refrigeración por compresión
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P á g i n a | 2
Francisco Luque Luque
Índice
Análisis de ciclo ideal (pág. 3)
- R134A (pág. 4)
- R717 (pág. 8)
- R410A (pág. 12)
- R404A (pág. 16)
- R290 (pág. 20)
- R22 (pág. 24)
o Comparativa (pág. 28)
o Información y conclusiones (pág. 31)
Análisis del ciclo real (pág. 33)
Simulación de ciclos reales (pág. 35)
Bibliografía (pág. 40)
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Francisco Luque Luque
ANÁLISIS DEL CICLO IDEAL
En este apartado se realizará una comparativa entre diferentes refrigerantes (R134A, R717
(amoníaco), R410A, R404A, R290 (propano), R22). Se estudiarán los aspectos siguientes para
cada refrigerante:
· En función de la temperatura de evaporación:
- Conductividad térmica.
- Viscosidad del líquido.
- Calor de evaporación volumétrico.
- Trabajo de compresión volumétrico.
- COPs (bomba de calor y refrigeración)
· Calor de evaporación volumétrico en función de la presión de evaporación.
Para todos los refrigerantes se supondrá una temperatura de condensación de 40ºC y una
temperatura de condensación variable entre -20 y 15ºC.
Se representará cada refrigerante individualmente y finalmente todos juntos en la misma gráfica
para facilitar la comparación de sus propiedades.
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Francisco Luque Luque
R134A
Donde los parámetros de entrada (T1 y T3) representan, respectivamente, la temperatura de
evaporación y condensación y se obtiene el HCOP para bombas de calor (#4), el CCOP de
refrigeración (#5), calor de condensación, de evaporación y trabajo de compresión (#6, #7, #8),
trabajo de compresión volumétrico y el calor de evaporación volumétrico (#9, #10) y,
finalmente, la conductividad térmica y la viscosidad (#11 y 12) junto a la presión de
evaporización (#13). La columna uno (#1) ha sido omitida porque sólo contiene la cadena de
caracteres del fluido refrigerante (en este caso ‘R134A’). Se extrapola esta explicación para los
próximos fluidos.
Gráfica 1: Conductividad térmica en función de la temperatura de evaporización
-20 -15 -10 -5 0 5 10 150,085
0,09
0,095
0,1
0,105
T [C]
k
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Francisco Luque Luque
Gráfica 2: Viscosidad del fluido en función de la temperatura de evaporización
Gráfica 3: Calor de vaporización volumétrico en función de la temperatura de evaporización
-20 -15 -10 -5 0 5 10 150,0002
0,00025
0,0003
0,00035
T [C]
Vis
cosi
dad
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
T [C]
q
[kj
/m3 ]
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Francisco Luque Luque
Gráfica 4: Calor de vaporización volumétrico en función de la presión de evaporización
Gráfica 5: Trabajo de compresión volumétrico en función de la temperatura de evaporización
100 200 300 400 500500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
P [kPa]
q [
kj/m
3 ]
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15280
300
320
340
360
380
T [C]
W [
kj/m
3 ]
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Francisco Luque Luque
Gráfica 6: HCOP y CCOP para bomba de calor y refrigeración del fluido en función de la temperatura de evaporización
-20 -15 -10 -5 0 5 10 153
4
5
6
7
8
9
10
T [C]
CO
PCOPH
COPC
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Francisco Luque Luque
R717 (amoníaco)
Gráfica 7: Conductividad térmica del fluido en función de la temperatura de evaporización
-20 -15 -10 -5 0 5 10 150,5
0,52
0,54
0,56
0,58
0,6
0,62
0,64
T [C]
k
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Francisco Luque Luque
Gráfica 8: Viscosidad del fluido en función de la temperatura de evaporización
