Análise Comparativa da Performance de Unidades de Ar Condicionado tipo Janela Usando R22, R290 e R600a

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA Análise Comparativa da Performance de Unidades de Ar Condicionado tipo Janela Usando R22, R290 e R600a DISSERTAÇÃO SUBMETIDA À UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA Autor: Orientador (a): José Junio Urbano Prof.ª Ana Rosa Mendes Primo, PhD Recife, 14 de Março de 2008.

2 UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA Análise Comparativa da Performance de Unidades de Ar Condicionado tipo Janela Usando R22, R290 e R600a DISSERTAÇÃO SUBMETIDA À UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO PARA OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM ENGENHARIA MECÂNICA Autor: Orientador(a): José Junio Urbano Prof.ª Ana Rosa Mendes Primo, PhD Recife, 14 de Março de 2008.

3 U72a Urbano, José Junio. Análise comparativa da performance de unidades de ar condicionado tipo janela usando R22, R290 e R600a / José Junio Urbano. - Recife: O Autor, xix, 114 folhas, il : tabs. grafs., figs Dissertação (Mestrado) Universidade Federal de Pernambuco. CTG. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica Inclui Bibliografia e anexo. 1. Engenharia mecânica. 2. Refrigerantes alternativos 3.Propano. 4.Isobutano. I. Título UFPE 621 BCTG/

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5 "O valor das coisas não está no tempo em que elas duram, mas na intensidade em que elas acontecem. Por isso existem momentos inesquecíveis, coisas inexplicáveis e pessoas incomparáveis. Fernando Pessoa

6 DEDICATÓRIA Dedico este trabalho as pessoas mais importantes da minha vida: minha família.

7 AGRADECIMENTOS Primeiramente a Deus por esta oportunidade de aprendizado tão especial, importante e marcante na minha vida. À minha família pelo apoio, atenção e paciência constantes. A Profª. Drª. Ana Rosa pela a amizade, apoio, atenção e orientações dadas no decorrer destes anos. Aos professores Jorge Recarte Henríquez, Rita de Cassia, José Carlos Charamba e Fábio Santana Magnani que contribuíram fortemente neste processo de aprendizado. A CAPES pelo apoio financeiro. Aos amigos José de Castro e Ana Castro pela extrema contribuição na preparação e execução dos experimentos. Ao amigo Reginaldo Soares pela força na reativação do Túnel de Ensaio Climatizador (T.E.C.). Aos amigos Nadilson Alves, Luciete Alves, Carlos Alexandre, Carlos Henrique, Renato e Max pela excelente convivência no decorrer destes anos.

8 V RESUMO Há uma crescente preocupação mundial a respeito da destruição da camada de ozônio envolvendo a terra. Os CFCs, como o R-12, foram identificados como de alto poder destruidor da camada de ozônio (ODP), pela presença de cloro em sua estrutura. Os HCFCs, como o R-22, por possuírem cloro em sua estrutura, devem ser substituídos como fluidos refrigerantes. Na Europa, equipamentos novos não são produzidos com o R-22 desde dezembro de Justamente pela ausência de átomos de cloro em sua estrutura, os hidrocarbonetos apresentam um potencial de depleção de ozônio (ODP) zero. Estudos indicam que o coeficiente de performance (COP) de unidades de refrigeração utilizando propano ou misturas com propano chegam a ser mais altos que em unidades usando R-12. Esse fato, juntamente com seu baixo GWP (Potencial de efeito estufa, que compara a massa do gás com uma mesma massa de CO 2 ), fazem do propano e de misturas de compostos hidrocarbono bons candidatos a refrigerantes alternativos. O objetivo deste trabalho é fazer uma análise comparativa da capacidade de refrigeração e do COP em condicionadores de ar do tipo janela (C.A.J.) utilizando R-600a (isobutano), R-290 (propano) em comparação ao R-22. Uma unidade condicionadora de ar tipo janela foi testada, utilizando-se diferentes massas de R290 e R-600a. Foram realizados testes em ambiente real e em um túnel climatizado, adaptado para o presente estudo. Os resultados indicaram que o R290 é um candidato ideal a substituto do R22 em unidades de ar condicionado tipo janela, mostrando COP e capacidade de refrigeração compatível com o R22. Como suporte às análises experimentais, foi realizada uma análise termodinâmica do ACJ, com equações trabalhadas no EES (Engineering Solver Equation). Palavras Chaves: Refrigerantes Alternativos, Propano, Isobutano.

9 VI ABSTRACT There is a growing concern worldwide about the destruction of the ozone layer surrounding the earth. The CFCs, as the R-12, were identified as high destructive power of the ozone layer (ODP), due to the presence of chlorine in its structure. The HCFCs, as R-22, also have chlorine in its structure and must be replaced as refrigerants. In Europe, new equipments are not produced with the R-22 since December Precisely by the absence of chlorine atoms in its structure, the hydrocarbons present a ozone potential depletion (ODP) zero. Studies indicate that the coefficient of performance (COP) of refrigeration units using propane or mixtures with propane is indeed higher than those units using R-12. This fact, together with their low GWP (potential greenhouse effect, which compares the mass of gas with the same mass of CO 2 ), indicate that propane and mixtures of compounds of hydrocarbons are good candidates as alternative refrigerants. The objective of this work is to perform a comparative analysis of the cooling capacity and the COP in a window air conditioning unit (WAC) using R-600a (isobutane), R-290 (propane) and R 22, for the sake of comparison. A window air conditioning unit was tested, using different quantities of R290 and R-600a. Tests were carried out in an equipment surrounded by an actual environment and in the same equipment inside a tunnel adapted to this experiment. Tne results indicated that R290 is an ideal candidate to substitute R22 in air conditioning unities showing COP and cooling capacities even higher that the results for R22. As a support for the experimental analysis, a thermodynamic analysis of an WAC was conducted, with equations worked by EES (engineering Equation Solver) Key Words: Alternative Refrigerants, Propane, Isobutane.

10 VII SIGLAS E SÍMBOLOS ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ABRAVA Associação Brasileira de Refrigeração, Ar Condicionado, Ventilação e Aquecimento ACJ Ar condicionado do Tipo Janela ASHRAE American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers CFC Clorofluorcarbono Co Constantan CONAMA Conselho Nacional do Meio Ambiente COP Coeficiente de Performance C p Calor Específico a Pressão Constante Cu Cobre C v Calor Específico a Volume Constante EES Engineering Equation Solver GTD Gliding Temperature Difference GWP Global Warming Potential h Entalpia [kj/kg] H Entalpia [kj/kg] HC Hidrocarboneto HCFC Hidroclorofluorcarbono HFC Hidrofluorcarbono h v Entalpia do Vapor saturado à Temperatura da Mistura IPCC Painel Intergovernamental sobre Mudança Climática IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry LFL Lower Flame Limit m a Massa de Ar seco m v Massa de vapor N Valores Medidos N(x) Distribuição Normal Ni Níquel NR Norma Regulamentadora ø Umidade Relativa ODP Ozone Depletion Potential p Pressão [kpa] P(x) Probabilidade de obter o valor x apenas com uma medida P a Pressão Parcial de Ar seco [kpa] P atm Pressão Atmosférica [kpa] P cr Pressão Crítica [Bar] PFC Perfluorocarbonetos Pressão Parcial de Vapor [kpa] P v

