Instalaciones seguras y eficientes. Detección de fugas en refrigeración industrial

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Con el creciente enfoque en la seguridad de los equipos, la detección de fugas de refrigerante se ha vuelto un requerimiento común. Las razones principales son la protección de las personas y el cumplimiento de las regulaciones. Sin embargo, la lista es más larga e incluye reducir los costos por la recarga del químico y por pólizas de seguros, además de evitar pérdidas de eficiencia

Alejandro Figueroa / Imágenes: cortesía de Danfoss

A pesar de que no todos los refrigerantes son considerados tóxicos o inflamables, en espacios cerrados sí tienen la propiedad de desplazar el oxígeno y, por ello, el riesgo potencial de causar asfixia. Desde esta perspectiva, los sistemas de refrigeración deben estar equipados con un dispositivo para detectar fugas.

Antes de elegir el más adecuado, es muy importante tomar en cuenta las propiedades del químico, la ubicación de los equipos y los niveles de detección. Conocer los principios de selección puede, además de garantizar un sistema efectivo, ayudar a simplificar y economizar la instalación.

A continuación, se describen las propiedades del amoniaco (R-717), los riesgos e implicaciones de posibles fugas, las regulaciones y recomendaciones vigentes, así como una descripción de los diferentes métodos y tecnologías utilizadas para la localización de fugas.

Propiedades y riesgos
El amoniaco es el refrigerante más común actualmente en sistemas de refrigeración industrial; su uso con fines industriales comenzó a finales del siglo XIX, y a pesar de haberse visto bajo presión gran parte del siglo XX por el éxito de las sustancias sintéticas, mantuvo su posición en estructuras a gran escala.

Figura 1. Ventajas y riesgos del uso del amoniaco como refrigerante

Es el químico preferido a nivel industrial por sus ventajas frente a otras opciones (Figura 1):

  • Eficiencia energética: rendimientos termodinámicos de un 3-10 por ciento superiores, pero, en configuraciones particulares, puede alcanzar una eficiencia de hasta un 15-20 por ciento superior.
  • Respetuoso con el medioambiente: potencial de reducción de ozono y de calentamiento global nulo, y está clasificado dentro del grupo de refrigerantes naturales.
  • Propiedades de transferencia de calor superiores a los refrigerantes de tipo sintético, por lo cual es posible usar equipos con menor área de transferencia de calor y lograr diseños más compactos.
  • Tuberías con diámetros más pequeños.
  • Menor precio y mayor disponibilidad en la mayoría de los países.

A pesar de las múltiples ventajas mencionadas, hay consideraciones de seguridad que deben tratarse con suma importancia, porque es una sustancia con alta toxicidad que, en altas concentraciones, puede volverse inflamable.

Riesgos
El R-717 es altamente tóxico en bajas concentraciones, sin embargo, tiene la particularidad de tener un fuerte y penetrante olor, lo cual lo hace, en muchos casos, autoalarmante, ya que es detectable al olfato desde las 5 partes por millón (ppm).

Debido a sus propiedades, los peligros que representa una fuga de amoniaco se pueden clasificar en dos tipos: de intoxicación e inflamabilidad.

El primero se define como el límite máximo permisible de exposición a una concentración promedio ponderada en el tiempo (LMPE-PPT/CPT), y representa el máximo promedio para una jornada normal de 8 horas al día y 40 horas a la semana. El valor para el amoniaco es de 25 ppm.

El segundo es el límite máximo permisible de exposición a corto plazo (LMPE-CT/CCT), y representa que no se debe exceder en 15 minutos de permanencia en una jornada de trabajo, hasta 4 veces por jornada y con periodos de abstención de al menos 1 hora entre 2 exposiciones sucesivas. El valor para el R-717 es de 35 ppm.

Figura 2. Límites de exposición al amoniaco / reacciones del cuerpo humano

El tercer nivel es el que se conoce como inmediatamente peligroso para la vida y la salud (IPVS). Puede producir efectos adversos irreversibles para la salud o afectar la capacidad de una persona para escapar de una atmósfera peligrosa. Este valor para el amoniaco es de 300 ppm.

Dependiendo de la concentración a la cual se está expuesto, se pueden esperar diversas reacciones en el cuerpo, empezando por irritación en ojos y nariz a 100 ppm, sensación de asfixia a las 700 ppm y un posible paro respiratorio a las 5000 ppm (Figura 2).

El R-717 requiere condiciones muy particulares para ignicionar y una concentración de al menos 140 mil ppm (14 % vol). A esto se le denomina límite inferior de inflamabilidad (LII), que es la concentración en el ambiente en la cual la mezcla con el oxígeno lo vuelve inflamable.

Figura 3. Riesgo de inflamabilidad del amoniaco

A partir de 280 mil ppm (28 % vol), se le denomina límite superior de inflamabilidad (LSI); y es la concentración en el ambiente en la cual la mezcla no tiene suficiente oxígeno, y deja de ser inflamable (Figura 3).

Regulaciones
Se pueden clasificar, por su origen, en dos tipos distintos. Por un lado, existen estándares nacionales/estatales que reglamentan el uso de sustancias peligrosas y la seguridad en los espacios de trabajo; por otro lado, existen estándares creados específicamente para la seguridad de los sistemas de refrigeración por los institutos/organizaciones de la industria de la refrigeración.

