Refrigeração
Dióxido de carbono é alternativa promissora
Iniciativas dos Protocolos de Montreal e Kyoto fortalecem os refrigerantes naturais
postado em: 02/05/2017 14:22 h atualizado em: 01/06/2017 16:48 h

Pressionado tanto pelas agressões à camada de ozônio como pela aceleração do aquecimento global, o mundo se prepara para a substituição dos atuais fluidos refrigerantes. Os chamados refrigerantes naturais têm ganhado espaço. Dentre eles, o CO2 se apresenta como uma alternativa eficaz, já que possui baixíssimo GWP, não é inflamável e tem preço baixo.

O engenheiro de aplicação da Bitzer, Marcos Euzébio, acredita que há um forte crescimento do interesse pelo uso do dióxido de carbono na refrigeração comercial no Brasil. “Existem várias razões que podem ser citadas, como preço baixo do fluido em comparação com os sintéticos tradicionais, não necessita recolhimento em caso de manutenção, apresenta excelente eficiência energética, principalmente em regime de congelados, e não corre o risco de entrar em phase-out, pois não agride a camada de ozônio pois seu GWP é igual a 1; ou seja, é uma solução de longo prazo".

Alexandre Ferreira de Andrade, gerente de vendas para exportação da Heatcraft, também concorda que o uso de CO2 está crescendo, e cita outros motivos, como, por exemplo, a alta capacidade volumétrica de refrigeração, ou seja, a quantidade de carga térmica que o sistema combate pode ser de 5 a 8 vezes mais eficiente, se comparado a outros refrigerantes como o R-22, por exemplo, dependendo das condições de aplicação. Mas destaca dois pontos como responsáveis pelo aumento da aplicação de sistemas de CO2: as determinações dos Protocolos de Montreal e Kyoto e as datas de corte dos refrigerantes CFC e HCFC. "Hoje, esta tecnologia é amplamente utilizada na Europa e, gradualmente, vem sendo aplicada em países emergentes, como o Brasil". 

"Os supermercados, restaurantes e a indústria de resfriamento industrial estão em um momento de transformação de arquitetura de seus sistemas de refrigeração. Em uma era ditada por regulações e pressões por sistemas mais sustentáveis, o número de opções para refrigeração disponíveis para os operadores está crescendo exponencialmente. Temos notado um aumento pela demanda por sistemas que operam com CO2. Isso se deve a sua tecnologia que permite uma maior eficiência energética e um menor impacto no meio ambiente", explica Danilo Gualbino, gerente Técnico da Plataforma Emerson Commercial and Residential Solutions no Brasil.

Para Antônio Claudio Palma, diretor Geral da Mipal, as tecnologias aplicadas aos componentes e sistemas estão sendo mais difundidas e as indústrias estão investindo também na tecnologia dos componentes relacionados ao CO2. Palma acentua o fato de o mercado estar buscando por soluções que não agridam o meio ambiente.

"Como todo novo conceito, há uma tendência natural dos consumidores finais em aguardar os resultados que estas novas soluções podem trazer. Assim sendo, as respostas extremamente positivas que as instalações piloto trouxeram, seja em nível de confiabilidade mecânica ou de economia de energia, ou, ainda, de qualidade do frio, serviram de fator tranquilizador para sua multiplicação", acrescenta Renzo Contardo, da CK Tech Brasil.

Os desafios na refrigeração comercial

A mão de obra qualificada é, segundo os especialistas, o maior desafio para a ampliação do uso de CO2 nos sistemas de refrigeração comercial. "O maior desafio, ainda, é ter mão de obra qualificada, principalmente em quantidade para a execução das instalações e manutenções; por mais que já existam escolas e fabricantes ministrando treinamentos de altíssima qualidade, temos uma demanda maior que a oferta", comenta Andrade.

Para Euzébio, o maior desafio é a desmistificação de informações. "Um sistema de refrigeração que utiliza CO2 possui algumas particularidades devido às características termodinâmicas distintas apresentadas por esse fluido, o que em alguns casos pode significar um custo maior de implementação, viabilidade e segurança, assim como a reeducação técnica dos profissionais de manutenção envolvidos. A experiência nos mostrou que o investimento é rapidamente amortizado pelos menores custos de manutenção, e a capacitação do pessoal foi extremamente positiva pela motivação que essa nova tecnologia proporcionou. Após identificarem as reais vantagens que obtiveram com o uso de CO2, várias redes de supermercado no Brasil adotaram essa opção em seus novos projetos".

