1- Introdução

Os hidroclorofluorcarbonos (HCFCs) são compostos químicos utilizados principalmente em equipamentos de ar-condicionado e refrigeração, no entanto, podem ser milhares de vezes mais poluentes que o CO2, contribuindo fortemente para a mudança climática, sendo gases causadores de efeito estufa. Além de serem fluidos refrigerante com ODP positivo, ou seja, são substâncias que influenciam diretamente na destruição da camada de ozônio. Assim, algumas medidas foram tomadas nos últimos anos na tentativa de restringir o uso de refrigerantes clorados, além da instituição de novas regras que limitam o uso de fluidos de alto GWP.

Com relação às medidas tomadas no Brasil a respeito desse fluido, o Programa Brasileiro de Eliminação dos HCFCs – PBH, que contempla a estratégia de controle, redução e eliminação dessas substâncias foi criado a partir da decisão tomada no Protocolo de Montreal de eliminar a produção e consumo dos hidroclorofluorcarbonos (HCFCs), na qual os Estados Partes do Protocolo de Montreal estabeleceram um novo cronograma que se inicia com o congelamento do consumo em 2013, seguido por uma redução escalonada até a eliminação completa em 2040. Entre os HCFCs mais afetados nesse processo, o fluido refrigerante R-22 (GWP = 1760) (Intergovernmental Panel on Climate Change, 2014)[1], por ser atualmente o refrigerante mais utilizado nos sistemas de refrigeração dos países em desenvolvimento, é um dos principais alvos para a substituição.

Além disso, devido ao último acordo sobre a eliminação dos HFCs, a partir da aprovação de uma emenda (Emenda de Kigali) que inclui os HFCs na lista de substâncias controladas pelo Protocolo de Montreal (UNEP, 2016), o preço desses fluidos refrigerantes, assim como dos HCFCs, vem crescendo de maneira gradativa. Isso ajuda a aumentar o interesse pela substituição dos HCFCs, como o R-22, porém, cria mais uma barreira, já que os HFCs também estão sendo controlados devido ao fato de também possuírem, em sua grande maioria, alto GWP, em alguns casos maiores até que dos próprios HCFCs.

Nessa condições, o objetivo deste estudo de caso foi projetar e otimizar um refrigerador de chope para trabalhar com o fluido refrigerante R-290 propano), reduzindo drasticamente a carga de fluido. E, assim, comparar o desempenho dos refrigerantes R-22 e R-290, além de avaliar o impacto ambiental com base no TEWI (Total Equivalent Warming Impact).

  1. Funcionamento do resfriador de chope

 Dentro das principais caraterísticas construtivas do equipamento, encontrou-se que o processo de compressão se dá por intermédio  de um compressor hermético alternativo; o processo de condensação é realizado em um trocador de calor de fluxo cruzado; a expansão do fluido refrigerante é realizada por um tubo capilar; o processo de evaporação ocorre em um evaporador do tipo inundado, no caso do sistema operando com o fluido refrigerante R-22. No entando, esse tipo de evaporador demanda uma grande quantidade de fluido refrigerante na fase líquida, o que deve ser evitado quando se opera com fluido refrigerante inflamável. Desta forma, o evaporador do resfriador de líquido foi alterado para que a carga de refrigerante ficasse abaixo do limite permitido na legislação.

O condensador utilizado no resfriador projetado para operar com R-22 é um trocador de calor tubo-aletado, enquanto no sistema para propano foi utilizado um condensador de microcanal.

Com relação às condições de teste para ambos os refriadores testados, tanto o com R-22 quanto o com R-290, a temperatura ambiente foi controlada por uma câmera fria, mantendo-se em 24 ± 2 °C. Assim como, a temperatura de entrada do líquido a ser resfriado, que foi de 24,0 ± 0,5 °C. Além da exigência que a temperatura de saída do chope deve estar dentro da faixa, entre -2 °C e 3 °C, já que abaixo dela há o risco de congelamento do chope.

2.1 Resfriador de chope com R-22

O resfriador de chope projetado para operar com o R-22 possui evaporador do tipo inundado que é constituído por um vaso de pressão, isolado termicamente, que contém fluido refrigerante no estado líquido (alta pressão e baixa temperatura). Devido ao tipo de evaporador, esse componente opera com uma grande quantidade de líquido, consequentemente uma grande quantidade de fluido refrigerante. Para o funcionamento desse tipo de evaporador as serpentinas devem estar inmersas dentro do fluido refrigerante. Esse contato permite que o chope permaneça dentro da faixa de temperatura desejada enquanto o sistema de refrigeração não está em funcionamento (funcionamento intermitente), já que nessa configuração o trocador de calor opera com elevados coeficientes de transferência de calor, e funciona como reservatório de energia, devido às propriedades termofísicas do fluido refrigerante. Esse modelo inicial do resfriador de chope opera com 4,5 kg de R-22, o que é uma grande desvatagem. Visto que, além do iminente aumento de custo, tamanha carga de fluido refrigerante incrementa os impactos ambientais do resfriador.