11 VIII R a s T TBS TBU T cr TEC TEWI u medida UFL VET w x σ Constante Universal dos gases Entropia [kj/kg.k] Temperatura [ C] Temperatura de Bulbo Seco [ C] Temperatura de Bulbo Úmido [ C] Temperatura Crítica [ C] Túnel de Ensaio Climatizador Total Equivalent Warming Impact Incerteza Relativa Upper Flame Limit Válvula de Expansão Termostática Razão de Umidade Destruição da Exergia Desvio Padrão Capacidade Frigorífica [kw] Fluxo Mássico [kg/s] Efeito Frigorífico [kj/kg] Trabalho de Compressão [kw] Calor Rejeitado no Condensador [kw] Entropia gerada [kw/k] Exergia [kw]

12 IX LISTA DE FIGURAS CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO Figura 1.1 Condicionador de Ar tipo Janela. 02 Figura 1.2 Condicionador de Ar tipo Split. 02 Figura Emissão anual de Fluorcarbonos. 07 Figura 1.4 Emissão anual de Fluorcarbonos alternativos. 09 CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Figura 2.1 Hidrocarbonetos de cadeia cíclica. Ciclopentano e ciclo-hexano. 20 CAPÍTULO 3 SISTEMA POR COMPRESSÃO Figura 3.1 Esquema de um circuito de refrigeração por compressão de vapor. 29 Figura 3.2 Esquema de um compressor alternativo pistão 31 Figura 3.3 Esquema de funcionamento de um compressor alternativo pistão. 31 Figura 3.4 Seção transversal de um compressor centrífugo. 32 Figura 3.5 Detalhes de um compressor parafuso 33 Figura 3.6 Processo de compressão em um compressor de parafusos. 34 Figura 3.7 Esquema do processo de compressão em um compressor scroll 34 Figura 3.8 Esquema de um compressor rotativo 35 Figura 3.9 Esquema de um condensador a água Duplo Tubo. 36 Figura 3.10 Condensador a água Carcaça e Tubo 36 Figura 3.11 Esquema de um condensador a água Carcaça e Tubo Duplo Tubo. 36 Figura 3.12 Condensador a água do tipo placas 37 Figura 3.13 Condensador a ar. 38 Figura 3.14 Condensador Evaporativo 38 Figura 3.15 Válvula de Expansão Termostática 39 Figura 3.16 Válvula de Expansão Termostática no circuito frigorígeno. 40 Figura 3.17 Evaporadores resfriamento de ar. 41 Figura 3.18 Evaporadores carcaça e tubo. 41 CAPÍTULO 4 ANÁLISE TERMODINÂMICA DE UM ACJ Figura 4.1 Diagrama pressão versus entalpia do ciclo teórico de refrigeração por 42 compressão de vapor e a identificação de seus principais componentes. Figura 4.2 Diferenças entre o ciclo teórico e o ciclo real de refrigeração por compressão 44 de vapor. Figura 4.3 Vista do interior de um ACJ, com esquema do sistema de refrigeração. 44 Figura 4.4 Processo de transferência de calor no evaporador. 46 Figura 4.5 Processo de compressão adiabático reversível no compressor. 46 Figura 4.6 Processo de transferência de calor no condensador. 47

13 X Figura 4.7 Processo no dispositivo de expansão. 47 Figura 4.8 Circuito de refrigeração Volumes de Controle nos componentes básicos. 49 CAPÍTULO 5 ANÁLISE EXPERIMENTAL Figura 5.1 Calorímetro psicrométrico 52 Figura 5.2 Vista externa do calorímetro calibrado e balanceado 53 Figura 5.3 Esquema de um calorímetro calibrado e balanceado 53 Figura 5.4 Esquema do Túnel de Ensaio Climatizador TEC 54 Figura 5.5 Módulo 1 Laminador Figura 5.6 Módulo 2 Medidor de temperatura e umidade do ar de insuflação. 55 Figura 5.7 Módulo 3 Bateria de resistências. 55 Figura 5.8 Bateria de resistências. 56 Figura 5.9 Módulo 4 Laminador Figura 5.10 Módulo 5 Medidor de velocidade do interior do TEC. 56 Figura 5.11 Módulo 7 Exaustor. 57 Figura 5.12 Módulo 8 Sistema de Umidificação. 57 Figura 5.13 Umidificadores de ar. 57 Figura 5.14 Módulo 9 Laminador Figura 5.15 Módulo 10 Medidor de temperatura e umidade do ar de retorno. 58 Figura 5.16 Vista geral do TEC. 58 Figura 5.17 Esquema dos pontos de tomada de pressão e temperatura no ACJ. 59 Figura 5.18 Pontos de tomada de temperatura no condicionador de ar. Saída do 59 condensador (a); Entrada do evaporador (b). Figura 5.19 Pontos de tomada de temperatura no condicionador de ar. Saída do 60 evaporador (a); Entrada do condensador (b). Carcaça do compressor (c). Figura 5.20 Pontos de tomada de pressão no condicionador de ar. Pressão do 60 evaporador e pressão do condensador. Figura 5.21 Pontos de tomada de pressão e temperatura no condicionador de ar. 60 Figura 5.22 Ponto de tomada de temperatura de insuflação do condicionador de ar. 61 Figura 5.23 Pontos de tomada de temperatura e umidade na insuflação e no retorno no 61 TEC. Figura 5.24 Termopares do tipo T acoplados ao sistema de aquisição de dados (a); 62 Desenho representativo de um termopar tipo T (b). Figura 5.25 Representação da distribuição dos termopares nos módulos 2 e 10 do TEC 63 (a); Termopares para coleta de temperatura da insuflação e retorno (b). Figura 5.26 Termômetro digital de cinco sensores. Modelo Penta III (a); Indicação do 63 Display (b). Figura 5.27 Termo higrômetro da OMEGA para medição da velocidade do ar. 64 Figura 5.28 Sensor de umidade do tipo capacitivo desenvolvido pela UFSC 64 Florianópolis. Figura 5.29 Planilha eletrônica e gráficos de temperaturas Aquisição de dados: 65 Software DeLogger. Figura 5.30 Conjunto manifold utilizado para medição das pressões do condensador e 66 do evaporador. Figura 5.31 Bomba de vácuo utilizada na retira de umidade. Modelo DOSIVAC DVR 66 Figura 5.32 Balança digital utilizada para medir a massa de fluido refrigerante colocada 67

