EL USO DE ACEITES MINERALES EN SISTEMAS DE REFRIGERACIÓN

Durante muchos años, los sistemas de refrigeración han utilizado aceites minerales. Los resultados han mostrado unas características adecuadas tanto con los refrigerantes HCFC como con los CFC. Los sistemas de refrigeración utilizan aceites lubricantes para lubricar los compresores. Normalmente deben limitarse al cárter del compresor.

Sin embargo, siempre se arrastran pequeñas cantidades de aceite en el refrigerante hacia el circuito (incluso con separadores de aceite o una configuración especial de las tuberías) y migran a través del condensador, la válvula de expansión y el evaporador.

Esta migración de aceite por los diferentes componentes del circuito crea un problema, como ocurre con el aceite en los intercambiadores de calor. Se genera una película en la pared del tubo. La presencia de aceite perjudica la eficacia del mecanismo de transferencia de calor.

• Un aceite lubricante ideal para un sistema de refrigeración tendría las siguientes propiedades:
• Buenas propiedades lubricantes
• Buena miscibilidad y solubilidad a baja temperatura
• Bajo contenido de humedad 
• Buena estabilidad térmica y química (especialmente a altas temperaturas de descarga).

Con el desarrollo de los refrigerantes sin cloro, los aceites minerales convencionales parecían ya no ser adecuados. Esto se debe principalmente a su inmiscibilidad con estos nuevos refrigerantes.

A continuación, se consideró la posibilidad de utilizar aceites sintéticos con los nuevos refrigerantes alternativos. Un aceite de éster de poliol apareció como el lubricante más adecuado, especialmente por su miscibilidad con el hidrofluorocarbono (HFC) y el rango de funcionamiento a baja temperatura.

Los datos disponibles sobre los efectos del uso de mezclas de refrigerante y aceite en el flujo bifásico son limitados. Por lo tanto, es difícil darse cuenta del impacto. De esta manera, el objetivo principal del estudio es comprender el impacto del aceite en la transferencia de calor. 

Regímenes de flujo

Los diferentes regímenes de flujo identificados por los investigadores durante la evaporación en el interior de tubos horizontales incluyen:

• Flujo de burbujas
• Flujo de tapones
• Flujo de pistón
• Flujo ondulado
• Flujo anular
• Flujo de niebla

Una terminología ligeramente diferente caracteriza a veces patrones de flujo similares. Figura 1 de Collier et al. (1994) describe los patrones de flujo observados en la evaporación dentro de un tubo horizontal, incluyendo vistas transversales del flujo.

Mezclas de refrigerante

Kattan et al. (1998) experimentaron con mezclas ternarias como R123, R402A y R404A, mientras que Shin et al. (1997) investigaron mezclas binarias de refrigerantes e hidrocarburos. Murata et al. (1993) obtuvieron los coeficientes locales de transferencia de calor para mezclas de refrigerantes no azeotrópicos (NARM por sus siglas en inglés) con R1231R134a en tubos lisos y ranurados.

Se desarrollaron correlaciones empíricas para el R123 puro y una mezcla de R1231R134a. Torikoshi et al. (1993) investigaron experimentalmente la transferencia de calor de las mezclas de refrigerantes HFC con R32 y R134a. Los coeficientes de transferencia de calor de las mezclas suelen ser inferiores a los de los componentes puros. Existe un sorprendente contraste entre las conclusiones del estudio y los resultados de la investigación experimental antes mencionada.

Hay varias alternativas para los refrigerantes HCFC y CFC. Sin embargo, estas se componen de dos o más elementos. Esta mezcla de refrigerantes alternativos presenta problemas en su uso. Los temas están relacionados con la teoría clásica,

que se centra en la transferencia de calor entre las sustancias puras. Los problemas con la teoría clásica pusieron de manifiesto la necesidad de una nueva investigación que se enfocara en las mezclas de refrigerantes.