2.2 Resfriador de chope com R-290

Caso fosse utilizado o mesmo trocador de calor do sistema para R-22, a carga inicial de fluido refrigerante estimada para o resfriador de R-290 seria próxima de 2 kg, utilizando um fator de ajuste que relaciona a carga de R-290 com a de R-22, para uma dada aplicação, de 0,41 (GTZ/Proklima, 2007; MMA,2015). Logo, foi desenvolvido outro trocador de calor para atuar como evaporador do resfriador de chope com propano com objetivo de atender a carga limite permitida pelas normas de segurança.

Desta forma, os testes foram realizados com o fluido refrigerante R-290 em um resfriador com evaporador seco que atua em expansão indireta, no intuito de manter, ou aprimorar, a eficiência do sistema reduzindo significativamente a carga de fluido. Esse novo trocador de calor que atua no sistema como evaporador seco foi projetado para minimizar a carga de fluido refrigerante do refrigerador de chope com nova tecnologia desenvolvida em parceria entre a Universidade Federal de Uberlândia e a empresa de chopeiras Memo.

O trocador de calor desenvolvido para atuar como evaporador do sistema opera de modo otimizado, proporcionando elevada troca de calor, fazendo com que seja possível a redução significativa da carga de fluido refrigerante. Com esse novo projeto, torna-se possível a utilização de 150 gramas de propano, para operação em chopeiras com capacidade de refrigeração de 70 l/h.

A fim de obter todas as informações possíveis e assim permitir a caraterização do sistema de refrigeração em análise, foi desenvolvido um aparelho experimental que permitiu a medição das principais variáveis de operação do sistema (temperatura, pressão, vazão mássica etc.), ver Fig. 1. Foi utilizado uma mistura de água com álcool para simular o resfriamento da cerveja, por possuir propriedades termofísicas similares.

Figura 1. Desenho esquemático da bancada experimental utilizada.

Os ensaios foram realizados na condição de regime transiente, para tentar simular da maneira mais próxima da realidade o funcionamento de um resfriador de chope em um estabelecimento em que o produto é consumido com frequência. Logo, foi elaborado um sistema no qual o teste é realizado em 10 ciclos de maneira que são preenchidos 10 copos de 300 ml por ciclo. Cada ciclo é dividido em duas etapas, (1) a de enchimento, ou seja, na qual uma das torneiras se encontra aberta no tempo necessário para encher um copo, (2) e a de espera, que se inicia com o fechamento da torneira e é finalizado com a abertura da outra.

No sistema operando com R-22, a etapa de enchimento teve duração de 12 segundos e o tempo de espera foi de 3 segundos. Já para o teste com o fluido refrigerante R-290, a etapa de enchimento foi definida com a duração de 9 segundos, enquanto o de espera foi de 6 segundos.

Assim, descrito os ciclos de abertura das válvulas para o teste em regime transiente, é possível realizar o cálculo da vazão volumétrica de líquido por abertura de torneira através  do tempo necessário para encher um copo, especificado na Eq. 1, além do cálculo da vazão volumétrica programada para cada ciclo, em que o tempo considerado passa a ser a soma do tempo de enchimento e de espera, tal como apresentado na Eq. 2.

Ambas as vazões são calculadas para l/h, sendo ‘’ o tempo de enchimento para preencher um copo de 300 ml e ‘’ o tempo de espera entre o fechamento de uma das torneiras e abertura da outra.

Desta forma, o resfriador operando com o fluido refrigerante R-22 possibilitou uma vazão volumétrica de líquido para cada abertura de torneira de 90 l/h, enquanto, considerando com mesmo parâmetro, o resfriador com propano permitiu vazão de 120 l/h. Ao passo que a vazão volumétrica programada para cada ciclo foi igual para ambas as configurações de resfriadores de líquido, sendo igual a 72 l/h.

  1. Resultados

 A seguir são apresentados os dados experimentais do desempenho dos resfriadores trabalhando com R-22 e com R-290, considerando que ambas as configurações foram capazes de atingir a vazão volumétrica desejada de líquido resfriado no processo (72 l/h).