Gráfica 9: Calor de vaporización volumétrico en función de la temperatura de evaporización
-20 -15 -10 -5 0 5 10 150,00014
0,00016
0,00018
0,0002
0,00022
T [C]
Vis
cosi
dad
-20 -15 -10 -5 0 5 10 151000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
T [C]
q
[kj
/m3 ]
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Gráfica 10: Calor de vaporización volumétrico en función de la presión de evaporización
Gráfica 11: Trabajo de compresión volumétrico en función de la temperatura de evaporización
100 200 300 400 500 600 700 8001000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
P [kPa]
q [
kj/m
3 ]
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15500
550
600
650
T [C]
W [
kj/m
3 ]
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Francisco Luque Luque
Gráfica 12: HCOP y CCOP para bomba de calor y refrigeración del fluido en función de la temperatura de evaporización
-20 -15 -10 -5 0 5 10 152
4
6
8
10
12
T [C]
CO
P
COPH
COPC
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Francisco Luque Luque
R410A
Gráfica 13: Conductividad térmica del fluido en función de la temperatura de evaporización
-20 -15 -10 -5 0 5 10 150,09
0,1
0,11
0,12
T [C]
k
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Francisco Luque Luque
Gráfica 14: Viscosidad del fluido en función de la temperatura de evaporización
Gráfica 15: Calor de vaporización volumétrico en función de la temperatura de evaporización
-20 -15 -10 -5 0 5 10 150,00012
0,00014
0,00016
0,00018
0,0002
0,00022
T [C]
Vis
cosi
dad
-20 -15 -10 -5 0 5 10 152000
4000
6000
8000
T [C]
q
[kj
/m3 ]
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Francisco Luque Luque
Gráfica 16: Calor de vaporización volumétrico en función de la presión de evaporización
Gráfica 17: Trabajo de compresión volumétrico en función de la temperatura de evaporización
400 600 800 1000 12002000
4000
6000
8000
P [kPa]
q [
kj/m
3 ]
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15750
800
850
900
950
T [C]
W [
kj/m
3 ]
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Francisco Luque Luque
Gráfica 18: HCOP y CCOP para bomba de calor y refrigeración del fluido en función de la temperatura de evaporización
-20 -15 -10 -5 0 5 10 152
4
6
8
10
12
T [C]
CO
P
COPH
COPC
P á g i n a | 16
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R404A
Gráfica 19: Conductividad térmica del fluido en función de la temperatura de evaporización
-20 -15 -10 -5 0 5 10 150,07
0,072
0,074
0,076
0,078
0,08
0,082
0,084
T [C]
k
P á g i n a | 17
Francisco Luque Luque
Gráfica 20: Viscosidad del fluido en función de la temperatura de evaporización
Gráfica 21: Calor de vaporización volumétrico en función de la temperatura de evaporización
-20 -15 -10 -5 0 5 10 150,00014
0,00016
0,00018
0,0002
0,00022
0,00024
T [C]
Vis
cosi
dad
-20 -15 -10 -5 0 5 10 151000
2000
3000
4000
5000
6000
T [C]
q
[kj
/m3 ]
P á g i n a | 18
Francisco Luque Luque
Gráfica 22: Calor de vaporización volumétrico en función de la presión de evaporización
Gráfica 23: Trabajo de compresión volumétrico en función de la temperatura de evaporización
300 400 500 600 700 800 900 10001000
2000
3000
4000
5000
6000
P [kPa]
q [
kj/m
3 ]
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15540
560
580
600
620
640
660
680
T [C]
W [
kj/m
3 ]
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Francisco Luque Luque
Gráfica 24: HCOP y CCOP para bomba de calor y refrigeración del fluido en función de la temperatura de evaporización
-20 -15 -10 -5 0 5 10 152
4
6
8
10
12
T [C]
CO
P
COPH
COPC
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Francisco Luque Luque
R290 (propano)
Gráfica 25: Conductividad térmica del fluido en función de la temperatura de evaporización
