Refrigeração
Utilização de refrigerantes naturais
CO2, hidrocarbonetos e amônia ganham importância
postado em: 19/03/2015 16:25 h atualizado em: 19/03/2015 16:36 h
Uma das soluções é empregar sistema por expansão indireta, com fluidos secundários
(crédito: Divulgação Heatcraft)

Por determinação do Protocolo de Montreal, a produção e o consumo de CFCs foi extinto em 2010 e os HCFCs vem sendo amplamente reduzidos ano a ano, a partir de cotas pré-definidas e diferenciadas entre países desenvolvidos e em desenvolvimento. A mudança dos processos industriais foi fundamental para que esses objetivos fossem alcançados. Para tanto, CFCs foram substituídos na fabricação de vários equipamentos por fluidos alternativos, como Hidroclorofluorcarbonos (HCFCs) e Hidrofluorcarbonos (HFCs), no entanto, os CFCs remanescentes e essas substâncias alternativas ameaçam a saúde climática do planeta. Conforme o Protocolo de Montreal, países desenvolvidos reduziram o uso de HCFCs em 75% até 2010 e em 99,5% até 2020. Mas como a produção global desses gases era crescente nos países em desenvolvimento, foi congelada em 2013. A eliminação dos HCFCs em países em desenvolvimento está prevista para 2040.

Nos anos 90, a indústria passou a produzir, comercializar e usar HCFCs, considerados totalmente seguros para a camada ozônio, no entanto, eles foram incluídos entre as substâncias controladas pelo Protocolo de Kyoto, já que contribuem para o aquecimento global, e tais exigências atingem o setor de refrigeração industrial e comercial, uma vez que reduz significativamente a disponibilidade do R22 no mercado. Desde então, a indústria de refrigeração tem procurado substitutos para os refrigerantes CFCs, HFCs e HCFCs.

A utilização de refrigerantes naturais como o CO2, hidrocarbonetos e amônia vem ganhando importância no mercado brasileiro, e equipamentos desenvolvidos para a substituição dos CFCs, HFCs e HCFCs já fazem parte da realidade de algumas instalações no Brasil, em especial, as voltadas à refrigeração comercial.

Essa tecnologia está alinhada a tendência mundial na busca pela sustentabilidade e está direcionando vários segmentos industriais e comerciais, como o de supermercados, a ir em busca das soluções “verdes” com a utilização de refrigerantes ecológicos como o dióxido de carbono – CO2 e soluções alternativas, como a de fluido secundário para determinadas aplicações.

Aplicação do CO2 como fluido refrigerante

O CO2 (R744) foi um dos primeiros fluidos refrigerantes aplicados para sistemas de refrigeração e amplamente utilizado até os meados da década de 1930. Com o surgimento dos fluidos CFCs e HCFCs, o CO2 foi perdendo mercado até ser praticamente extinto no início dos anos 1960.

Com os problemas ambientais e o estabelecimento dos Protocolos de Montreal e de Kyoto, o CO2 ressurge como uma alternativa promissora a ser utilizada em muitas aplicações, nos vários setores de refrigeração.

No início dos anos 1990, os livros antigos sobre tecnologia de refrigeração nas várias aplicações utilizando CO2, foram reabertos. Com o desenvolvimento tecnológico dos últimos anos, novos conceitos surgiram propiciando assim o renascimento desse fluido refrigerante natural. Um dos principais responsáveis pelo “reavivamento” foi o Prof. Gustav Lorentzen (1915-1995) do Instituto de Tecnologia da Noruega (NTH), em Trondheim, que propôs e desenvolveu com sua equipe várias aplicações e sistemas utilizando CO2 como fluido refrigerante. Já no final dos anos 1990 surgiu diversos setores da refrigeração, aplicações comerciais utilizando CO2 como fluido refrigerante, seja em sistemas com ciclos subcríticos, para baixas temperaturas (abaixo de -30ºC e até -55ºC), em cascata com outro fluido refrigerante, seja em sistemas com ciclos transcríticos para médias temperaturas (acima de -15ºC), sistemas de ar condicionado (principalmente no setor automotivo) e bombas de calor.