Jung et al. (1989) trabajaron con 4 refrigerantes (R22, R114, R12, R152a), así como mezclas de refrigerantes y mezclas de refrigerantes y aceites. Los resultados experimentales, obtenidos para un flujo anular (calidad superior al 5%) con el flujo de masa entre 230 y 720 kg/m2y flujos de calor de 10 a 45 kW/m2.

Se correlacionan con multiplicadores bifásicos y se comparan con las correlaciones existentes. Jung descubrió que la correlación Martinelli-Nelson sobrepasa sus datos experimentales para los refrigerantes puros y mixtos en un 20 %. Y propusieron su propia correlación para correlacionar sus resultados de forma superior.

En su correlación, Jung et al. (1989) definieron un nuevo multiplicador bifásico para tener en cuenta la transferencia de calor durante la ebullición del flujo de una manera más conveniente que el Lockhart-Martinelli que se basa en un flujo adiabático. Jung et al. (1989) mostraron que el gradiente de presión de aceleración representaba menos del 10 % de la caída de presión medida. Decidieron que no era necesario este término de aceleración en la caída de presión total.

 Resultados de minerales de aceite

El uso de aceites minerales dio resultados insatisfactorios con el desarrollo de refrigerantes HFC. También condujo a generar nuevos aceites sintéticos.

Algunos estudios, enumerados en Schlager (1988a), comenzaron a investigar estos nuevos aceites sintéticos a principios de los años 90. La mayoría de ellos estudiaron los efectos del aceite sobre el R134a. Hambraeus (1993) realizó un extenso trabajo sobre los efectos de tres aceites en la transferencia de calor por evaporación y la caída de presión.

Los aceites a base de ésteres, probados con R134a y R152a, tenían viscosidades diferentes, y el contenido de aceite se incrementó hasta un 4 % (en masa). Los coeficientes de transferencia de calor experimentales se compararon con las correlaciones de Pierre y Shah, y se encontró un buen acuerdo para un refrigerante sin aceite. El coeficiente de transferencia de calor para la mezcla de refrigerante y aceite era generalmente inferior al del refrigerante puro.

Hubo casos especiales que mostraron un aumento de la transferencia de calor con el incremento del contenido de aceite. El efecto local del aceite sobre el coeficiente de transferencia de calor fue un aumento en las calidades de vapor bajas y una reducción para las calidades altas. Se encontró un buen acuerdo con los resultados de Wors0e-Schmidt (1960) y Mathur (1976).

La viscosidad del aceite se consideró la propiedad más importante que influye en el coeficiente de transferencia de calor. Los resultados de la caída de presión total concuerdan bien con las correlaciones de Hambraeus (1995), que publicó un resumen interesante de las investigaciones sobre los efectos del aceite en la transferencia de calor por evaporación, mostrando que el aceite podía disminuir o aumentar el coeficiente de dicha transferencia dependiendo de las condiciones de la prueba.

Se presentaron resultados experimentales para el R134a con tres aceites diferentes a base de éster. Investigaron los efectos de las propiedades termodinámicas en la transferencia de calor.

A partir de los experimentos, la disminución del coeficiente de transferencia de calor parece depender de la viscosidad del aceite. La reducción es mayor si se trata de un aceite de alta viscosidad. La disminución del coeficiente de transferencia de calor se estimó bastante bien al incluir la viscosidad de la mezcla en las correlaciones para los refrigerantes puros.

Se presenta aquí un estudio de la caída de presión para completar los efectos del aceite en la evaporación. Souza et al. (1993) ensayaron varios aceites, entre ellos el polialquilenglicol (PAG) y aceites de éster, con R134a con un régimen de flujo predominantemente anular. Se comprobó que la caída de presión aumenta a medida que se incrementa la concentración de aceite. Se ha desarrollado una correlación para predecir la caída de presión bifásica de las mezclas de refrigerante y aceite. Los resultados se correlacionan con el R134a y el R12 con 5 aceites diferentes con una desviación media del 3.3 %.

