Fluidos naturais na Refrigeração

Desde que foi instituído o Protocolo de Montreal, em 1987, e o Acordo de Kigali, em 2016, iniciou-se uma tendência ao uso de fluidos naturais em sistemas de refrigeração, como forma de amenizar os impactos ambientais gerados por fluidos de alto ODP e GWP.

A sigla ODP refere-se ao termo “Ozone Depletion Potential” (Potencial de Destruição do Ozônio) e é um índice que indica a capacidade de destruição da Camada de Ozônio de uma substância. Este índice considera como referência o valor “1” para o fluido R12, ou seja, todos os outros refrigerantes apresentam um valor proporcional a este índice.

Por exemplo, uma substância que apresente um ODP igual a 0,5, tem a metade da capacidade o R12 tem para destruir a camada de ozônio.

A Camada de Ozônio é a camada da atmosfera responsável pela absorção da maior parte da radiação ultravioleta emitida pelo Sol. A sua destruição resulta em elevados índices de radiação UV chegando à superfície terrestre, causando impactos significativos em ecossistemas e aumentando a incidência de alguns problemas de saúde, como câncer de pele e catarata.

A sigla GWP refere-se ao termo “Global Warming Potential” (Potencial de Aquecimento Global) e é um índice que indica a quantidade de calor de um gás que pode permanecer na atmosfera, contribuindo com o efeito estufa. Este índice compara a quantidade de calor de uma determinada massa de gás em relação a uma massa proporcional de dióxido de carbono (CO2) e é calculado em um intervalo de tempo específico, normalmente de 20, 100 ou 500 anos.

Quanto maior o intervalo de tempo, menor é o valor de GWP de um gás. Por exemplo, o fluido R134a apresenta um índice de 3830 para um período de 20 anos, porém, seu valor cai para 1430 para um período de 100 anos, indicando que o impacto desse gás na atmosfera diminui com o tempo de exposição.

Como o GWP utiliza o CO2 como referência, o seu índice é igual a “1”. Qualquer outra substância tem um valor proporcional ao potencial do dióxido de carbono em gerar efeito estufa.

O Protocolo de Montreal estabeleceu a eliminação gradual dos gases que afetam a camada de ozônio (CFCs e HCFCs) com o objetivo de reduzir em o aquecimento global em 0,5°C até o final deste século. Para alcançar este objetivo, foram introduzidos os gases HFCs, que apesar de não afetar a camada de ozônio, têm grande influência no efeito estufa.

Em Outubro de 2016, na cidade de Kigali, Ruanda, foi assinado um acordo global com o objetivo de eliminar progressivamente os gases HFCs, de grande influência no efeito estufa. Os países desenvolvidos se comprometeram a reduzir a produção e consumo destes gases em 10% até 2019 (em relação aos níveis de 2011-2013), e em 85% antes de 2036. Os países em desenvolvimento, como o Brasil, iniciarão sua transição em 2024, tendo que reduzir a produção e consumo em 10% até o ano de 2029 (em relação aos níveis de 2020-2022), e em 80% antes de 2045.

Para ilustrar o impacto que estes gases podem causar no meio ambiente, foram elaborados gráficos com os índices ODP e GWP de alguns dos principais fluidos utilizados na refrigeração (dados obtidos em  http://www.linde-gas.com):

Fluidos Naturais na Refrigeração - Figura01 Fluidos Naturais na Refrigeração - Figura02

 

Estes gases são caracterizados pela sua composição química predominante:

 

  • CFCs (clorofluorocarbonetos)

Estes fluidos apresentam alto ODP e alto GWP. De acordo com o Protocolo de Montreal, em 1996 estes gases foram banidos de países desenvolvidos, e em 2010 dos países em desenvolvimento, como o Brasil. Exemplos: R11, R12, R113, R114 e R115.

 

  • HCFCs (hidroclorofluorcarbonetos)

Estes gases representam a segunda geração dos gases fluorados e foram a principal alternativa aos gases CFCs. Eles apresentam valores medianos de ODP e valores de GWP medianos e altos, ou seja, são um pouco menos prejudiciais ao meio ambiente que os seus antecessores CFCs. Exemplos: R22, R123, R401A, R402A, entre outros.

De acordo com o Protocolo de Montreal, a eliminação dos HCFCs em países desenvolvidos está prevista para 2030 e no Brasil em 2040. Apesar disso, alguns países já estão bem adiantados em relação à eliminação destes gases. Na União Europeia o uso de HCFCs foi encerrado em Janeiro de 2010, ainda podendo ser usado até Janeiro de 2015 em alguns casos específicos.

 

  • HFCs (hidrofluorcarbonetos)

Esta terceira geração dos gases fluorados apresentam zero ODP e valores medianos e altos de GWP. Atualmente são usados em larga escala na refrigeração comercial e residencial. Exemplos: R404A, R410A, R134A, entre outros.

 

  • HFOs (hidrofluorolefinas)

Os HFOs representam a quarta geração de gases fluorados com zero ODP e valores muito baixos de GWP. Já vem sendo utilizados em sistemas de ar condicionado automotivo em países desenvolvidos (Estados Unidos e Europa). São fluidos utilizados em substituição ao R134a, já que são adequados para aplicações de alta temperatura e operam em pressões semelhantes.