Alexandre Andrade, André Patenaude, Cláudio Palma, e José Castro

Já Palma acredita que o maior impedimento é o da economia. "Enquanto houver o desequilíbrio de economia associado às questões políticas, o mercado vai ficar mais contido. Entretanto, o mercado já apresenta sinais de melhora".

"A grande preocupação é sobre as pressões de operação que são mais elevadas na comparação com as pressões de sistemas tradicionais, como, por exemplo, o R134a, R404A etc.", diz Marcel Daissuke Nishimori, da Carel.

Sistema transcrítico

Em relação ao sistema transcrítico, Marcos Bernardi, consultor Técnico Sênior da Danfoss comenta "ainda há um grande obstáculo a ser vencido, pois em regiões que possuem altas temperaturas na maior parte do ano, a eficiência energética do sistema transcrítico de CO2 fica muito próxima dos sistemas convencionais. Sendo assim, o tempo de retorno do investimento na nova tecnologia aumenta muito, podendo tornar a opção do CO2 pouco atraente. Mas, no sentido de melhorar ainda mais a eficiência do sistema transcrítico, a fim de torná-lo viável para uso nesses locais, novos componentes estão sendo desenvolvidos".

Segundo Euzébio, esses sistemas podem operar em níveis de pressão de descarga próximos a 100 bar, assim, o trocador de calor (gascooler) pode rejeitar o calor absorvido no sistema. "Pressões de trabalho nessa magnitude significam um consumo energético elevado, porém, assim como em sistemas de refrigeração convencionais, a pressão de alta é função da temperatura ambiente e sua redução é diretamente proporcional à queda de temperatura exterior, podendo alcançar níveis em que a eficiência, o COP, seja superior a fluidos como o R-22. Não devemos esquecer que o cálculo correto de eficiência energética de um sistema de refrigeração deve ser sazonal, devendo observar as quantidades de horas por temperatura e por ano, em cada região, para que a análise seja corretamente fundada. Atualmente, com o advento do uso da compressão paralela, gás cooler adiabático e, mais recentemente, a utilização do dispositivo ejector a aplicação de sistemas de refrigeração transcríticos com CO2 no Brasil e na América do Sul deixou de ser uma teoria e tornou-se uma grata realidade. Em 2016, um supermercado e um atacadista, ambos no estado de São Paulo, apostaram nessa tecnologia e estão muito satisfeitos, já apontando com novos projetos de igual característica".

Para Nishimori, a temperatura externa, até algum tempo atrás, era um limitante em relação à eficiência energética. "O uso de uma terceira linha de sucção (compressão paralela) em sincronia com a válvula de regulação de pressão do tanque receptor (flash), além das sucções de baixa e média temperatura, permite que a solução de sistemas de CO2 operando em condições transcríticas sejam viáveis em regiões tropicais. Pensando nessas limitações, a nossa empresa desenvolveu um controlador para racks de compressores, o pRack300T. Ele pode gerenciar essas três linhas de sucção (baixa e média temperatura e compressão paralela), além das válvulas de alta pressão (HPV) e de regulação do tanque receptor (flash), garantindo a máxima eficiência do sistema. A compressão paralela é ativada sempre que a válvula flash estiver com uma determinada abertura e a temperatura externa estiver acima dos limites estipulados. Ao ativar a compressão paralela, a válvula flash é fechada e o compressor auxiliar tem a função de manter estável a pressão do tanque receptor. Por trabalhar com um diferencial de pressão menor (P descarga MT – P tanque recebedor) em relação aos compressores de MT (P descarga MT – P sução MT), a eficiência do sistema é muito maior".

No que se refere ao sistema transcrítico, Contardo diz que "as altas pressões derivadas das condições ambientais são um desafio a ser vencido. Contudo, apesar do sistema ainda não ser aplicado em larga escala, os sistemas vêm sendo utilizados com resultados energéticos extremamente positivos. Convém lembrar que um sistema jamais trabalhará 100% de seu tempo no regime transcrítico. Os projetos que têm levado a esses resultados procuram focar na utilização de injetores de líquido e sistemas de condensação adiabáticos ou com a utilização de gás coolers. É importante frisar que as instalações necessitam de equipes técnicas devidamente treinadas para saberem onde atuar em caso de eventuais panes".