3.1 Resfriador de chope com R-22

Inicialmente, serão exibidos os dados obtidos para o resfriador de chope de R-22. Na Fig. 2 são apresentadas as temperaturas de entrada da mistura água/álcool, além dos instantes de abertura das duas torneiras. Enquanto a Fig. 3 aponta as temperaturas de saída do líquido resfriado adquiridas pelos sensores presentes nas duas torneiras; nela é possível observar que em todos os ciclos que a temperatura de saída atingiu temperaturas negativas, porém sem o risco de congelamento, e à medida que mais copos eram preenchidos no ciclo, a temperatura aumentou, mas não o bastante para ultrapassar o limite imposto de 3 °C.

Figura 2. Temperatura de entrada da água no resfriador de chope operando com R-22.

Figura 3. Temperatura de saída da água no resfriador de chope operando com R-22.

As temperaturas do R-22 na sucção e descarga do compressor são apresentadas na Fig. 4. As curvas indicam os instantes em que o compressor foi acionado e desligado (pelos pontos de inflexão), devido ao regime intermitente ensaiado. Além disso, é possível notar que a temperatura de sucção do fluido refrigerante não atingiu valores negativos, o que indica um pequeno diferencial de temperatura entre o R-22 e o chope. Já a temperatura de descarga atingiu valores elevados, ultrapassando 100 °C nos últimos ciclos. Assim, como mencionado por Uselton e Crawford (2015), torna-se importante considerar a temperatura de descarga do compressor no projeto de um sistema de refrigeração, principalmente em locais com temperaturas ambientes elevadas.

A Fig. 5 exibe as pressões de evaporação (pressão de baixa) e de condensação (pressão de alta) do R-22 ao longo de todo o teste. Assim, é possível identificar pelo instante em que a curva volta a subir o momento em que o compressor foi acionado. A pressão de evaporação permaneceu entre 3 e 4 bar, enquanto a pressão de condensação entre 11 e 15 bar.

Figura 4. Temperaturas de sucção e de descarga do fluido refrigerante R-22 no compressor.

Figura 5. Pressões de evaporação e de condensação do fluido refrigerante R-22.

A Fig. 6 apresenta a potência ativa e a corrente do compressor durante o teste. Nela, é possível observar que a potência média foi de aproximadamente 1560 W durante todo o teste, enquanto os valores aproximados para a corrente média e máxima foram de 7 A e 14 A, respectivamente.

Figura 6. Potência ativa e corrente gerada pelo compressor durante o teste do resfriador de chope operando com R-22.

3.2 Resfriador de chope com R-290

Uma vez realizado o processo de substituição do R-22, utilizando o R-290, o desempenho e a capacidade de refrigeração podem ser comparáveis com as do R-22. No entanto, conforme mencionado anteriormente, a carga de fluido refrigerante torna-se um fator importante para a utilização de fluidos inflamáveis, classificação A3, devido às limitações impostas pelas normas de segurança (IEC 60335-2-89:2010), de até 0,15 kg. A seguir serão apresentados os resultados para o resfriador de chope com R-290, evidenciando que apesar da carga de fluido refrigerante 30 vezes inferior ao sistema com R-22, as temperaturas de saída do chope foram muito similares.

A Fig. 7 mostra as temperaturas de entrada do chope junto dos instantes de abertura das duas torneiras. Enquanto suas temperaturas de saída obtidas em cada uma das torneiras é apresentada pela Fig. 8, nota-se que, em todos os ciclos, a temperatura de saída esteve próxima de zero para praticamente todos os enchimentos de copos, apresentando uma tendência estável, não havendo diferenças de temperaturas significativas entre os copos durante do ciclo. Além disso, pode ser observado, na maioria dos ciclos, uma tendência sutil de incremento na temperatura do líquido à medida que a torneira volta a ser aberta, porém não o bastante para que ultrapassasse a temperatura desejada de 3 °C.

Figura 7. Temperatura de entrada da água no resfriador de chope operando com R-290.

Figura 8. Temperatura de saída da água no resfriador de chope operando com R-290.

Na Fig. 9 são apresentadas as temperaturas atingidas pelo propano na sucção e descarga do compressor. Nota-se que a temperatura de sucção do R-290, diferentemente do R-22, atingiu valores negativos, o que em grande escala poderia indicar entrada de líquido no compressor. Entretanto, como os valores são próximos a zero, não apresenta risco de dano ao equipamento. Além disso, a temperatura de descarga, com exceção do primeiro momento em que o compressor esteve ligado, não ultrapassou 60 °C, o que contribui para a vida útil do compressor e integridade das propriedades de lubrificação do óleo.