 

  • Refrigerantes Naturais

Estes fluidos são gerados através de processos bioquímicos naturais, por isso não oferecem risco à camada de ozônio e apresentam índices muito baixos ou nulos de GWP. Os fluidos naturais mais usuais são: R717 (Amônia), R744 (CO2), Hidrocarbonetos, R718 (Água) e R729 (Ar).

 

Apesar da aplicação dos fluidos naturais em sistemas de refrigeração ser uma tendência mundial, cada fluido possui características próprias e requerem cuidados especiais para serem implantados:

 

  • R717 (Amônia – NH3)

É um gás incolor à pressão atmosférica, com zero ODP e zero GWP. Apresenta uma vida relativamente curta quando exposta na atmosfera e sua decomposição gera compostos que não afetam o meio ambiente.

A amônia é uma substância altamente tóxica, o que restringe sua aplicação em áreas públicas ou de grande circulação de pessoas. Normalmente é aplicada em instalações em locais isolados, fora de regiões urbanas.

Uma maneira segura de se aplicar amônia em áreas urbanas é utiliza-la em sistemas indiretos, em conjunto com outros refrigerantes (normalmente com o CO2). Deste modo, o volume de amônia presente do sistema é muito pequeno, o que minimiza os riscos envolvidos em um vazamento. Além disso, como a amônia tem um forte odor, um vazamento, por menor que seja, pode ser facilmente detectado.

 

  • R744 (Dióxido de Carbono – CO2)

É um gás incolor, inodoro, não inflamável, não tóxico e naturalmente presente na atmosfera. Por ser uma referência nos estudos de impacto no efeito estufa, seu GWP é igual a “1”.

É um gás mais denso que o ar e oferece risco asfixia em concentrações relativamente baixas. Por esse motivo, recomenda-se o uso de dispositivos de detecção de vazamento e de ventilação em instalações que operam com CO2.

Em sistemas de refrigeração, o dióxido de carbono opera em pressões mais altas que dos HFCs, e, apesar de requerer componentes especiais para operar de modo seguro, as tubulações do sistema podem ter um diâmetro reduzido, o que garante um baixo custo na instalação.

 

  • Hidrocarbonetos

São gases não tóxicos, com zero ODP e baixo GWP. Não agridem o meio ambiente e apresentam excelentes propriedades termodinâmicas, permitindo uma eficiência em sistemas de refrigeração semelhantes ou até melhores que dos fluidos HCFCs e HFCs.

Por se tratar de gases inflamáveis, sistemas de refrigeração que utilizem hidrocarbonetos devem atender uma série de diretrizes de segurança. Normalmente estes gases são aplicados em sistemas de pequeno porte (geladeiras) ou em sistemas indiretos, resfriando sistemas secundários com outros fluidos (como um sistema cascata com CO2). Isso para garantir um baixo risco de incêndio em um vazamento.

Os hidrocarbonetos mais comumente usados na refrigeração são o Propano (R290) e o Isobutano (R600a).

 

  • R718 (Água)

A água é um dos fluidos mais antigos a serem usados na refrigeração. Apresenta zero ODP, zero GWP e não causa nenhum impacto ao meio ambiente.

Em sistemas de refrigeração, sua aplicação é limitada a temperaturas altas (próximas ou acima de 0°C), pois seu ponto de fusão não permite sua aplicação em baixas temperaturas. A água normalmente é utilizada em sistemas secundários, com aditivos (glicol) para reduzir seu ponto de fusão em alguns graus. Neste caso, a água não segue um ciclo de refrigeração tradicional, ela é apenas aquecida e resfriada, mantendo-se no estado líquido por todo o ciclo.

 

  • R729 (Ar)

O ar é um refrigerante seguro que não causa nenhum impacto ambiental. Sistemas de refrigeração a base de ar seguem o reverso do ciclo Brayton. Por apresentar um baixo COP, sua aplicação não é muito explorada. Por muito tempo o ar foi utilizado como fluido refrigerante em sistemas de condicionamento de ar de aeronaves, já que as condições desta aplicação são favoráveis a este tipo de ciclo.

 

 

Todas estas substâncias são classificadas por grupos de segurança, definidos pela AHSRAE. A classificação considera a flamabilidade e a toxicidade de cada substância. Cada grupo irá exigir um conjunto de procedimentos de segurança para a instalação.

Fluidos Naturais na Refrigeração - Figura03

 

Os fluidos CFCs, HCFCs e HFCs são em sua maioria classificados no grupo A1, não inflamáveis e de baixa toxicidade. São fluidos seguros, porém agressivos ao meio ambiente.

Os fluidos HFOs são menos agressivos ao meio ambiente, porém são classificados no grupo A2L, ou seja, existe um baixo risco de propagar chamas no caso de um vazamento e, por esse motivo, exigem alguns cuidados e dispositivos de segurança.

Os fluidos naturais, apesar de serem menos agressivos ao meio ambiente, requerem uma série de cuidados e suas instalações devem seguir as diretrizes de segurança definidas para cada aplicação. Os hidrocarbonetos Propano e Isobutano são classificados como altamente inflamáveis (grupo A3), enquanto que a Amônia como altamente tóxico e de baixa flamabilidade (grupo B2L). O dióxido de carbono, apesar de se enquadrar no grupo A1, é um gás asfixiante, e por isso seus sistemas devem seguir uma série de cuidados para garantir a segurança da instalação.

 

Fluidos Naturais na Refrigeração - Figura04

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