Aplicação de fluidos alternativos em sistema de refrigeração comercial – Parte 1

            1. INTRODUÇÃO

Por determinação do Protocolo de Montreal, a produção e o consumo de CFCs foi extinto em 2010 e os HCFCs vem sendo amplamente reduzidas ano a ano, a partir de cotas pré-definidas e diferenciadas entre países desenvolvidos e em desenvolvimento. A mudança de processos industriais foi fundamental para que esses objetivos fossem alcançados. Para tanto, CFCs foram substituídos na fabricação de vários equipamentos por fluídos 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 devem reduzir o uso de HCFCs em 75% até 2010 e em 99,5% até 2020. Mas a produção global desses gases é crescente nos países em desenvolvimento, porém sua produção 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, foram incluídos entre as substâncias controladas pelo Protocolo de Quioto, já que contribuem para o aquecimento global, tais exigências atingem o setor de refrigeração industrial e comercial, uma vez que reduz signitivamente a disponibilidade do R22 no mercado. Desde então, a indústria de refrigeração tem procurado substitutos para os refrigerantes CFCs, HFC e HCFCs. A utilização de refrigerantes naturais como o CO2, hidrocarbonetos e amônia vem ganhando importância no mercado brasileiro, equipamentos desenvolvidos para a substituição dos CFCs, HFC 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 estão direcionando vários segmentos industriais e comerciais como o de supermercados a irem em buscas das soluções “verdes” com a utilização de refrigerantes ecológicos como o Dióxido de Carbono – CO2 e soluções alternativas com a de fluído secundário para determinadas aplicações.

 

             2. APLICAÇÃO DO CO2 COMO FLUÍDO REFRIGERANTE

O CO2 (dióxido de carbono – R-744) foi um dos primeiros fluidos refrigerantes aplicados para sistemas de refrigeração e foi amplamente utilizado até os meados da década de 30 do século XX. Com o surgimento dos fluidos CFCs e HCFCs, o CO2 foi perdendo mercado até ser praticamente extinto no início dos anos 60. 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 90, os livros antigos sobre tecnologia de refrigeração, com várias aplicações utilizando CO2, foram reabertos. Com o desenvolvimento tecnológico dos últimos anos, novos conceitos surgiram propiciando assim o renascimento do CO2 como fluido refrigerante natural. Um dos principais responsáveis pelo “reavivamento” do CO2 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 90, surgem nos mais variados setores da refrigeração, várias aplicações comerciais utilizando CO2 como fluido refrigerante, seja em sistemas com ciclos sub-críticos, para baixas temperaturas (abaixo de -30 ºC e até -55 ºC), em cascata com outro fluido refrigerante, seja em sistemas com ciclos transcríticos para médias temperaturas (acima de -15 ºC), sistemas de ar condicionado (principalmente no setor automotivo) e bombas de calor.

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 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)

Julian

Figura 1: Visão Histórica da aplicação do R744 na refrigeração.­­

2.1 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 podem serem apontados abaixo:

Vantagens do CO2:

  •   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 (CO2).
  •   Custo de bombeamento muito baixo com CO2 em MT.
  •   Melhor COP com DX em 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 CO2.
  •   Elevada entalpia de evaporação CO2.
  •   Menor temperatura de descarga (estágio de alta e baixa pressão).
  •   Baixa relação de compressão & aumento vida útil dos compressores com CO2.
  •   Alto grau de líquido sub-resfriado com CO2.
  •   Maior rendimento frigorífico de todo o sistema.
  •   Menor volume deslocado com tamanho menores dos compressores de CO2.
  •   Rack e instalação mais compacta com menor número compressores.
  •   Evaporadores mais compactos e eficientes.

 

Desvantagens do CO2

  •   Necessário compressores com maiores deslocamento volumétrico com R134a no estágio de alta (condensação).
  •   Necessário maiores diâmetros de tubulação (linhas de sucção) com R134a, porém será somente no estágio alta (condensação) onde o trecho tubulação é menor.
  •   Necessário um 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 CO2em caso da parada total da instalação, podendo provocar a perda do refrigerante
  •   Necessário utilizar controles extra de segurança (válvulas segurança, sensores CO2, etc.)

assinatura-julian

 .