 

A Figura 1 nos mostra uma visão histórica da aplicação do R744 na refrigeração.­­

 

 

 

Vejamos de uma forma simplificada a visão histórica da aplicação do R744 na refrigeração:

- 1850 – Proposta de usar o CO2 como refrigerante (Alexander Twinning, Patente Britânica).

- 1869 – Primeira máquina de fabricar gelo nos USA (Thaddeus Lowe).

- 1882 – Aplicação do CO2 em sistemas de refrigeração na Europa (Carl Linde, W. Raydt).

- 1886 – Patente compressor CO2 por Franz Windhausen.

- 1890 – Produção do compressor CO2 de Hall, favorito para aplicação naval.

- 1897 – Primeiros refrigeradores CO2 produzidos pela Sabroe.

- 1910 – Primeiros refrigeradores domésticos com CO2 (Sabroe).

- 1920 – 1930 - Pico na utilização do CO2 como refrigerante em sistemas de refrigeração.

- 1930 – Substituição do CO2 pela Amônia (NH3) e R12 (considerado um gás seguro na época).

- 1993 – Reinvenção da tecnologia de CO2 (Gustav Lorentzen).

Características do CO2

Em comparação com outros sistemas convencionais utilizados nessas aplicações, a elevada capacidade volumétrica de refrigeração do CO2 permite uma redução significativa do custo dos compressores, da tubulação e da carga de refrigerante do sistema frigorífico. Mesmo sendo aplicado em maiores solicitações de carga térmica, o potencial do CO2 resulta na utilização de compressores de tamanhos normalmente encontrados em aplicações comerciais e industriais de pequeno, médio e grande porte.

Por outro lado, sua elevada pressão de trabalho e mesmo quando o equipamento está parado, exigirá que o projeto da instalação e das medidas de segurança sejam feitos com critério especial. Este trabalho trata das propriedades termodinâmicas do CO2, seu uso como refrigerante, dos componentes frigoríficos disponíveis atualmente e em particular, com maior atenção, das aplicações dos compressores semi-herméticos utilizados na condição subcrítica com CO2 no setor de refrigeração comercial para supermercados.

Alguns desses pontos vantajosos podem ser apontados abaixo:

- Maior economia energia.

- Fluido ecológico, não destrói a camada de ozônio e possui um potencial de aquecimento global desprezível (GWP=1).

- Fonte disponível na natureza.

- Custo de bombeamento muito baixo com CO2 em média temperatura (MT).

- Melhor COP com expansão direta (DX) em temperatura baixa (LT).

- Tolerante às altas temperaturas ambiente/condensação.

- Redução dos diâmetros da tubulação com CO2.

- Redução da carga de refrigerante com CO2.

- Baixo custo do refrigerante.

- Elevada entalpia de evaporação.

- Menor temperatura de descarga (estágio de alta e baixa pressão).

- Baixa relação de compressão e aumento vida útil dos compressores.

- Alto grau de líquido subresfriado com CO2.

- Maior rendimento frigorífico de todo o sistema.

- Menor volume deslocado com tamanho menores dos compressores.

- Racks e instalações mais compacta.

- Evaporadores mais compactos e eficientes.

Desvantagens do CO2

- Compressores com maior deslocamento volumétrico com R134a no estágio de alta (condensação).

- Maiores diâmetros de tubulação (linhas de sucção) com R134a, porém será somente no estágio de alta (condensação), onde o trecho tubulação é menor.

- Nível técnico mais elevado para realização do serviço de instalação, manutenção e operação do sistema.

- Perda potencial da eficiência dos sistemas MT e LT em caso de uma elevação na temperatura do estágio de alta.

- Aumento da pressão CO2 em caso da parada total da instalação, podendo provocar a perda do refrigerante.

- Controles extras de segurança (válvulas segurança, sensores CO2, etc.).