-20 -15 -10 -5 0 5 10 150,1
0,105
0,11
0,115
0,12
T [C]
k
P á g i n a | 21
Francisco Luque Luque
Gráfica 26: Viscosidad del fluido en función de la temperatura de evaporización
Gráfica 27: Calor de vaporización volumétrico en función de la temperatura de evaporización
-20 -15 -10 -5 0 5 10 150,0001
0,00012
0,00014
0,00016
T [C]
Vis
cosi
dad
-20 -15 -10 -5 0 5 10 151000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
T [C]
q
[kj
/m3 ]
P á g i n a | 22
Francisco Luque Luque
Gráfica 28: Calor de vaporización volumétrico en función de la presión de evaporización
Gráfica 29: Trabajo de compresión volumétrico en función de la temperatura de evaporización
200 400 600 8001000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
P [kPa]
q [
kj/m
3 ]
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15440
460
480
500
520
T [C]
W [
kj/m
3 ]
P á g i n a | 23
Francisco Luque Luque
Gráfica 30: HCOP y CCOP para bomba de calor y refrigeración del fluido en función de la temperatura de evaporización
-20 -15 -10 -5 0 5 10 152
4
6
8
10
12
T [C]
CO
P
COPH
COPC
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Francisco Luque Luque
R22
Gráfica 31: Conductividad térmica del fluido en función de la temperatura de evaporización
-20 -15 -10 -5 0 5 10 150,085
0,09
0,095
0,1
0,105
0,11
T [C]
k
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Francisco Luque Luque
Gráfica 32: Viscosidad del fluido en función de la temperatura de evaporización
Gráfica 33: Calor de vaporización volumétrico en función de la temperatura de evaporización
-20 -15 -10 -5 0 5 10 150,00018
0,0002
0,00022
0,00024
0,00026
0,00028
T [C]
Vis
cosi
dad
-20 -15 -10 -5 0 5 10 151000
2000
3000
4000
5000
6000
T [C]
q
[kj
/m3 ]
P á g i n a | 26
Francisco Luque Luque
Gráfica 34: Calor de vaporización volumétrico en función de la presión de evaporización
Gráfica 35: Trabajo de compresión volumétrico en función de la temperatura de evaporización
200 400 600 8001000
2000
3000
4000
5000
6000
P [kPa]
q [
kj/m
3 ]
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15500
520
540
560
580
600
T [C]
W [
kj/m
3 ]
P á g i n a | 27
Francisco Luque Luque
Gráfica 36: HCOP y CCOP para bomba de calor y refrigeración del fluido en función de la temperatura de evaporización
-20 -15 -10 -5 0 5 10 152
4
6
8
10
12
T [C]
CO
P
COPH
COPC
P á g i n a | 28
Francisco Luque Luque
COMPARATIVA
Gráfica 37: Conductividad térmica del fluido en función de la temperatura de evaporización. El amoníaco ha sido
eliminado, ya que su inclusión no haría posible la visualización del resto correctamente.
Gráfica 38: Viscosidad del fluido en función de la temperatura de evaporización
-20 -15 -10 -5 0 5 10 150,07
0,08
0,09
0,1
0,11
0,12
T [C]
k
R22R134A
Amoníaco: Muy alta conductividad (eliminado)
R410A
R404A
Propano
-20 -15 -10 -5 0 5 10 150,0001
0,00015
0,0002
0,00025
0,0003
0,00035
T [C]
Vis
cosi
dad
R22R134A
Amoníaco
R410A
Propano
R404A
P á g i n a | 29
Francisco Luque Luque
Gráfica 39: Calor de vaporización volumétrico en función de la temperatura de evaporización
Gráfica 40: Calor de vaporización volumétrico en función de la presión de evaporización
-20 -15 -10 -5 0 5 10 150
2000
4000
6000
8000
T [C]
q
[kj
/m3 ]
R22R134A
Amoníaco
R410A
Propano
R404A
200 400 600 800 1000 1200
2000
4000
6000
8000
P [kPa]
q [
kj/m
3 ] R22
R134A
Amoníaco
R410A
Propano
R404A
P á g i n a | 30
Francisco Luque Luque
Gráfica 41: Trabajo de compresión volumétrico en función de la temperatura de evaporización
Gráfica 42: HCOP y CCOP para bomba de calor y refrigeración del fluido en función de la temperatura de evaporización.
El HCOP para R22 y para R134A coincide.