14 XI no sistema marca DIGITAL SCALE (a); detalhe das dosagens de R-600a (b). Figura 5.33 Umidificador de Ar. 67 Figura 5.34 Desmontagem do túnel (a) e limpeza interna e externa (b). 68 Figura 5.35 Vedação na junção dos módulos do túnel e corte do excesso de borracha. 68 Figura 5.36 Hélice do ventilador danificada e substituída (a); resistências elétricas(b). 69 Figura 5.37 Módulo destinado à reposição da umidade (a) e vedação do sistema (b). 69 Figura 5.38 Túnel isolado com isopor (a); Túnel isolado com a manta (b). 70 Figura 5.39 Instrumentação utilizada no condicionador sensores de temperatura e 70 manômetros (conjunto manifold). Figura 5.40 Geração de vácuo no sistema (a); Carga de R-22 no condicionador de ar (b). 71 Figura 5.41 Cilindro de isobutano (a); Sistema sendo carregado com isobutano (b). 71 CAPÍTULO 6 RESULTADOS E DISCUSSÕES Figura 6.1 Temperatura da Carcaça de Compressor para o R-22, R-290 e R-600a. 73 Figura 6.2 Temperatura da linha de descarga do compressor para o R-22, R-290 e R a. Figura 6.3 Temperatura da linha de líquido para o R-22, R-290 e R-600a. 74 Figura 6.4 Temperatura do refrigerante na entrada do Evaporador para o R-22, R-290 e 74 R-600a. Figura 6.5 Temperatura de sucção do compressor para o R-22, R-290 e R-600a. 75 Figura 6.6 Diagrama pressão (p) entalpia (h) teórico para o R-22 obtido pelo 76 programa CoolPack versão Figura 6.7 Propriedades termodinâmicas para o R-22 obtido pelo programa CoolPack 76 versão Figura 6.8 Diagrama pressão (p) entalpia (h) teórico para o R-290 obtido pelo 77 programa CoolPack versão Figura 6.9 Dados adicionais para o R-290 obtido pelo programa CoolPack versão Figura 6.10 Diagrama pressão (p) entalpia (h) para o R-600a obtido pelo programa 78 CoolPack versão Figura 6.11 Potência de Compressão para o R-22, R-290 e R-600a. 78 Figura 6.12 Capacidade Frigorífica para o R-22, R-290 e R-600a. 79 Figura 6.13 Coeficiente de Performance para o R-22, R-290 e R-600a. 79 Figura 6.14 Congelamento da superfície da tubulação de entrada do evaporador 80 caracterizando baixa quantidade de refrigerante no sistema. Figura 6.15 Potência de Compressão para o R-22, R-290 e R-600a. Teste realizado no 83 Túnel de Ensaio Climatizador. Figura 6.16 Capacidade Frigorífica para o R-22, R-290 e R-600a. Teste realizado no 83 Túnel de Ensaio Climatizador. Figura 6.17 COP para o R-22, R-290 e R-600a. Teste realizado no Túnel de Ensaio 84 Climatizador. Figura 6.18 COP versus temperatura de evaporação para o R-22, R-290 e R-600a. 85 Resultados obtidos pelo EES. Figura 6.19 Capacidade de refrigeração versus temperatura de evaporação para o R-22, 86 R-290 e R-600a. Resultados obtidos pelo EES. Figura 6.20 Potência de compressão versus temperatura de evaporação para o R-22, R e R-600a. Resultados obtidos pelo EES.

15 XII Figura 6.21 Entropia gerada no compressor versus temperatura de evaporação para o R- 22, R-290 e R-600a. Resultados obtidos pelo EES. Figura 6.22 Destruição da exergia associada ao compressor versus temperatura de evaporação para o R-22, R-290 e R-600a. Resultados obtidos pelo EES. Figura 6.23 Entropia gerada no condensador versus temperatura de evaporação para o R-22, R-290 e R-600a. Resultados obtidos pelo EES. Figura 6.24 Destruição da exergia associada ao condensador versus temperatura de evaporação para o R-22, R-290 e R-600a. Resultados obtidos pelo EES. Figura 6.25 Entropia gerada no tubo capilar versus temperatura de evaporação para o R- 22, R-290 e R-600a. Resultados obtidos pelo EES. Figura 6.26 Destruição da exergia associada ao tubo capilar versus temperatura de evaporação para o R-22, R-290 e R-600a. Resultados obtidos pelo EES. Figura 6.27 Entropia gerada no evaporador versus temperatura de evaporação para o R- 22, R-290 e R-600a. Resultados obtidos pelo EES. Figura 6.28 Destruição da exergia associada ao evaporador versus temperatura de evaporação para o R-22, R-290 e R-600a. Resultados obtidos pelo EES. Figura 6.29 COP de um sistema de refrigeração por compressão a vapor utilizando R-22 com uma temperatura de evaporação de 5 C e temperatura de condensação de 50 C. Diagrama pressão (p) entalpia (h) obtido pelo CoolPack versão Figura 6.30 COP de um sistema de refrigeração por compressão a vapor utilizando R-22 com uma temperatura de evaporação de 3 C e temperatura de condensação de 50 C. Diagrama pressão (p) entalpia (h) obtido pelo CoolPack versão Figura 6.31 Massa ótima de propano (R-290) versus pressão de descarga do compressor. Figura 6.32 Massa ótima de isobutano (R-600a) versus pressão de descarga do compressor ANEXOS Figura A.1 Representação de um termopar tipo T. O material isolante azul é o 98 positivo (cobre) e o vermelho é o negativo (constantan). Figura A.2 Sistema de aquisição de dados (a) datataker; (b) conexão dos termopares 100 no datataker; (c) coleta de dados. Figura A.3 Sistema de aquisição de dados Programa DeLogger Plus. 100 Figura B.1 Diagrama T s demonstrando o fenômeno de ponto de orvalho. 103 Figura B.2 Diagrama T s definição de umidade relativa. 104 Figura B.3 Carta Psicrométrica. 106 Figura B.4 Componentes da Carta Psicrométrica. 107 Figura B.5 Processos psicrométricos. 107 Figura C.1 Distribuição de pontos para uma mesma grandeza física. 109 Figura C.2 Forma gráfica da distribuição dos valores medidos. 110 Figura C.3 Distribuições simétricas para um valor de N(x) muito grande. 110 Figura D.1 Programa EES utilizado na análise termodinâmica. 114

