por todos los sistemas que utilizan dicho refrigerante, la cantidad de emisiones de HFCs a la atmósfera empieza a ser significativa. Por ello, es necesario encontrar refrigerantes alternativos que tenga un PCA menor que el HFC-134a y similares propiedades termodinámicas, con el fin de poder realizar sustituciones directas o bien nuevos diseños con pequeñas modificaciones. Dependiendo de la aplicación a la que se destine el sistema, será conveniente la utilización de diferentes refrigerantes que se adapten lo mejor posible. Así pues, para aplicaciones de bomba de calor y enfriadoras, se ha observado que el HFO-1234ze(E) y la reciente mezcla R-515B, resultan ser potenciales alternativas al HFC-134a.

Ambas alternativas poseen prácticamente las mismas propiedades termodinámicas, puesto que la mezcla R-515B utiliza cómo base el HFO-1234ze(E) (91.1%) junto al R227ea (8.9%), obteniendo así una mezcla azeotrópica. Aunque pueda parecer que el porcentaje de R227ea es muy pequeño en comparación con el HFO-1234ze(E), es ahí dónde reside la gran diferencia entre ambas alternativas. El HFO-1234ze(E) menor que 1, sin embargo, es clasificado como A2L, siguiendo el criterio de la American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE). Esto significa que el refrigerante es considerado poco inflamable y con baja toxicidad. Por otra parte, la mezcla R-515B posee un PCA de 300, alrededor de un 80% menos que el HFC-134a, pero en este caso, obtiene una clasificación A1, siendo considerada como no inflamable y de baja toxicidad. Es aquí dónde reside la gran diferencia entra ambas alternativas.

La mezcla R-515B presenta una notable reducción medioambiental frente al HFC-134a, continuando, siendo considerada como no mezcla no inflamable. Esto supone una notable ventaja para el diseño de nuevos sistemas de refrigeración, enfriadoras y bombas de calor ya que pueden utilizar el R-515B en aplicaciones donde se requiera un refrigerante no inflamable y en el futuro se podrá realizar una sustitución directa con el HFO-1234ze(E), para cumplir con la regulación europea y poder ir adaptando el sistema o el entorno con refrigerantes de baja inflamabilidad A2L. Es por ello, que los principales fabricantes de enfriadoras están apostando por el R-515B para sus nuevos diseños, por las ventajas de no inflamabilidad de sus productos y la posibilidad de sustituirlo directamente por el HFO-1234ze(E) en un futuro, sin necesidad de realizad ninguna modificación y obteniendo la misma eficiencia para la que se diseñó con el R-515B, sin prácticamente variar capacidad frigorífica o el COP.

Sin embargo, estos refrigerantes y en especial la nueva mezcla R-515B, no han sido estudiados en profundidad para bomba de calor en este caso. Es por ello, que el presente artículo va a dar unas pinceladas de las principales diferencias de estos dos refrigerantes frente al HFC-134a, utilizando tanto software de modelado y simulación, como resultados experimentales realizados en la Universitat Jaume I de Castellón por el grupo de investigación ISTENER.

Como se puede observar en la figura que viene a continuación, se muestran los diagramas termodinámicos de los dos refrigerantes alternativos, junto al de referencia HFC-134a. Como observaciones, para producir en las mismas condiciones que el HFC-134a, las dos alternativas operarán con una presión de condensación y evaporación más baja, pudiendo así extender el rango de operación con estas potenciales alternativas. Además, la temperatura crítica de ambas es superior a la del HFC-134a, resultando ventajoso para aplicaciones de bomba de calor, llegando incluso a una temperatura de producción de hasta 90 °C, con un ciclo simple de compresión. 

Una vez observadas las diferentes propiedades termodinámicas y características de los refrigerantes, ha llegado el momento de mostrar los resultados experimentales que se han obtenido en el laboratorio del grupo ISTENER de la Universitat Jaume I de Castellón. Este grupo está dirigido por el catedrático en máquinas y motores térmicos Dr. Joaquín Navarro-Esbrí. En esta investigación han participado los investigadores Dr. Carlos Mateu-Royo, Dr. Adrián Mota-Babiloni y Dr. Ángel Barragán-Cervera.