Efectos del aceite en la transferencia de calor por evaporación 

Los efectos del aceite en la transferencia de calor por evaporación han sido estudiados ampliamente por Hambraeus, 1995). Se investigó en detalle la influencia del aceite en las propiedades físicas y térmicas de las mezclas de refrigerantes, sobre la base de pruebas experimentales con tres aceites sintéticos con R134a. No se desarrollaron correlaciones debido a las grandes variaciones en las condiciones de ensayo. Sin embargo, se presentó un estudio que tenía en cuenta los efectos del petróleo.

Algunos estudios proponen factores de corrección de las correlaciones convencionales de transferencia de calor para predecir los efectos del aceite, pero estas correcciones suelen limitarse a condiciones particulares y no pueden generalizarse. Los factores de corrección han sido desarrollados por Tichy et al. (1986) para R12.

 Efectos del aceite nafténico sobre la caída de presión

Tichy et al., (1986) también investigaron los efectos de un aceite de base nafténica en la caída de presión del R12 durante la evaporación. Los datos se compararon con la relación entre la caída de presión por fricción y la fracción vacía.

La mejor correlación para la caída de presión del refrigerante sin aceite se utilizó para correlacionar las mezclas de aceite/refrigerante.

Para la evaporación, se modificó una correlación Duckler II con el fin de tener en cuenta los efectos del petróleo. La adición de aceite aumentó drásticamente la caída de presión y la caída de presión entre un 63 y un 86 % para la evaporación. Tichy et al. observaron que la presencia de aceite promovía la formación de un flujo anular que aumentaba la transferencia de calor.

En la región de evaporación seca (alta calidad del vapor), el coeficiente de transferencia de calor se redujo. Esto se debe a la formación de una capa rica en aceite. Se han realizado trabajos relativamente limitados sobre los efectos del aceite en la condensación en comparación con la evaporación.

Un resultado general de Schlager et al. (1988a) es que el coeficiente de transferencia de calor de condensación siempre se degrada si hay aceite en el refrigerante.

 Efectos de la calidad del vapor local en la transferencia de calor

Los resultados de Tichy et al. (1985) revelaron que la calidad del vapor local tiene poco impacto en la reducción de la transferencia de calor. Las pruebas experimentales con R12 y un aceite miscible mostraron que las concentraciones de aceite del 2 % y el 5 % dieron lugar a una disminución del 10 % y el 23 % del coeficiente de transferencia de calor. Esta cifra es muy inferior a la de la evaporación.

La comparación de los patrones de flujo observados fue consistente con el estudio de Breber et al. (1980), pero insatisfactorio para los mapas de Soliman (1971). Sus resultados se correlacionaron mediante una extensión de la correlación de Shah (1979) y predijeron el 82 % de los datos con un margen de ±20 %.

Esta correlación es válida para todo el rango de los datos experimentales (94< G <944 kg/m2s, 3.5< q’ <690 kW/m2, 4.8< Pabs <9.3 bar, 0.2< x <0.8), sin depender del patrón de flujo. Pero los autores informaron de que puede no ser tan preciso como uno desarrollado para regímenes de flujo específicos.

La reducción del coeficiente de transferencia de calor local con el aceite se debe probablemente a la alteración de las propiedades de transporte en la capa líquida.

Referencias

Breber G., Palen J.W., Taborek J., 1980. Prediction of horizontal tubeside condensation of pure components using flow regime criteria, ASME Transactions, Journal of Heat Transfer, Vol. 102, pp.471-476.

Collier J.G., Thome J.R., 1994. Convective Boiling and Condensation, tercera edición, Oxford University Press, Oxford.

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Soliman H.M., Azer N.Z., 1971. Flow patterns during condensation inside a horizontal tube, ASHRAE Transactions, Vol. 77, Part 1, pp. 210-224.

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