16 XIV LISTA DE TABELAS CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO Tabela 1.1 Principais propriedades do refrigerante HCFC Tabela 1.2 Principais substâncias que contribuem para a destruição da camada de ozônio 6 e o respectivo tempo de vida na atmosfera. Tabela 1.3 Principais substâncias que destroem a camada de Ozônio e suas respectivas 6 utilizações. Tabela 1.4 Calendários de redução da produção e consumo das substâncias que 8 destroem a camada de ozônio. Tabela 1.5 CFCs e alternativos dos fluorcarbonos e suas importantes propriedades 9 físicas. Tabela 1.6 ODP e GWP do R-12, R-134a e alguns hidrocarbonetos. 11 Tabela 1.7 Tempo de vida atmosférica (anos) e GWP dos principais refrigerantes CFCs, 11 HCFCs e HFCs. CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Tabela 2.1 Histórico dos primeiros refrigerantes. 16 Tabela 2.2 Nomenclatura de hidrocarbonetos halogenados Substâncias simples. 18 Tabela 2.3 Nomenclatura de hidrocarbonetos halogenados Isômeros. 19 Tabela 2.4 Nomenclatura de hidrocarbonetos halogenados Problemas de assimetria. 19 Tabela 2.5 Nomenclatura da IUPAC para hidrocarbonetos. 19 Tabela 2.6 Propriedades de alguns fluidos alternativos do R Tabela 2.7 Tempo de vida atmosférica do R-22 e de alguns substitutos. 23 Tabela 2.8 Características de alguns hidrocarbonetos de interesse como refrigerante. 23 Tabela 2.9 Limites de flamabilidade e ignição para alguns refrigerantes inflamáveis. 25 Tabela 2.10 Propriedades Físicas do Propano. 26 Tabela 2.11 Propriedades Físicas do Isobutano. 27 CAPÍTULO 4 ANÁLISE TERMODINÂMICA DE UM ACJ Tabela 4.1 Resumo das equações indicadas para os diferentes balanços apresentados no capítulo, para os principais componentes de um sistema de refrigeração por compressão, a vapor. 50 CAPÍTULO 5 ANÁLISE EXPERIMENTAL Tabela 5.1 Condições operacionais de um calorímetro calibrado e balanceado 54 Tabela 5.2 Dados técnicos do condicionador de ar. 62 Tabela 5.3 Especificações técnicas do Termômetro digital portátil com cinco sensores. 63 Tabela 5.4 Especificações técnicas (conjunto manifold). 65 Tabela 5.5 Especificações técnicas (bomba de vácuo). 67

17 XV CAPÍTULO 6 RESULTADOS E DISCUSSÕES Tabela 6.1 Diferença entre as temperaturas de insuflação e retorno Dados sala. 72 Tabela 6.2 Pressões médias de sucção e descarga para o R-22, R-290 e R-600a para os 80 testes em ambiente real. Tabela 6.3 Diferença entre as temperaturas de insuflação e retorno Dados TEC. 81 Tabela 6.4 Temperatura da linha de descarga para o R-22, R-290 e R-600a. Dados 81 coletados no túnel de ensaio climatizador. Tabela 6.5 Temperatura da linha de líquido para o R-22, R-290 e R-600a. Dados 81 coletados no túnel de ensaio climatizador. Tabela 6.6 Temperatura da linha de sucção para o R-22, R-290 e R-600a. Dados 82 coletados no túnel de ensaio climatizador. Tabela 6.7 Temperatura na entrada do evaporador para o R-22, R-290 e R-600a. Dados 82 coletados no túnel de ensaio climatizador. Tabela 6.8 Pressões médias de sucção e descarga para o R-22, R-290 e R-600a para os 84 testes realizados no túnel de ensaio climatizador. ANEXOS Tabela B.1 Composição do ar padrão atmosférico 102 Tabela C.1 Valores de probabilidade em função do Parâmetro Z. 111

18 XVI EQUAÇÕES CAPÍTULO 4 ANÁLISE TERMODINÂMICA DE UM ACJ Equação 4.1 Coeficiente de Performance 45 Equação 4.2 Capacidade frigorífica 45 Equação 4.3 Efeito frigorífico 46 Equação 4.4 Potência Teórica de Compressão 46 Equação 4.5 Calor rejeitado no condensador 47 Equação 4.6 Dispositivo de Expansão 47 Equação 4.7 Balanço de massa 48 Equação 4.8 Balanço de energia 48 Equação 4.9 Balanço de entropia 49 Equação 4.10 Balanço de exergia 49 Equação 4.11 Relação de Guoy-Stodola 49 ANEXOS Equação B.1 Equação de Dalton 102 Equação B.2 Umidade Relativa 104 Equação B.3 Razão de Umidade 104 Equação B.4 Umidade Absoluta 105 Equação B.5 Entalpia de uma mistura 105 Equação B.6 Entalpia de um gás perfeito 105 Equação B.7 Volume específico 106 Equação C.1 Média aritmética 109 Equação C.2 Desvio padrão 109 Equação C.3 Distribuição normal ou Gaussiana 110 Equação C.4 Probabilidade de obter o valor x apenas com uma medida 111 Equação C.5 Erro padrão da Mádia 111 Equação C.6 Valor estimado de uma Grandeza 111 Equação C.7 Incerteza relativa 112 Equação C.8 Incerteza relativa de R devido à incerteza relativa de Xi 113 Equação C.9 Incerteza de R devido à combinação dos efeitos das incertezas de todas as 113 grandezas envolvidas

19 XVII SUMÁRIO RESUMO ABSTRACT SIGLAS E SÍMBOLOS FIGURAS TABELAS EQUAÇÕES SUMÁRIO V VI VII IV XIV XVI XVII CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO Sistemas de Condicionamento de Ar Tipo Janela (ACJ) Fluidos de Trabalho em Sistemas ACJ Colocação do Problema: O Impacto Ambiental Destruição da Camada de Ozônio Convenção de Viena Para A Proteção da Camada de Ozônio e Protocolo de Montreal Relativo às Substâncias que deterioram a Camada de Ozônio Caracterização de Impacto Ambiental Ozone Depletion Potential (ODP) Global Warming Potential (GWP) Total Equivalent Warming Impact (TEWI) Controvérsias sobre o Aquecimento Global Objetivos desse Trabalho Objetivo Principal Objetivos Secundários Estrutura do Trabalho 13 CAPÍTULO 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Fluidos Refrigerantes e sua Evolução Histórica Nomenclatura dos Refrigerantes Refrigerantes Alternativos O Uso do Isobutano e do Propano como Refrigerantes Alternativos 24 CAPÍTULO 3 SISTEMA POR COMPRESSÃO Compressor Classificação quanto ao Tipo de Compressão Compressor Alternativo Compressor Centrífugo Compressor Parafuso Compressor Scroll Compressor Rotativo Condensador 35

20 XVIII Condensador a Água Condensador a Ar Condensador Evaporativo Dispositivo de Expansão Evaporador 40 CAPÍTULO 4 ANÁLISE TERMODINÂMICA DE UM ACJ Ciclos de Refrigeração por Compressão de Vapor Coeficiente de Performance do Ciclo Balanço de Energia para o Ciclo de Refrigeração Capacidade ou Potência Frigorífica do Ciclo Potência Teórica de Compressão Calor rejeitado no condensador Dispositivo de Expansão Balanço de Entropia 48 CAPÍTULO 5 ANÁLISE EXPERIMENTAL Descrição do Túnel de Testes Pontos de Medição e Variáveis Medidas Instrumentação Preparação dos Testes Túnel de Ensaio Climatizador Teste em ambiente real 70 CAPÍTULO 6 RESULTADOS E DISCUSSÕES ACJ em ambiente real Temperatura de Insuflamento e Retorno Temperaturas da carcaça do compressor, sucção, evaporador e da linha de líquido e de descarga Diagramas Pressão Entalpia Coeficiente de performance (COP), potência de compressão e capacidade frigorífica ACJ no Túnel de Ensaio Climatizador Temperatura de insuflamento e retorno Temperaturas na linha de descarga, sucção, evaporador e linha de líquido Coeficiente de Performance (COP), potência de compressão e capacidade frigorífica Comparação dos resultados dos experimentos em ambiente real (sala) e no Túnel de Ensaio Climatizador (T.E.C.) Resultados da análise termodinâmica COP, capacidade frigorífica, potência de compressão versus temperatura de evaporação Entropia gerada e destruição da exergia associada aos componentes básicos do sistema de refrigeração por compressão de vapor versus temperatura de evaporação 87