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15200
400
600
800
1000
T [C]
W [
kj/m
3 ]
R22
R134A
Amoníaco
R410A
Propano
R404A
-20 -15 -10 -5 0 5 10 152
4
6
8
10
12
T [C]
CO
P
COPH
COPC
R22
R134A
Amoníaco
R410A
Propano
R404A
COPH
COPC
COPH
COPCCOPH
COPCCOPH
COPC
COPH
COPC
P á g i n a | 31
Francisco Luque Luque
Gráfica 43: Comparativa de CCOP para los diferentes refrigerantes considerados
INFORMACIÓN y CONCLUSIONES
El refrigerante R134A es respetuoso con el medio ambiente. No es ni ignifugo, explosivo,
tóxico, irritante ni corrosivo. Su ODP (potencial de agotamiento del ozono) es cero, no
causando ningún daño a la capa de ozono, debido a que es un HFC (hidrofluorocarburo),
compuesto de hidrógeno flúor y carbono. Éstos, al estar libres de cloro, son inofensivos
a la capa de ozono, al contrario que los CFC (clorofluorocarbonos), prohibidos en la
actualidad. El mecanismo a través del cual éstos atacan a la mencionada capa se debe a
una reacción fotoquímica: al incidir la luz ultravioleta sobre la molécula CFC se libera un
átomo de cloro con un electrón libre (radical libre) fuertemente reactivo y con gran
afinidad por el ozono, rompiendo la molécula de éste último.
El CFC R-12 se ha visto sustituido por el HFC R134, con un costo más elevado de
refrigerante pero a su vez con un ahorro de energía. Otro HFC es el R410A, pero ofrece
un alto GWP (de 1725 comparado con el dióxido de carbono. El GWP (global-warming
potential) es una medida relativa de cuánto calor puede ser atrapado por un
determinado gas de efecto invernadero en comparación con un gas de referencia
(normalmente CO2), y es una índice a tener en cuenta a la hora de unas sustancias por
-20 -15 -10 -5 0 5 10 152
4
6
8
10
12
T [C]
CO
P
R22
R134A
Amoníaco
R410A
Propano
R404A
P á g i n a | 32
Francisco Luque Luque
otras. Como la permanencia de una sustancia en la atmósfera depende del transcurso
del tiempo y de su propia composición, éste índice es calculado para diferentes
intervalos (a 20, 100 y 500 años por ejemplo). El HFC-143A aún posee un GWP mayor
aún, siendo a 20 años de 3400, y de 1300 a 100 años.
Mientras que el R134A es usado en la refrigeración para automóviles, el 410A encuentra
más aplicación en aire acondicionado a baja y media potencia. También posee un buen
HCOP que lo convierte en buen candidato para bombas de calor reversibles. No es tóxico
ni inflamable en caso de fugas, pero trabaja a mayor presión que otros refrigerantes (se
puede observar claramente en la gráfica 40), por lo que no es usado como sustitutivo,
sino en máquinas diseñadas desde un principio para su uso. Su utilización en aires
acondicionados concuerda con las gráficas; en la número 39 se observa que tiene una
gran capacidad calorífica de enfriamiento respecto a su volumen a temperaturas de
evaporización cercanas a las que se alcanzan en estos equipos. Anteriormente a este
refrigerante en aires acondicionados, era utilizado el R22, prohibido actualmente por
ser un CFC. Aunque éste tiene mejor rendimiento (gráfica 43), el 410A también presenta
ventajas, como la anteriormente comentada (menor volumen de refrigerante necesario)
una leve conductividad térmica mayor (gráfica 37) y una viscosidad menor (gráfica 38).
Por otro lado se encuentra el amoníaco, con ODP = GWP = 0, pero dañino para el
organismo del ser humano y explosivo si está en una concentración alrededor del 20%
en aire y con disponibilidad de fuego abierto. De acuerdo con las propiedades
termodinámicas, es uno de los mejores refrigerantes, y su elevada conductividad
térmica permite usar tuberías de diámetro inferior. Es un refrigerante de bajo costo y
muy usado en sistemas de refrigeración con gran capacidad de enfriamiento.