No caso da Fig. 10 as pressões de evaporação e de condensação do fluido refrigerante R-290 ao longo dos 10 ciclos são apresentadas junto com a potência ativa do compressor. Os valores de pressão obtidos para o HCFC e para o hidrocarboneto foram bem semelhantes, sendo que para o propano a pressão de evaporação ficou entre 4 e 5 bar, enquanto a pressão de condensação esteve entre 11 e 15 bar, assim como para o R-22.

Figura 9. Temperaturas de sucção e de descarga do fluido refrigerante R-290 no compressor.

Figura 10. Pressões de evaporação e de condensação do fluido refrigerante R-290 e potência ativa do compressor durante o teste.

Por fim, a potência ativa do compressor operando com R-290 e sua respectiva corrente são apresentadas na Fig. 11. Nela, é possível notar que a potência média despendida pelo compressor foi de aproximadamente 850 W, ademais dos picos de potência toda vez que o compressor é acionado. Consequentemente, considerando que os resfriadores de R-22 e R-290 apresentaram praticamente a mesma quantidade de ciclos de funcionamento do compressor e duração de teste semelhantes, essa potência média inferior no sistema com propano, sendo quase metade do sistema atuando com o HCFC, pode ser considerada uma vantagem significativa.

Figura 11. Potência ativa e corrente gerada pelo compressor durante o teste do resfriador de chope operando com R-290.

  1. Avaliação do impacto ambiental – TEWI

A avaliação do impacto ambiental do resfriador de chope será realizada utilizando a metodologia TEWI (Total Equivalent Warming Impact). Essa metodologia relaciona os impactos gerados pelo sistema de refrigeração em kg de CO2 equivalente. O TEWI está dividido em duas parcelas: a primeira relacionada às emissões diretas, que são causadas pelo vazamento do fluido refrigerante na atmosfera; a segunda parcela está relacionada com as emissões indiretas, relacionadas à geração de CO2 durante a operação e o final da vida útil do equipamento. O TEWI de um equipamento é calculado por meio da Eq. 3.

TEWI = GWP m Lanual n + GWP m (1-αrec) + Eanual β n                                              (3)

Em que:

GWP:  Potencial de aquecimento global do fluido refrigerante relativo ao CO2 a 100 anos;

m:        Carga de fluido refrigerante no sistema (kg);

Lanual:   Taxa e vazamento anual (%/100);

n:         Vida útil do sistema (anos);

αrec:     Fator de recuperação, reciclagem do fluido (0 – 1);

Eanual:  Consumo de energia anual (kWh);

β:         Fator de emissões indiretas

Para realizar uma análise justa do TEWI de cada um dos resfriadores foram realizadas as seguintes considerações:

Os dados para o cálculo do TEWI foram tomados de dados experimentais (Tabelas x, y, z);

Para o valor do GWP100 de cada fluido toma-se o valor da quinta avaliação (AR5);

Por possuírem capacidades em condições de operação similares, os sistemas operam a mesma quantidade de horas por dia, igual a 8 horas;

O fator de recuperação para o propano é zero, pois durante manutenções feitas em sistemas que operam com HCs, convencionalmente não é realizado o recolhimento (AHAM, 2017);

Considera-se que os sistemas possuem vida útil similares, igual a 7 anos.

Os dados de GWP para o cálculo do TEWI dos fluidos em análise é listado na Tabela 1.

Tabela 1 – Valor de GWP dos fluidos refrigerantes. Fonte: (MMA, 2017)

Fluido refrigerante GWP100 (kgC02)
R-22 1760
R-290 ~3

A taxa de vazamento anual para diferentes tipos de sistemas foi classificada pela AIRAH (2012). O resfriador de chope em análise é um sistema de refrigeração do tipo self-contained, para o qual a taxa de vazamento corresponde a um valor de 2%. Foi utilizado como fator de recolhimento do sistema de R-22 o valor 70% (MMA, 2015), e 0% para o sistema com R-290.

Em relação ao fator de emissões indiretas, que se encontra diretamente relacionado à matriz energética brasileira, foi o correspondente a 0,065 kWh/kgCO2 (MMA, 2017). A energia consumida pelo resfriador foi calculada a partir da potência ativa do compressor, para o qual foi assumido um tempo de operação de 8 horas por dia.

Figura 12 – Valores calculados de TEWI para o resfriador de R22 e de R290.

A Fig. 12 apresenta o valor obtido no cálculo do TEWI dos sistemas em análise. Assim, ao comparar um resfriador com R-22 com aquele convertido para R-290 em carga substancialmente reduzida, o impacto ambiental do equipamento é significativamente menor para o sistema com HC.