Custos de implantação

Em boa parte dos países o custo para a implantação de tais sistemas já quase se equipara ao custo de sistemas convencionais. Segundo Bernardi, deve-se ao estágio em que países se encontram em termos de tempo de utilização dos sistemas transcríticos. "No Brasil, ainda há poucos sistemas em funcionamento e um número pequeno de empresas que dominam essa tecnologia. A concorrência entre um número maior de fornecedores qualificados poderia diminuir esses custos".

O representante da Bitzer cita diferenças entre sistemas de CO2 em regime subcrítico e transcrítico. "Sistemas de CO2 em regime subcrítico, quando comparados a sistemas convencionais de igual refino tecnológico - válvulas de expansão eletrônicas, controladores microprocessados etc. - já se mostram em níveis de igual investimento no Brasil, uma vez que grande parte dos componentes estão disponíveis no mercado nacional. Sistemas de CO2 em regime transcrítico, devido à classe de pressão utilizada na linha de alta pressão (HP), apresenta custo de investimento maior pelo grau de robustez, segurança e tecnologia dos componentes, sendo que a maior parte dos componentes é importado e que pode resultar em nível de investimento três vezes maior" diz Euzébio.

Aplicação de compressores

Para Celina Bacellar, gerente de Produto de Refrigeração Industrial da Johnson Controls, os compressores devem ser produzidos, especificamente, para as condições de operação diferenciadas do CO2. "Atualmente, ainda há um acesso limitado a componentes para pressões acima de 40 bar de pressão máxima de trabalho. Por conseguinte, a pressão máxima de trabalho parece estar limitada a este valor (40 bar). Poucos compressores estão disponíveis para pressões acima de 40 bar e, alguns deles, têm restrições no lado de sucção, limitando a pressão a cerca de 28 bar. Possuimos linhas de compressores especialmente desenvolvidas para aplicações de alta pressão. Além dos compressores de parafuso, que chegam a 52 bar, possuímos, também, linhas de compressores alternativos, até 60 bar, amplamente utilizadas nos sistemas em cascata. José Castro, diretor de Refrigeração Industrial da Johnson Controls, comenta que, este ano, a empresa lançará uma unidade com compressor semi-hermético SHC, projetada para trabalhar especialmente com sistemas cascata com CO2.

Euzébio comenta que os compressores aplicados em CO2, em regime subcrítico ou transcrítico, devem estar aptos a operar em alta pressão com um fluido de alta densidade, o que, necessariamente, requer características mecânicas especiais do bloco e componentes móveis, adequados à segurança exigida.  "A aplicação de compressores semi-herméticos é sempre preferencial e favorável, uma vez que a manutenção do compressor é possível e simplificada. O compressor deve ser capaz de trabalhar em velocidade variável por questões de eficiência e estabilidade do sistema, uma vez que grandes variações de pressão podem ocorrer em curtos espaços de tempo".

"A robustez do compressor deve ser maior para suportar as pressões elevadas de trabalho. O sistema de gerenciamento de óleo deve ser apropriado para as altas pressões do CO2. Os baixos níveis de vibração e pulsação são essenciais, além de um COP (Coeficiente de Performance) elevado, mantendo a eficiência do equipamento", esclarece o consultor da Danfoss.

Os desafios na refrigeração industrial

Castro, da Johnson, diz que os desafios para a refrigeração industrial são diferentes daqueles apresentados na refrigeração comercial. “A aplicação de CO2 na refrigeração comercial tem como objetivo principal a utilização de refrigerantes naturais, em substituição a sistemas de expansão direta com F-gás. O ponto propulsor aqui está relacionado às questões ambientais como, por exemplo, aquecimento global e também ao crescente custo de vazamentos destes refrigerantes. No caso da refrigeração industrial, o objetivo é diferente. Sendo também um refrigerante natural, a tendência é somente a redução da carga de amônia, melhorando questões de manuseio e segurança. Por outro lado, a ausência de regulamentação restritiva no uso de grandes cargas de amônia, aliado ao desconhecimento da utilização do CO2 em instalações de refrigeração industrial, tem restringido uma maior implantação deste sistema no Brasil. Trata-se de uma situação diferente da Europa e Estados Unidos, onde a legislação em vigor propõe uma restrição significativa da carga de amônia, o que amplia espaço para a utilização de várias opções tecnológicas com sistema de baixa carga de amônia".