El propano es un refrigerante de bajo costo, cuenta con un ODP=0 y un GWP=3, cifras
bastante buenas además de no ser tóxico. Como desventajas presenta inflamabilidad y
que necesita de compresores un poco mayores, por esto su uso se limita a instalaciones
industriales aunque se están realizando esfuerzos para demostrar que puede ser seguro
en aplicaciones domésticas. Como propiedades termodinámicas destacan su
conductividad térmica frente a la de los otros refrigerantes analizados y su baja
viscosidad (gráficas 37 y 38), y en cuanto a propiedades físicas destaca su alta
miscibilidad con la mayoría de lubricantes (no siendo recomendada la utilización de
aquellos basados en silicona o silicatos).
P á g i n a | 33
Francisco Luque Luque
ANÁLISIS DEL CICLO REAL (laboratorio)
En la práctica se realizó la medición para el refrigerante R134A. Se calcula la potencia de
condensación a partir del balance energético en el condensador, siendo T5 la temperatura de
entrada del agua y T6 la temperatura de salida de la misma.
Conociendo éste y la entalpía de entrada (h2) y salida (h3) del mismo, se puede estimar el
caudal másico de refrigerante
Y así obtener la energía de enfriamiento del ciclo, calculando la potencia del evaporador
La eficiencia de la compresión se estudia como una relación entre el proceso ideal (con la
entalpía del fluido al ser comprimido isoentrópicamente) y el real. Como en nuestro caso se
tiene un compresor hermético, el cual posee procesos de recalentamiento y enfriamiento
internos, la eficiencia de compresión se calcula como
Que como la potencia eléctrica fue medida en vatios, incluye el factor de conversión a kW.
Con esto podemos estimar el recalentamiento de los gases. Teniendo en cuenta que las pérdidas
de energía se transforman en calor
Se puede despejar la potencia eléctrica del HCOP para sustituirla en la fórmula anterior, así
como la potencia de las pérdidas
Siendo el punto dos antes de la entrada del condensador y el tres a la salida. Se obtendría:
Por tanto se puede calcular la entalpía del fluido recalentado y, con ésta, su temperatura que
restándola a la inicial (en el punto 1) daría la temperatura de recalentamiento:
η total;iso = m ref r · h iso;2 – h1
welect · 0,001 · kW
W
Trecalentamiento = Trecalentado – T1h recal = h1 + +hperdidas
P á g i n a | 34
Francisco Luque Luque
Los resultados obtenidos son:
Gráfica 44: Propiedades del refrigerante R134A y representación del ciclo medido en el laboratorio
Gráfica 45: Temperaturas y presión medidas en cada punto junto a las entalpías y entropías calculadas
HCOP=5,295 CCOP=4,412
Pérdidas de entalpía =11,5 [kJ/kg]
Eficiencia =0,7095
h_recal=268,6 [kJ/kg]
Caudal másico de refrigerante =0,00147 [kg/s]
Potencia de condensación =0,3082 [kJ/s] Potencia de evaporación=0,2568 [kJ/s]
Temperatura del gas recalentado =18,58 [C]
Temperatura de recalentamiento =13,34 [C]
-100 0 100 200 300 400 500101
102
103
104
105
h [kJ/kg]
P [
kPa]
70°C
40°C
12,7°C
-7,8°C
0,2 0,4 0,6 0,8
0,9
1
1,1
1,2
1
,3 kJ
/kg-
K
R134a
P á g i n a | 35
Francisco Luque Luque
SIMULACIÓN DE CICLOS REALES
Se va a realizar una simulación para evaluar diferentes aspectos de un ciclo como son las
potencias caloríficas en condensador y evaporador así como la eléctrica consumida y los
CCOP/HCOP a partir de la eficiencia isoentrópica de un compresor y su rendimiento volumétrico.
Para ello se utilizará la ecuación propuesta por Pierre en 1982 de la eficiencia volumétrica
Donde
Y mediante la siguiente relación propuesta se obtendrá la eficiencia isoentrópica
Conociendo el caudal teórico del refrigerante, se puede calcular el caudal másico
Y el resto de parámetros a estudiar
ηv ol = k1 · 1 + ks · ∆Trecal – 18
100 · exp k2 ·
Pcond
Pev ap
ηv ol
η iso = 1 + ke ·
∆Trecal – 18
100 · exp a ·
Tcond + 273,15
Tev ap + 273,15 + b
m ref r = ηv ol · ρ1 · Vteorico
Wreal = ηv ol
η iso · ρ1 · Vteorico · ( h2 – h1 )
Qev ap = m ref r · ( h1 – h4 )
Qcond = m ref r · ( h2 – h3 )
COP ref r = Qev ap
Wreal
COPbomba = Qcond
Wreal
P á g i n a | 36
Francisco Luque Luque
Para todos los fluidos se considerarán las mismas condiciones: un caudal teórico de 1 L/s, un
subenfriamiento de 5ºC, un recalentamiento de 8ºC, temperatura de condensación constante
de 40ºC y de evaporación variable entre -20 y 15ºC.