Conclusões

O processo de drop-in, substituição do fluido refrigerante sem alterações na configuração do resfriador de chope, não foi viável devido à elevada demanda de carga de fluido refrigerante, superior ao permitido pelas normas de segurança atuais (150 g de hidrocarboneto);

Assim, foi realizada a conversão de um equipamento com capacidade de 72 l/h para operar com R-290, com carga reduzida (abaixo de 150 gramas), que teve seu projeto otimizado e tornou possível sua operação.

As pressões de trabalho dos distintos fluidos refrigerantes em ambos os resfriadores de chope foram similares.

A temperatura de descarga do propano no compressor foi inferior àquela observada para o R-22, contribuindo para um menor consumo de energia e aumentando a vida útil do resfriador.

Ao comparar os valores médios de potência ativa dos dois resfriadores ensaiados, o novo sistema operando com propano operou com valores da ordem de 45% menor que o resfriador de R-22, contribuindo significativamente em termos de economia de energia.

Finalmente, a comparação do TEWI provou que desempenho superior e processos amigáveis ao meio-ambiente podem ser aplicados simultaneamente, a fim de reduzir efeitos diretos e indiretos ao aquecimento global.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem ao Ministério do Meio Ambiente, por intermédio do Programa Brasileiro de Eliminação de HCFC (PBH), a Organização das Nações Unidas para o Desenvolvimento Industrial pela implantação do projeto de conversão da chopeira, a CAPES, CNPq, FAPEMIG pelo suporte e, também, à empresa Chopeiras Memo Ltda pela viabilização dos ensaios.

Ítalo Franco Guilherme (1);
David Fernando Marcucci Pico (1);
Lucas Cavalin (2);
Eduardo Arjona Esteves (2);
Enio Pedone Bandarra Filho (1)
1.Faculdade de Engenharia Mecânica – Universidade Federal de Uberlândia
2.Chopeiras MEMO Ribeirão Preto – SP.

REFERÊNCIAS

AHAM. 2017. Safe Servicing of Household Appliances with Flammable Refrigerants: Recommended Practices (acessado em Setembro de 2017) http://www.aham.org/DownloadableFiles/AHAM%20Guidance%20for%20Safe%20Servicing%20Appliances%20with%20Flammable%20Refrigerants.pdf.

AIRAH. 2012. Methods for calculating Total Equivalent Warming Impact (TEWI). S.l.: The Australian Institute of Refrigeration, Air conditioning and Heating, 2012.

ASHRAE Standard 34: Designation and Safety Classification of Refrigerants, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc., 2010.

Colbourne, D. e Suen, K. O., 2000, Assessment of performance of hydrocarbon refrigerants, Proceedings of the IIR Gustav Lorentzen fourth conference on natural working fluids, Purdue, USA.

Corberán, M. J., Insured, J., Colbourne, D., Gonzálvez, J., 2008, Review of standards for the use of hydrocarbon refrigerants in A/C, heat pump and refrigeration equipment, International Journal of Refrigeration, Vol. 31, n. 1, pp. 748-756.

GTZ/Proklima. 2007. Manual de Segurança, Recolhimento e Reciclagem de Fluidos Refrigerantes. Latin América & Caribbean : Uniade do Protocolo de Montreal, 2007.

Intergovernmental Panel on Climate Change, 2014. Foreword, Preface, Dedication and In Memoriam. Clim. Chang. 2014 Mitig. Clim. Chang. Contrib. Work. Gr. III to Fifth Assess. Rep. Intergov. Panel Clim. Chang. 1454. https://doi.org/10.1017/CBO9781107415416

MMA, 2015. Orientações para uso seguro de fluidos frigoríficos hidrocarbonetos: um manual para engenheiros, técnicos, instrutores e formuladores de políticas – para uma refrigeração e climatização mais sustentável. Brasília : Brasil: Ministério do Meio Ambiente, 2015. p. 344p. 978-85-7738-250-7.

Methods of calculating Total Equivalent Warming Impact (TEWI) 2012, The Australian Institute of Refrigeration, Air Conditioning and Heating, 2012.

UNEP, 2016. Report of the Twenty-Eighth Meeting of the Parties to the Montreal Protocol on Substances that Deplete the Ozone Layer.

Uselton, D., Crawford, T., 2015. System Drop-in Test of Refrigerant Blend DR-55 in a Five-Ton R-410A Rooftop Packaged Unit.

[1] (Intergovernment Panel on Climate Change AR5 GWP values. See Section 4.2 for discussion of refrigerants and GWP values and sources)

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