Para llevar a cabo este estudio experimental, se realizaron diferentes ensayos automatizados utilizando en primer lugar el refrigerante HFC-134a y posteriormente sustituyendo directamente dicho refrigerante por el HFO-1234ze(E) y R-515B, sin realizar ninguna modificación en el sistema, para observar las diferencias. Además, las dos alternativas permitieron a mayores temperaturas de condensación, obteniendo hasta 90 °C de producción de agua caliente, para una temperatura de condensación de 85 °C, aprovechando la transmisión de calor tanto sensible como latente que ofrecen estos refrigerantes a altas temperaturas de descarga. Gracias a la utilización del intercambiador intermedio en el sistema, se consiguió el suficiente recalentamiento para obtener una mayor temperatura de producción con una mayor eficiencia.

En las siguientes figuras se puede observar los principales resultados experimentales que se han obtenido de la investigación descrita. Se puede observar que las dos alternativas tienen una disminución de la capacidad calorífica alrededor de un 25% menor con respecto al fluido de referencia HFC-134a. Sin embargo, el COP resulta muy similar o incluso superior en ciertos puntos de operación y con ello de la aplicación donde se pretenda su utilización. La utilización de estos refrigerantes alternativos junto a la recuperación de calor convierten a la bomba de calor en una potencial herramienta para la lucha contra el cambio climático y conseguir así, mejorar la sostenibilidad ambiental sin renunciar al confort.

Para concluir, se ha observado que es necesario remplazar el HFC-134a dado que las fugas de este refrigerante son perjudiciales para el medio ambiente, agravando la problemática del cambio climático y calentamiento global. Por ese motivo, se han planteado el HFO-1234ze€ y R-515B como dos potenciales alternativos para aplicaciones de bomba de calor, enfriadoras y refrigeración dado su bajo Poder de Calentamiento Global y, sobre todo, la versatilidad en cuanto a su clasificación, especialmente el R-515B, al ser considerado como no inflamable. Al poseer similares propiedades termodinámicas que el HFC-134a, resultan de especial interés para aplicaciones que actualmente emplean este refrigerante. 

Sin embargo, el HFO-1234ze(E) y R-515B muestran una reducción de su capacidad térmica alrededor de un 25%, que podría llegar a ser un problema en ciertas aplicaciones de sustitución directa, aunque se podría compensar con la utilización de un variador de frecuencia que aumente la velocidad de giro del compresor, igualando así la capacidad térmica requerida en la aplicación. Finalmente, estas dos alternativas resultan de especial interés para nuevos diseños de bombas de calor y enfriadoras, ya que su diseño con R-515B podrá ser utilizado en todas las aplicaciones al ser un refrigerante no inflamable. Además, si las medidas medioambientales restringen la utilización del R-515B por su PCA de 300, se podrá realizar una sustitución directa con el HFO-1234ze(E) sin perder capacidad térmica ni eficiencia, siendo así el R-515B el perfecto puente de transición a los refrigerantes de bajo PCA pero con una baja inflamabilidad.

Si queréis más información sobre los estudios realizados con estos novedosos refrigerantes, podéis consultar los siguientes artículos:

Adrián Mota-Babiloni, Carlos Mateu-Royo, Joaquín Navarro-Esbrí, Ángel Barragán-Cervera. Experimental comparison of HFO-1234ze(E) and R-515B to replace HFC-134a in heat pump water heaters and moderately high temperature heat pumps. Applied Thermal Engineering, Volume 196 (2021)

Carlos Mateu-Royo, Adrián Mota-Babiloni, Joaquín Navarro-Esbrí, Ángel Barragán-Cervera,. Comparative analysis of HFO-1234ze(E) and R-515B as low GWP alternatives to HFC-134a in moderately high temperature heat pumps. International Journal of Refrigeration,Volume 124, (2021)