21 XIX 6.5 Influência da temperatura de evaporação no COP Influência da massa de fluido refrigerante 92 CAPÍTULO 7 CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS Conclusões Sugestões para trabalhos futuros 94 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 95 ANEXOS 98 A. Calibração dos termopares 98 B. Psicrometria 102 C. Análise de erros 108 D. Programa EES 114

22 1. INTRODUÇÃO O condicionamento de ar é uma das mais nobres invenções da vida moderna. A sua invenção revolucionou o conceito de conforto ambiental, sendo a base para inúmeras inovações tecnológicas, além de passar a fazer parte da vida das pessoas. A história do condicionador de ar começou nos Estados Unidos da América (USA), em 1902, com o engenheiro Willis Carrier analisando os problemas específicos de uma indústria gráfica de Nova York em seus processos de impressão. A gráfica constantemente enfrentava problemas com a variação da qualidade de impressão em dias quentes, em função da absorção de umidade pelo papel. Mais tarde, o invento se tornaria precursor de toda a indústria da climatização e controle do conforto ambiental. O invento tornou-se público em 1904 na St. Louis Worldsfair. Não tardou para que outros segmentos também passassem a adotar o condicionamento de ar, dentre eles as indústrias de papel, laboratórios farmacêuticos e indústrias de fumo, por exemplo. Apenas em 1914 o controle do clima é usado para fins de conforto. Um equipamento de ar condicionado foi usado pela primeira vez numa residência, no estado norteamericano de Minnesota. No mesmo ano foi instalado também o primeiro ar condicionado num hospital em Pittsburgh. O sistema supria com umidade extra o berçário para bebês prematuros, contribuindo para reduzir a mortalidade infantil por desidatração e por problemas respiratórios. Os anos 20 foram marcantes na relação entre o mercado e o advento do ar condicionado. Em 1922, o primeiro local público a ter um sistema de ar condicionado foi o Grauman s Metropolitan Theatre, em Los Angeles, USA. A adoção do condicionamento residencial só pôde ser disseminada, com mais ênfase, a partir dos anos 50, com a produção em série de unidades em formato de caixas de aço para instalações suspensas, os hoje considerados condicionadores de ar tipo janela. No Brasil, só depois de muitos anos mais tarde é que está tecnologia seria desenvolvida de fato no país. No início da década de 50 era necessário importar todos os equipamentos para compor o sistema de condicionamento de ar de uma forma bem artesanal. Apenas por volta de 1965, o primeiro condicionador de ar foi lançado pela empresa Coldex impulsionado pelo forte processo de industrialização que enfrentava o país. (Revista Abrava, 2002). 1.1 SISTEMAS DE CONDICIONAMENTO DE AR TIPO JANELA (ACJ) Os condicionadores de ar tipo janela são unidades condicionadoras de ar de pequeno porte, usadas para climatização de pequenos recintos. Elas são instaladas na parede de edificações, como pode ser visualizado na figura 1.1.

23 Capítulo 1 - Introdução Figura 1.1 Condicionador de Ar tipo Janela a Btu/h. ( No Brasil, segundo a ABRAVA (Associação Brasileira de Refrigeração, Ar Condicionado, Ventilação e Aquecimento), ano de 2001, cerca de 780 mil unidades de ACJ foram comercializadas em todo o país. De acordo com o IBGE, em 2000, o Censo registrou condicionadores de ar nestes domicílios. Apesar do inegável avanço dos sistemas air splits 1, os aparelhos condicionadores de ar para pequenos recintos mais populares do mercado continuam sendo os condicionadores de ar do tipo janela. (Oliveira, 2003). A figura 1.2 mostra um exemplo de um condicionador de ar tipo split. Figura 1.2 Condicionador de Ar tipo Split a Btu/h. ( A partir da década de 90 os condicionadores de ar do tipo split se desenvolveram e passaram a ocupar um grande espaço no mercado de climatização. Surgiu a partir da necessidade de climatizar pequenos ambientes internos de uma edificação que não poderiam ser atendidos por condicionadores individuais do tipo janela. A palavra split, que significa divisão em inglês, passou a ser usada para denominar estes condicionadores de ar que foram divididos. Este não 1 Significa ar separado. É um aparelho com capacidade próxima ao ACJ, com a grande vantagem de apresentar um menor nível de ruído, devido à localização do compressor no lado externo do ambiente a condicionar (Oliveira, 2003). 2

24 Capítulo 1 - Introdução precisa ser instalado em uma parede externa ou janela. Este equipamento é dividido em duas partes sendo uma instalada dentro do ambiente climatizado (unidade evaporadora) e outra instalada em um ambiente externo (unidade condensadora). Desde então, foram surgindo diversos tipos de unidades internas (evaporadoras) para se adequar a várias condições arquitetônicas dos ambientes. Entretanto, há certa lentidão na substituição dos condicionadores de ar tipo janela pelos split. A questão financeira é o principal motivo, uma vez que um condicionador de ar split custa aproximadamente o dobro do preço de um do tipo janela de mesma potência além de requerer mão-de-obra especializada para sua instalação. (Oliveira, 2003). 1.2 FLUIDOS DE TRABALHO EM SISTEMAS ACJ Refrigerantes são fluidos de trabalho usados em refrigeração, condicionadores de ar e sistemas de aquecimento (bombas de calor). Percorrendo um ciclo fechado, eles absorvem calor de um ambiente e o rejeitam em outro, através de processos de evaporação e de condensação. A seleção de um refrigerante envolve compromissos conflitantes além de propriedades termodinâmicas desejáveis. O refrigerante deve satisfazer muitas exigências, algumas das quais não dizem respeito diretamente à sua capacidade de transferência de calor. A estabilidade química em condições de utilização é a mais importante característica. Para situações onde a segurança é extremamente necessária são exigidos refrigerantes não inflamáveis e de baixa toxidade. O custo, a disponibilidade (facilidade para produção e compra), a compatibilidade com o óleo do compressor e com os materiais com que o equipamento é construído são outras preocupações importantes. (ASHRAE, 1997). Algumas outras características desejáveis para um fluido refrigerante são: ser voláteis, apresentar calor latente de vaporização elevado; requerer o mínimo de potência para sua compressão à pressão de condensação; apresentar temperatura crítica bem acima da temperatura de condensação; produzir o máximo possível de refrigeração para um dado volume de vapor; ser estável; não ter tendência a se decompor nas condições de funcionamento; não apresentar efeitos prejudiciais sobre metais, lubrificantes e outros materiais utilizados nos demais componentes do sistema; não ser explosivo nas condições normais de funcionamento; possibilitar que vazamentos sejam detectáveis por simples verificação; ser inofensivo às pessoas; ter um odor que revele sua presença; ter um custo razoável, além de existir em abundância para seu emprego comercial. (Trott e Welch, 2000). Em 1988 em Toronto, Canadá, houve a primeira reunião internacional entre governantes e cientistas sobre mudanças climáticas. Em 1990 o IPCC (Painel Intergovernamental sobre Mudança Climática) advertiu para a estabilização dos crescentes níveis de dióxido de carbono na atmosfera. No ano de 1992 mais de 160 paises assinam a Convenção Marco sobre Mudança Climática (ECO-92) com o objetivo de evitar interferências antropogênicas perigosas no sistema climático. Em 1995 o IPCC divulga os primeiros sinais de mudança climática. E finalmente em 1997 em Kyoto, Japão, é assinado o Protocolo de Kyoto, um acordo vinculante que compromete os países do Norte a reduzir suas emissões de gases de efeito estufa responsáveis pelo aquecimento global. Em 1990, o Brasil aderiu à Convenção de Viena (1985) e ao Protocolo de Montreal (1987). Com base nesses tratados, a produção, o comércio e o uso de substâncias destruidoras da camada de ozônio foram reduzidos globalmente e foram desenvolvidas tecnologias alternativas para minimizar os riscos à Camada de Ozônio. ( 3