Aplicação de fluido secundário

Algumas soluções adotadas para solução deste problema é empregar um sistema de refrigeração por expansão indireta, utilizando fluidos secundários, de forma que o sistema primário de refrigeração irá promover apenas o resfriamento do fluido secundário e este será o fluido refrigerante que irá promover a refrigeração final.

Os fluidos secundários são fluidos térmicos que apresentam certas características desejáveis: alto calor específico, boa condutividade térmica, não tóxico, baixos impactos ambientais, ser inerte quimicamente, disponível a preços razoáveis. A água possui essas propriedades, caracterizando-se como um ótimo fluido secundário. Entretanto, a água congela a 0°C e a grande maioria dos processos industriais trabalha com temperaturas bem abaixo do ponto de fusão da água. Por esse motivo, adiciona-se um agente anticongelante que é misturado a água, formando uma solução capaz de solidificar a temperaturas inferiores a da água pura.

Os anticongelantes são compostos totalmente miscíveis em água. Os tipos mais comuns são as salmouras (sais de cloreto de cálcio, cloreto de sódio, cloreto de magnésio, carbonato de potássio) e os alcoóis (metanol, etanol, etilenoglicol, propilenoglicol, glicerol).

Atualmente, os alcoóis estão tendo forte presença como soluto para fluidos secundários a base de água por alguns terem baixa atividade corrosiva ou nenhuma corrosividade. As salmouras perderam o seu espaço devido ao seu forte poder de ionização, gerando processos eletrolíticos de corrosão.

Equipamentos são compatíveis com fluidos naturais

As soluções de água e anticongelante exibem diversas características físico-químicas, além de propriedades termofísicas (ponto de fusão, massa específica, calor específico, condutividade térmica, viscosidade, fator de eficiência de transferência de calor) distintas da água pura. O grau de variação dessas propriedades é proporcional à adição de soluto na água: quanto maior a quantidade, maior a alteração. Supõe-se inicialmente que quanto maior a concentração do anticongelante, menor o ponto de fusão da solução, onde o seu uso principal é para alterar esta propriedade.

Características do fluido secundário

O glicerol merece destaque como um anticongelante em se tratando da condutividade térmica e massa específica, além de não ser tóxico e com alta disponibilidade no mercado, entretanto, possui uma inércia térmica baixa e com pequenas reduções no ponto de fusão.

O etileno glicol é um fluido que apresenta propriedades intermediárias mais adequadas como aditivo em fluidos secundários, justificando o seu grande uso comercial e industrial, apesar de ser tóxico. O propileno glicol tem características termofísicas próximas ao do etileno glicol, porém menores, exceção ao seu alto calor específico. Pode ser uma alternativa ao etileno glicol como anticongelante atóxico.

Em sistemas de média temperatura, não houve a necessidade de pesquisas para o tipo de fluido intermediário a ser utilizado. Já havia diversas instalações utilizando solução aquosa de propileno glicol. E como a quantidade de propileno glicol é muito pequena na solução (aproximadamente 20%), as propriedades físicas e termodinâmicas são muito semelhantes às da água. Isso é demonstrado na Tabela 1.

Quanto à corrosão, a solução aquosa de propileno glicol apresenta níveis de corrosão muito baixos quando em contato com cobre ou latão, na versão propileno glicol com inibidores de corrosão, estes índices permanecem baixos também para aço carbono, porém hoje temos  grandes aplicações com tubo PPR (Polipropileno Copolímero Random).

Soluções aquosas também são compatíveis com a quase totalidade dos materiais utilizados em instalações normais de refrigeração, tanto nos seus equipamentos, como para vedação de juntas e ligações. A principal precaução é evitar o contato com:

- zinco;

- aço galvanizado;

- ferro fundido cinzento;

- água com excesso de cloro;

- água com excesso de sulfatos.

Quanto à toxicidade, o propileno glicol grau USP é utilizado principalmente em indústrias alimentícias, cosméticas e farmacêuticas. Atende a todas as especificações da Farmacopéia Brasileira e Americana, também é permitida a sua utilização como aditivo direto ou indireto em alimentos. Quanto à flamabilidade, o propileno glicol em soluções com concentração acima de 80% tem ponto de fulgor de 102°C. Abaixo desta concentração é um produto não inflamável.