Para Celina Bacellar, o uso do CO2 na refrigeração industrial está focado, fortemente, na aplicação em sistemas em cascata, onde o lado de alta temperatura trabalha com amônia e o CO2 aparece no lado de baixa temperatura. "Um sistema de refrigeração resfria o outro que, em seguida, resfria o produto. Assim, o CO2 trabalha dentro de sua faixa de melhor operação, de -30°C a -53°C de evaporação. De maneira geral, quanto mais baixa a temperatura, maior a eficiência do CO2 em comparação aos demais refrigerantes". Castro complementa "um benefício essencial do uso do CO2 em cascata com amônia é que esta técnica permite remover a amônia da área de trabalho, reduzindo a carga instalada e diminuindo eventuais riscos de contaminação de produto e áreas de trabalho".

Segundo Enri Tunkel, gerente de Marketing LAM de Refrigeração Indutrial da Danfoss, a refrigeração industrial está alguns passos atrás da refrigeração comercial em relação à utilização de CO2. "Na refrigeração comercial é uma realidade crescente, já na refrigeração industrial, principalmente nos países em desenvolvimento, está longe de ser a escolha padrão das novas instalações. De fato, o CO2 em refrigeração industrial é muito mais um tópico de discussão do que uma realidade.  Em países desenvolvidos há várias instalações com CO2 em aplicação industrial. Contudo, se compararmos a quantia de instalações com amônia e com CO2, mesmo nos países mais desenvolvidos, o número de instalações com amônia ainda é muito maior".

Marcos Bernardi, Maria Celina Bacellar, Danilo Gualbino, e Enri Tunkel

"A indústria de refrigeração industrial está mais acostumada a trabalhar com projetos de engenharia complexos e com normas e memoriais descritivos mais elaborados. Ela também conta com uma mão de obra mais especializada, o que acaba fazendo com que os desafios sejam diferentes. Os sistemas de CO2 devem suportar pressões mais altas quando estão em operação e também quando não estão operando. Quando o sistema está desligado para manutenção ou por falta de energia, a pressão pode subir rapidamente e abrir as válvulas de escape de pressão. Os métodos para evitar esse aumento de pressão devem estar incorporados ao projeto do sistema", explica André Patenaude, diretor de Desenvolvimento de Negócios de CO2 da Plataforma Emerson Commercial and Residential Solutions no Canadá.

Euzébio acrescenta, também, que a aplicação de sistemas híbridos NH3/CO2 já é uma realidade no mundo e grandes esforços estão sendo feitos para que o sistema alcance seu nível mais alto de desenvolvimento em eficiência e confiabilidade, utilizando cada fluido em sua melhor faixa de aplicação. "O CO2 na refrigeração industrial pode ser utilizado tanto como fluido refrigerante para o estágio de baixa temperatura quanto para fluido indireto, 'brine' recirculado para médias e baixas temperaturas. A utilização da amônia para condensar o CO2 imprime ao sistema ótima eficiência e o mantém classificado como 100% natural, porém, com uma redução drástica da carga de NH3, que fica restrita à casa de máquinas, o que torna o sistema extremamente interessante sob vários aspectos técnicos e de segurança. A norma Europeia EN-378 classifica o CO2 como não tóxico e não inflamável. Atualmente há total disponibilidade no mercado para componentes aplicados em sistemas com CO2 para refrigeração industrial".

Diferenças entre os setores comercial e industrial

Para muitos especialistas, o conceito que distingui a utilização do CO2 na refrigeração industrial em relação à comercial é praticamente a mesma. "Pela parte de controle, a utilização é bem similar, divergindo apenas as capacidades e quantidades de componentes a serem instaladas", diz Nishimori.

"Na refrigeração industrial, o CO2 é normalmente utilizado em sistemas subcríticos. Já na refrigeração comercial é utilizado mais em sistemas transcríticos. É possível utilizar sistema transcrítico em refrigeração industrial, contudo, ainda, é bastante raro, pois o transcrítico é mais eficiente em climas frios. Mas, mesmo em países mais frios, não há muitas instalações de refrigeração industrial que utilizam sistemas transcríticos. A maioria das instalações industriais que utiliza CO2 opta por um sistema cascata de amônia/CO2, utilizando o CO2 como refrigerante secundário e mantendo a amônia restrita à sala de máquinas", exemplifica Tunkel.

Segundo Celina Bacellar, os resfriadores podem ser casco e tubos, placas ou casco e placas. Os do tipo casco e tubos podem ser dimensionados, caso a caso, conforme as condições e pressões necessárias. "Atualmente, há no mercado trocadores de linha com pressões adequadas à operação com CO2. Os trocadores a placas (plate & frame) estão disponíveis até 600 psi (~41 bar) e os casco e placas (shell & plate), até 800 psi (~55 bar). São muito compactos e eficientes".