25 Capítulo 1 - Introdução O R-22 (HCFC-22, CHCIF 2 ou Clorodifluorometano) é um gás refrigerante do tipo HCFC (hidroclorofluorcarbono) que causa destruição da camada de ozônio devido à presença do cloro na sua estrutura química, além disso, contribui para o fenômeno do aquecimento global (efeito estufa). O mesmo foi predominantemente usado em condicionadores de ar residenciais e bombas de calor durante as últimas décadas e seu volume de vendas foram o maior entre vários refrigerantes. Embora seu potencial de destruição da camada ozônio não seja tão alto como o dos CFCs, este ainda contém um potencial de depleção do ozônio e o Protocolo de Montreal decidiu proibir sua fabricação. (Park e Jung, 2006). O fluido refrigerante de maior faixa de aplicação em climatização e refrigeração é o R-22 devido a sua excelente segurança, eficiência energética e características operacionais. Dentre suas características podemos citar: baixa toxicidade, não inflamabilidade na presença do ar atmosférico à temperatura ambiente e à pressão atmosférica, entretanto, possui risco de asfixia se em altas concentrações. ( Dada a sua ampla faixa de aplicação, o R-22 tem sido utilizado nos mais diversos equipamentos de refrigeração, tais como compressores scroll, recíprocos, centrífugos, rotativos e de parafuso e até mesmo em sistemas de absorção, embora ainda em caráter experimental. (Calm e Domanski, 2004). Os refrigerantes são classificados de acordo com os riscos envolvidos na sua utilização (ASHRAE Standard 34). A toxicidade e a inflamabilidade originam seis grupos (A1, A2, A3, B1, B2, B3) para os refrigerantes. O grupo A1 é para os refrigerantes menos perigosos e o grupo B3 para os mais perigosos. A classificação consiste de uma letra maiúscula e um número. A letra maiúscula designa a toxicidade do refrigerante em concentrações abaixo 400 ppm em volume: Classe A Toxidade não identificada Classe B Evidência de toxidade identificada O número denota a inflamabilidade do refrigerante: Classe 1 Não há propagação de chama no ar a 18 C e 101 kpa. Classe 2 Limite inferior de inflamabilidade (LFL) superior a 0,10 kg/m 3 a 21 C e 101 kpa e calor de combustão inferior a KJ / kg. Classe 3 Altamente inflamável, conforme definido pela LFL inferior ou igual a 0,10 kg/m 3 a 21 C e 101 kpa ou calor de combustão maior que ou igual a KJ / kg. Nesta classificação o HCFC-22 pertence à classe A1, ou seja, este pertence à classe de refrigerantes menos perigosos. (ASHRAE, 1997). A tabela seguinte mostra as principais propriedades do refrigerante HCFC-22. Tabela 1.1 Principais propriedades do HCFC-22. Tabela adaptada de ASHRAE (1997). Ponto de Ponto de Pressão Volume Fórmula Massa Temperatura Nome Químico Ebulição congelamento, Crítica, Crítico, Química Molecular Crítica, ( C) ( C) ( C) (kpa) (l/kg) Clorodifluorometano CHClF 2 86,48-40, , ,904 4

26 Capítulo 1 - Introdução 1.3 COLOCAÇÃO DO PROBLEMA: O IMPACTO AMBIENTAL O setor de refrigeração e ar condicionado tem enfrentado nos últimos anos um grande movimento de discussão e avaliação dos seus impactos ambientais devido a questões ambientais (proteção da camada de ozônio e a eliminação dos CFCs e HCFCs). Isto tem originado diversas modificações nos fluidos refrigerantes, nos projetos dos seus produtos e equipamentos, nos processos de fabricação e procedimentos de manutenção. Recentemente outro problema ambiental também de dimensões globais vem sendo analisado: o efeito estufa e o processo de aquecimento global. As alterações climáticas são consideradas uma ameaça potencialmente grave para o ambiente mundial. O clima é fortemente influenciado pelas alterações das concentrações atmosféricas de determinados gases que retêm a radiação infravermelha emitida pela superfície terrestre (fenômeno conhecido como efeito estufa). O vapor de água e o dióxido de carbono (CO 2 ) presentes na atmosfera originam um efeito estufa natural sem o qual a temperatura da superfície terrestre seria muito baixa. Outros gases que contribuem de forma importante para o efeito estufa são o metano (CH 4 ), o óxido nitroso (N 2 O) e alguns compostos halogenados como os CFC e os perfluorocarbonetos (PFC). Observou-se, nos últimos cem anos, uma grande elevação, em termos históricos, da temperatura média mundial. Embora não existam dados que permitam determinar qual a contribuição dos gases de efeito estufa para o aquecimento global observado, segundo o IPCC, há provas de que as atividades humanas estão agravando o efeito estufa. (IPCC, 1996) DESTRUIÇÃO DA CAMADA DE OZÔNIO O ozônio é uma molécula constituída por três átomos de oxigênio e é um componente extremamente raro da atmosfera da Terra. A maioria do ozônio, cerca de 90%, é encontrada na camada superior da atmosfera (estratosfera), entre 10 e 50 km acima da superfície terrestre. Esta camada de ozônio absorve quase toda a radiação ultravioleta nociva (UV-B) que emana do sol. Uma fonte de calor é gerada pela absorção do UV-B pela camada de ozônio, desempenhando um papel fundamental na estrutura de temperatura do planeta. Qualquer dano à camada de ozônio permite então que mais radiação UV-B atinja a superfície da Terra. Qualquer aumento da quantidade de UV-B que atinge a superfície da Terra tem efeitos potencialmente nocivos à saúde humana, aos animais, plantas, microorganismos, materiais e à qualidade do ar. Nos seres humanos a exposição ao UV-B em longo prazo pode acarretar danos à visão, além de poder causar supressão do sistema imunológico, que é um problema potencialmente grave em áreas onde doenças infecciosas são comuns e o câncer de pele em população de pele clara. ( A teoria aceita é a de que o ozônio da estratosfera estaria sendo eliminado, em grande parte, pelo cloro presente nas substâncias denominadas clorofluorcarbonos (CFC), muito estáveis e que permanecem na atmosfera por dezenas de anos. Estima-se que uma única molécula de CFC teria a capacidade de destruir até cem mil moléculas de ozônio. Substâncias sintéticas coadjuvantes neste processo seriam algumas outras contendo cloro, como o metil clorofórmio, além dos halons e compostos de bromo. ( Devido à persistência destes compostos irão ser ainda necessárias várias décadas para que os níveis de ozônio voltem a aumentar na estratosfera. A tabela 1.2 mostra o tempo de vida na 5