R717 (amoníaco)
R22
R134A
R410A
R404A
R290 (propano)
P á g i n a | 37
Francisco Luque Luque
COMPARATIVA
Gráfica 46: Variación del HCOP en función de la temperatura de evaporación [ºC] para los distintos refrigerantes
Gráfica 47: Variación del consumo eléctrico [kW] en función de la temperatura de evaporación [ºC]
-20 -15 -10 -5 0 5 10 152
3
4
5
6
7
8
Tevap
CO
Pre
fr
AmoníacoAmoníacoR22R22R134AR134AR410AR410AR404AR404APropanoPropano
-20 -15 -10 -5 0 5 10 150,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
Tevap
Wre
al
AmoníacoAmoníacoR22R22R134AR134AR410AR410AR404AR404APropanoPropano
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Francisco Luque Luque
Gráfica 48: Variación de la potencia de condensación [kW] en función de la temperatura de evaporación [ºC]
Gráfica 49: Variación de la potencia de enfriamiento [kW] en función de la temperatura de evaporación [ºC]
-20 -15 -10 -5 0 5 10 150
2
4
6
8
10
Tevap
Qco
nd
AmoníacoAmoníacoR22R22R134AR134A
R404AR404AR410AR410A
PropanoPropano
-20 -15 -10 -5 0 5 10 150
2
4
6
8
Tevap
Qev
ap
AmoníacoAmoníacoR22R22R134AR134AR410AR410AR404AR404APropanoPropano
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Francisco Luque Luque
Como era de esperar tras el análisis teórico de los ciclos de refrigeración, el fluido que
obtiene mayor potencia de enfriamiento, o potencia de evaporización, es el R410A,
aunque ésta va acompañada de un gran consumo eléctrico que actúa
desfavorablemente a la hora del cálculo del CCOP para el mismo.
Respecto a coeficientes de enfriamiento, el amoniaco no se comporta tan
adecuadamente como lo hacía teóricamente, ganando el propano mucha fuerza como
refrigerante en este aspecto pues es el más eficiente en bajas temperaturas de
evaporación (-20ºC) y no se queda muy atrás respecto al R717 en las altas (15ºC). Su
comportamiento es muy parecido al prohibido R22 pues prácticamente se superponen
en la gráfica 46.
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Francisco Luque Luque
BIBLIOGRAFÍA
Propiedades R134A:
http://www.lyrefrigerant.es/1-r134a-refrigerant-1.html
Efecto invernadero, CFCs y HCFs:
http://www.mundohvacr.com.mx/mundo/2007/02/refrigerantes-sustitutos-al-r-12-un-
panorama-global-ante-el-cambio-climatico-2/
GWP:
http://es.wikipedia.org/wiki/%C3%8Dndice_GWP
http://www.grida.no/publications/other/ipcc_tar/?src=/climate/ipcc_tar/wg1/248.htm
http://unfccc.int/ghg_data/items/3825.php
R22:
http://www.elaireacondicionado.com/sustitucion_r22/
http://es.wikipedia.org/wiki/R22
R410A:
http://es.wikipedia.org/wiki/R-410A
Refrigerantes en general:
http://cienbas.galeon.com/02un_componente.htm
Propano:
http://www.gas-servei.com/images/Ficha-tecnica-R290.pdf
Temperatura de evaporación para aire acondicionado:
http://frionline.net/foro/salon-de-debates/3298-Cual-es-la-mejor-presi%C3%B3n-de-
evaporaci%C3%B3n-en-aire-acondicionado.html