En cuanto a la detección, se establecen los niveles y las acciones en caso de que estos sean alcanzados. Un ejemplo relevante es el estándar ANSI/IIAR 2, el cual dicta lo siguiente para cuartos de máquinas de sistemas de refrigeración con amoniaco:

Se requieren tres niveles de alarma (por debajo o igual a los 25, 150 y 40,000 ppm), y las correspondientes acciones en caso de fugas:

  • A un máximo de 25 ppm: alarma visual y audible dentro del cuarto de máquinas y fuera de cada entrada, alerta a una ubicación monitoreada y detiene la ventilación de no-emergencia (a menos que este diseñada para trabajar con amoniaco).
  • A un máximo de 150 ppm: ventilación de emergencia.
  • A un máximo de 40,000 ppm: desenergizar compresores, bomba de refrigerante y solenoides, normalmente cerradas.

Tecnologías de detección
Existe una amplia cantidad de tecnologías capaces de detectar concentraciones de amoniaco; sin embargo, en aplicaciones de refrigeración industrial existen 3 tipos de sensores que son los más comúnmente utilizados (Figura 4):

  • Electroquímicos. Funcionan con un electrolito que reacciona a la presencia de amoniaco para generar una corriente eléctrica. Cuentan con una alta precisión, inclusive en concentraciones muy bajas ofrecen una rápida respuesta y son muy selectivos. Son ideales para el monitoreo de amoniaco.
  • Pellistores o catalíticos. Operan con un dispositivo que se encuentra a una temperatura elevada y quema el gas objetivo, y dan como resultado un cambio en la resistencia, que es medida y proporcional a la concentración del gas. Son excelentes para monitorear el nivel de inflamabilidad de esta sustancia.
  • Actúan midiendo el cambio en la resistencia de una placa semiconductora que reacciona con el gas objetivo en un proceso de oxidación; la modificación es proporcional a la concentración del gas. Son usados para la detección en niveles por encima de los límites tóxicos, pero que son bajos aún en inflamabilidad. Tienen la desventaja de no ser muy selectivos y pueden ser activados en diferente proporción por otras sustancias.

Figura 4. Tipos de sensores

Recomendaciones
El diseño es sumamente importante por dos razones principales. La primera es que es necesario garantizar que el sistema estará bien planteado en cuanto a distribución y ubicación de los detectores. Esto es para garantizar que, en caso de una fuga, el tiempo de detección y las acciones automatizadas sean las adecuadas para la instalación. La segunda es por economía: es crítico que la selección de los equipos se realice de acuerdo con los requerimientos del establecimiento, lo cual es imprescindible para optimizar la inversión que se hace y obtener el mayor beneficio.

Existen tres consideraciones principales que deben tomarse en cuenta al desarrollar un sistema de detección de fugas: 1) el tipo de equipo necesario, 2) la cantidad de detectores y 3) la ubicación de los mismos.

Los criterios de selección más importantes son los siguientes: el rango de detección (tóxico o inflamable); el rango de temperatura de operación; el grado de protección de ingreso (IP) tanto de polvo como de agua; la interfaz del usuario y visibilidad de los equipos; las necesidades de mantenimiento y el control de las acciones automatizadas (independiente en cada detector o centralizado en el sistema).

En cuando a la ubicación de los detectores, el objetivo es situarlos en el lugar donde es más probable que el R-717 se desplace; esto para garantizar que una fuga no pasará desapercibida y que será notificada en el menor tiempo posible. El amoniaco se encuentra en estado gaseoso a presión atmosférica (1.013 bar) por encima de los -33.5 °C, y es más ligero que el aire, por lo cual tiende a elevarse; dada esta condición, los detectores se deben ubicar en la parte alta de los espacios. El otro factor crítico es el flujo de aire dentro del espacio, ya sea ventilación mecánica o natural, ya que va a definir la dirección que la fuga va a tomar y, por lo tanto, la ubicación óptima del dispositivo.

La cantidad de detectores necesarios está definida por el tamaño de la instalación y la cantidad de equipos que se encuentran en ella; para ello es necesario dividir el proceso en dos tipos: la detección puntual y la detección perimetral. La puntual es el monitoreo de sitios sensibles a fugas, y la cantidad de dispositivos dependerá del número de puntos sensibles que se identifiquen en la instalación. La perimetral es el monitoreo de un área específica que normalmente contiene múltiples equipos de refrigeración y puntos en los que puede ocurrir una fuga; la cantidad de dispositivos en este caso dependerá del área, el flujo de aire y el acomodo de los equipos.

Sistema de refrigeración industrial a base de amoniaco en una lechería de Tizayuca, Hidalgo

Beneficios de contar con un sistema de detección
Lo más importante es, sin duda, la seguridad del personal, la instalación y los productos. El riesgo de intoxicación para el personal puede ser atenuado con el uso de alertas tempranas que permitan tomar acciones antes de que las concentraciones representen un riesgo. Los peligros para las instalaciones y los productos que se procesan/almacenan pueden eliminarse con el uso de acciones automatizadas de reacción ante la detección de diferentes concentraciones, eliminando o limitando el flujo de refrigerante hacia la parte del sistema donde se encuentra presente la fuga.

Adicional al tema de seguridad, con un sistema de detección es posible lograr beneficios económicos. Por un lado, se puede garantizar que la carga del químico se mantiene en el nivel óptimo, que la existencia de una fuga no pasará desapercibida y la carga de refrigerante se mantendrá, porque, en caso contrario, una fuga adiciona el gasto de reemplazar el químico perdido, además de que puede tener impactos en la eficiencia y la correcta operación del sistema al generar paros en la producción y consumos energéticos por encima del valor óptimo. Por otro lado, se reduce el costo de la póliza de seguro de la instalación, porque disminuye el riesgo de un accidente y, con ello, el cálculo de la prima del seguro es menor.
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Alejandro Figueroa
M. en C. en Gestión de Logística, Materiales y Cadena de Suministro, por la Universidad de Sheffield. Es egresado de Ingeniería Industrial en la Universidad Autónoma de Nuevo León. Actualmente, se desempeña como product manager en Danfoss.