27 Capítulo 1 - Introdução atmosfera das principais substâncias que contribuem para a destruição da camada de ozônio e a tabela 1.3 mostra suas respectivas utilizações: Tabela Principais substâncias que contribuem para a destruição da camada de ozônio e o respectivo tempo de vida na atmosfera. (The Ozone Layer). Substância Tempo de vida na atmosfera (anos) CFC CFC CFC CFC CFC Halon Halon Halon Tetracloreto de carbono 50 1,1,1-Tricloroetano 6,3 HCFC-22 13,3 HCFC-141b 9,4 HCFC-142b 19,5 Brometo de metilo 1,3 Tabela Principais substâncias que destroem a camada de Ozônio e suas respectivas utilizações. (The Ozone Layer). Substância CFC-11 CFC-12 CFC-113 CFC-114 CFC-115 CFC-11 CFC-12 CFC-113 CFC-11 CFC-12 CFC-114 Halons Tetracloreto de carbono 1,1,1-Tricloroetano Brometo de metilo HCFCs Utilizações Refrigeração, climatização Espumas, solventes Aerossóis Extintores de incêndio Utilizações laboratoriais Solvente Controle de pestes Refrigeração, espumas 6

28 Capítulo 1 - Introdução CONVENÇÃO DE VIENA PARA A PROTEÇÃO DA CAMADA DE OZÔNIO E PROTOCOLO DE MONTREAL RELATIVO ÀS SUBSTÂNCIAS QUE DETERIORAM A CAMADA DE OZÔNIO Uma vez que a destruição da camada de ozônio é um problema ambiental de escala global, as medidas a serem tomadas para proteger a mesma requerem a mais ampla cooperação entre todos os países e a sua participação numa resposta internacional eficaz. Neste sentido foi adotada a Convenção de Viena para a Proteção da Camada de Ozônio (1985) e o Protocolo de Montreal relativo às Substâncias que Deterioram a Camada de Ozônio (1987). O Protocolo de Montreal, que prevê a redução da produção e consumo das substâncias regulamentadas, sofreu emendas e ajustamentos em 1990 (Emenda de Londres), em 1992 (Emenda de Copenhaga), em 1995 (Ajustamentos de Viena), em 1997 (Emenda de Montreal) e em 1999 (Emenda de Pequim). Em 31 de Dezembro de 1999 a Convenção de Viena encontrava-se ratificada por 173 países, o Protocolo de Montreal por 172, a Emenda de Londres por 138, a Emenda de Copenhaga por 104 e a de Montreal por 33. ( O Protocolo de Montreal cobre todos os CFCs e a maioria dos compostos halogenados junto com tetraclorídio de carbono e clorofórmio de metil. O consumo destas combinações é proibido nos países desenvolvido, embora se mantenha seu uso em equipamentos existentes e sua fabricação seja limitada para usos essenciais. O Protocolo de Montreal também tem sido estendido a alguns dos refrigerantes alternativos - hidroclorofluorcarbonos (HCFCs) que também são substâncias destruidoras da camada de ozônio. (McCulloch, 1999). Na tabela 1.4 são apresentados os calendários de redução da produção e/ou utilização/consumo das substâncias regulamentadas, previstos nas emendas e ajustamentos do Protocolo de Montreal para os países desenvolvidos, assim como no Regulamento Comunitário em vigor. Já se sabe agora que o bromo, que na estratosfera está presente como óxido de bromo (BrO), pode combinar-se com o Cl para liberar radicais halogenados que acentua significativamente a destruição da camada de ozônio. A emissão anual dos CFCs (11, 12, 113, 114 e 115) é mostrada na figura 1.3 e a emissão anual de HCFCs (HCFC-22, HCFC-141, HFC- 134a e HCFC-142b) é mostrada na figura 1.4. (McCulloch, 1999). A tabela 1.5 lista os CFCs e alternativos dos fluorcarbonos, junto com as mais importantes propriedades físicas. Figura Emissão anual de Fluorcarbonos. (a) CFC-12, (b) CFC-11, (c) CFC-113, (d) CFC-114, linha tracejada CFC-115. (McCulloch, 1999). 7