Vantagens do propileno glicol: A utilização de sistemas de refrigeração indireta (com uso de refrigerante secundário) resulta em vantagens significativas. Um dos primeiros impactos desta escolha é a considerável redução da carga de refrigerante, que pode chegar até 40% da carga de refrigerante, segundo Kazachki e Hinde (2006), ou até 85% da carga do sistema convencional (Palm, 2007), conduzindo à instalação de sistemas de refrigeração muito mais compactos e com um menor potencial de impacto ambiental.

Outro ganho gerado desta prática é o confinamento do refrigerante primário à casa de máquinas, o que simplifica o circuito do refrigerante, obtendo-se um funcionamento (e, conseqüentemente, uma temperatura de resfriamento) mais estável e seguro. Segue alguns pontos significativos:

- Consumo menor de energia;

- Ausência de rotina de degelo para sistemas de média temperatura;

- Ausência de controle de temperatura para balcões e câmaras;

- Menor quantidade de fluído refrigerante no sistema e muito menor possibilidade de vazamentos;

- Simplicidade da instalação e em decorrência menores custos de manutenção preventiva ou corretiva;

- Maior confiabilidade de funcionamento (menos ocorrências de manutenção);

- Sistema de controle simplificado;

- Viabilidade na utilização de refrigerantes não condenados pelo “Protocolo de Montreal”;

Desvantagens do propileno glicol: Ao custo adicional referente à instalação de uma bomba de circulação e de um trocador de calor intermediário soma-se a operação na dificuldade de se compatibilizar as características e limites operacionais dos refrigerantes secundários com as necessidades da instalação. Fluidos convencionais como água, propileno glicol e óleo, amplamente utilizados em diferentes ramos da indústria como fluidos secundários, apresentam deficiências entre as quais encontra-se a elevada temperatura de congelamento, no caso da água, e a baixa condutividade térmica e elevada viscosidade, no caso dos óleos e do etileno glicol.

Alguns pontos são:

- Espaço físico maior na central térmica para instalação dos equipamentos;

- Área de troca térmica maior nas serpentinas resfriadoras de câmaras e balcões em sistemas de média temperatura.

- Compressores com maior deslocamento volumétrico.

- Temperatura do propileno glicol limitada a -4ºC vs -6ºC do CO2.

- Maior potência de bombeamento do propileno glicol.

- Maior investimento inicial na tubulação.

- Elevados diâmetros tubulação.

Conclusão

A atual demanda por sistemas de refrigeração com menor impacto ambiental trouxe um novo foco aos fluidos refrigerantes e sistemas secundários para o transporte do frio. Em favor dos fluidos secundários está a significativa redução da carga necessária de refrigerante sintéticos, com alto GWP, tal medida representa imediato paliativo para o impacto ambiental.

Já para aplicação de CO2 como fluido refrigerante, o resultado é a redução da emissão de poluentes a zero, já que o CO2 não destrói a camada de ozônio e possui um potencial de aquecimento global cerca de 3,26 mil vezes menos que o R404A.

Julian Ubukata

Engenheiro da Heatcraft do Brasil

 

Referências bibliográficas

[1] http://spm.com.br/site/pt/content/publication/view.asp?id=105 - site na internet, 21/08/2012.

[2] http://www.unep.fr/ozonaction/information/mmcfiles/6266-p-uso_fluidos_naturais.pdf – site na internet, 21/09/2012.

[3]  MEDEIROS, BARBOSA & FONTES (2010) HOLOS, Ano 26, Vol. 4 74 -

Propriedades Termofísicas de fluídos secundários à base de álcool para termoacumulação.

[4]  MINISTÉRIO DO MEIO AMBIENTE – MMA - Uso de Fluidos Naturais em Sistemas de Refrigeração e Ar Condicionado – Publicação Técnica. 2008.

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