Os cuidados para a instalação de sistemas de refrigeração industrial com CO2, segundo o representante da Danfoss, é similar ao da refrigeração comercial. "A diferença é que o CO2 utiliza tubulações com diâmetros menores, bombas menores etc. É uma instalação teoricamente menor, mas que trabalha com pressões mais elevadas se comparadas com as pressões de trabalho da amônia. Para trabalhar com pressão mais elevada, a equipe da planta deve ser treinada para a instalação e a manutenção dos equipamentos, uma vez que há algumas diferenças a se observar com relação a uma instalação com amônia. Mas isso não significa, de forma nenhuma, que seja mais difícil ou mais perigoso trabalhar com CO2. É apenas uma questão de entender o sistema e focar, sempre, em segurança e eficiência".

"Os riscos da inalação do CO2 são potencializados por ser um gás inodoro, incolor e denso - se concentra na parte do piso -, de difícil percepção sem instrumentos. A nossa empresa possui detectores de fugas para os principais refrigerantes no mercado, inclusive o CO2. Para uma melhor detecção da concentração do CO2, eles devem ser instalados na parte inferior, cerca de 0,5 m do piso", comenta Nishimori, da Carel.

Válvulas e controles

Em relação aos tipos de válvulas e controles utilizados em sistema de refrigeração industrial, o representante da Emerson explica que a maioria das válvulas para altas pressões podem ser usadas na comercial, porém, quando a capacidade do sistema é muito alta, os projetistas devem adotar válvulas específicas que são utilizadas na indústria de óleo e gás. Deve-se tomar o devido cuidado para garantir que os materiais e produtos empregados são apropriados para suportar a alta pressão dos sistemas de CO2.

"Conceitualmente, a maioria das válvulas e controles utilizados em sistemas de refrigeração comercial que utilizam o CO2 são os mesmos dos sistemas tradicionais, selecionados, contudo, para os regimes de pressões de trabalho mais elevados quando do emprego com o CO2. Assim sendo, as pressões envolvidas são fatores determinantes na escolha destes componentes", explica Contardo.

Já na utilização em refrigeração comercial, o representante da Danfoss esclarece que as mesmas válvulas e controles utilizados em instalações com amônia, podem ser utilizados em instalações com CO2. "Nossos produtos foram desenvolvidos para trabalhar com pressão de até 52 bar e temperaturas que variam de -60°C a +150°C. Além disso, nossos produtos foram projetados para trabalhar eficientemente com amônia, CO2 e outros futuros refrigerantes de alta pressão, garantindo uma solução confiável, segura e ecologicamente correta". Mas, com relação aos demais componentes de uma instalação industrial, Tunkel afirma que é fundamental verificar com os fabricantes destes componentes quais seriam os indicados para trabalhar com CO2. "Isso é muito importante, na maioria dos casos existem produtos específicos que não necessariamente são os mesmo utilizados com amônia ou outros refrigerantes".

Segundo Nishimori, as principais válvulas e controles que devem ser utilizadas são: válvula de expansão eletrônica para os evaporadores, devendo-se observar as pressões de operação, diferencial máximo de pressão entre linha de líquido e evaporador e condições de operação (temperatura de evaporação e de líquido, capacidade do evaporador); e válvula de alta pressão (HPV), responsável por reduzir a pressão (e temperatura) na saída do gás cooler antes da entrada no tanque receptor. Deve-se observar a pressão de operação e capacidade dos compressores de média temperatura; válvula de regulação da pressão do tanque (flash): responsável por manter constante a pressão do tanque. Em caso de "sobre pressão” a válvula libera a passagem para a sucção de média temperatura. Deve-se observar pressões de operação e capacidade dos compressores de média temperatura, e controlador do rack, responsável por coordenar a sincronia das válvulas e compressores. Deve-se, ainda, observar a interação entre os dispositivos, como partidas simultâneas de compressores, melhor zona de operação (transcrítico ou subcrítico) e interação entre válvula flash e compressor paralelo, detector de fuga de CO2 para alertar em caso de vazamentos, e válvulas de segurança.

Charles Godini - charles@nteditorial.com.br

 

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Desafios na instalação de uma planta com CO2 e as vantagens no sistema cascata

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