29 Capítulo 1 - Introdução Tabela Calendários de redução da produção e consumo das substâncias que destroem a camada de ozônio. ( Substâncias Regulamentadas Grupo I CFCs Grupo II Outros CFCs Totalmente halogenados Grupo III Halons Grupo IV Tetracloreto de carbono Regulamento (CE) N 3093/94 Redução na produção de 85% a partir de 1/1/1994 e 100% a partir de 1/1/1995* Ano Base: 1986 Redução da produção de 85% a partir de 1/1/1994 e 100% a partir de 1/1/1995* Ano Base: 1989 Redução da produção de 100% a partir de 1/1/1994* Ano Base: 1986 Redução na produção de 85% a partir de 1/1/1994 e 100% a partir de 1/1/1995* Ano Base: 1989 Protocolo de Montreal Emenda de Copenhaga (1992) Redução da produção e consumo de: 75% a partir de 1/1/1994 e 100% a partir de 1/1/1996* Ano Base: 1986 Redução da produção e consumo de: 75% a partir de 1/1/1994 e 100% a partir de 1/1/1996* Ano Base: 1989 Redução da produção de 100% a partir de 1/1/1994* Ano Base: 1986 Redução na produção de 85% a partir de 1/1/1995 e 100% a partir de 1/1/1996* Ano Base: 1989 Protocolo de Montreal Ajustamento de Viena (1995) Protocolo de Montreal Emenda de Montreal (1997) Protocolo de Montreal Emenda de Pequim (1992) Grupo V 1,1,1- Tricloroetano Redução na produção de 50% a partir de 1/1/1994e 100% a partir de 1/1/1996* Ano Base: 1989 Redução na produção de 50% a partir de 1/1/1994e 100% a partir de 1/1/1996* Ano Base: 1989 _ Grupo VI Brometo de Metilo Grupo VII HBFCs Grupo VIII HCFCs Estabilização da produção e consumo a partir de 1/1/1995 Redução da produção e consumo de 25% a partir de 1/1/1998 Ano Base: 1991 Redução na produção de 100% a partir de 1/1/1996 Estabilização do consumo a partir de 1/1/1995 Redução do consumo de 35% a partir de % a partir de % a partir de % a partir de % a partir de 2015 Ano Base: 1989 Estabilização da produção e consumo a partir de 1/1/1995 Ano Base: 1991 Redução na produção e consumo de 100% a partir de 1/1/1996 Estabilização do consumo a partir de 1/1/1996 Redução do consumo de 35% a partir de % a partir de % a partir de ,5% a partir de % a partir de 2030 Ano Base: 1989 Redução da produção e consumo de: 25% a partir de 1/1/ % a partir de 1/1/ % a partir de 1/1/2010* Ano Base: 1991 _ Estabilização do consumo a partir de 1/1/1996 Redução do consumo de 35% a partir de % a partir de % a partir de ,5% a partir de % a partir de 2030 Ano Base: 1989 Redução da produção e consumo de: 25% a partir de 1/1/ % a partir de 1/1/ % a partir de 1/1/ % a partir de 1/1/205* Ano Base: 1991 Estabilização do consumo a partir de 1/1/1996 Redução do consumo de 35% a partir de % a partir de % a partir de ,5% a partir de % a partir de 2030 Ano Base: 1989 (*) Existe a possibilidade de a substância continuar a ser aplicada em usos essenciais (utilizações necessárias para a saúde, segurança ou que desempenham um papel determinante para o funcionamento da sociedade, sempre que não existam produtos alternativos ou substitutos, técnico e economicamente viável). (**) Os níveis de base de redução são calculados de acordo com fórmulas específicas de produção e/ou consumo em cada caso. À medida que se têm vindo aprovar as sucessivas emendas ao Protocolo, tem aumentado as exigências de redução do nível base. 8

30 Capítulo 1 - Introdução Figura 1.4 Emissão anual de Fluorcarbonos alternativos: (a) HCFC-22, (b) HCFC-141b, (c) HFC- 134a, (d) HCFC-142b. (McCulloch, 1999). Tabela 1.5 CFCs e alternativos dos fluorcarbonos e suas importantes propriedades físicas. Tabela adaptada de McCulloch (1999). Componente Fórmula Química Ponto de Ebulição ( 0 C) Tempo de vida atmosférico (anos) ODP relativo ao R-11 GWP relativo ao CO 2 em 100 anos Principal substituto atual CFC-11 CCl 3 F 23, HCFC-141b CFC-12 CCl 2 F 2-28, HFC-134a CFC-113 CCl 2 FCClF 2 47,6 85 0, Outra tecnologia CFC-114 CClF 2 CClF 2 3, Hidrocarbonetos CFC-115 CClF 2 CF 3-38, , HFC-134a Halon-1211 CBrClF Sem dado Pó seco Halon-1301 CBrF 3-57, HFC-227ea Carbon tetrachloride CCl 4 76,8 42 1, Methyl Outra CH chlorofor 3 CCl 3 74,1 5,4 0,1 110 tecnologia HCFC-22 CHClF 2-40,8 13,3 0, Blends HFC HCFC-123 CHCl 2 CF 3 27,1 1,4 0, Blends HFC HCFC-124 CHClFCF ,9 0, HFC-134a HCFC-141b CH 3 CCl 2 F 32 9,4 0, HCFC-142b CH 3 CClF 2-9,2 19,5 0, HCFC-225ca CHCl 2 CF 2 CF 3 51,1 2,5 0, Outra tecnologia HCFC-225cb CHFClCF 2 CF 2 Cl 56,1 6,6 0, Outra tecnologia HFC-23 CHF 3-82, HFC-32 CH 2 F 2-51,7 5, HFC-125 CHF 2 CF 3-48,5 32, HFC-134a CH 2 FCF 3-26,5 14, HFC-143a CH 3 CF 3-47,6 48, HFC-152a CH 3 CHF -24,7 1, HFC-227ea CF 3 CHFCF 3-16,5 36, HFC-236fa CF 3 CH 2 CF HFC-245ca CHF 2 CF 2 CFH 2 25,4 6, HFC-43-10mee CF 3 CHFCHFCF 2 CF , PFC-218 CF 3 CF 2 CF

31 Capítulo 1 - Introdução CARACTERIZAÇÃO DE IMPACTO AMBIENTAL A contribuição dos gases de efeito de estufa para o aquecimento global, e, por conseguinte, os seus efeitos sobre o nível do mar, a precipitação e os ecossistemas, dependem das suas concentrações atmosféricas, do seu tempo de vida na atmosfera e da sua eficácia na absorção de radiação. Por exemplo, embora os CFCs se encontrem presentes na atmosfera em concentrações mínimas, o seu efeito é importante porque o seu tempo de vida é, em geral, de 100 anos e, além disso, cada molécula exerce um efeito estufa bem superiores ao de uma molécula de dióxido de carbono. (IPCC, 1996). Ainda de acordo com o Painel Intergovernamental para Mudanças Climáticas, (IPCC), conclusões da avaliação científica do fenômeno de mudanças climáticas indicam que haverá um aumento da temperatura mundial de 1,1 a 6,4 C em relação ao período de 1980 a 1999 antes de 2100, com um valor médio compreendido entre 1,8 e 4 C. A atividade humana produtora de gás do efeito estufa é claramente responsável pelos aumentos da temperatura já constatados. O problema surge devido à destruição de moléculas de ozônio na atmosfera, principalmente pelo bromo e cloro de substâncias químicas. O cloro e bromo sofrem uma reação catalítica para destruir moléculas de ozônio, reduzindo assim a proteção natural de radiação ultravioleta-b. A seguir tem-se uma breve descrição dos principais índices de impacto ambiental utilizados para caracterizar o uso de fluidos refrigerantes e compará-los entre si em relação a impactos ambientais OZONE DEPLETION POTENTIAL (ODP) É o índice que indica a habilidade relativa de um refrigerante ou outra substância química de destruir o ozônio estratosférico. (Calm e Didion, 1998). O CFC-11 é tomado como referência, tendo o maior potencial de destruição (ODP = 1). Não existe relação alguma com o desempenho energético do refrigerante, entretanto, é um critério decisivo na escolha do refrigerante substituto. Refrigerantes que possuem ODP não nulo foram ou serão completamente extintos como requerido pelo Protocolo de Montreal, ou seja, os novos refrigerantes devem apresentar ODP = 0. O ODP em regime permanente representa o montante relativo de ozônio destruído pela emissão contínua de um gás ao longo da vida atmosférica deste. (Pimenta, 2006) GLOBAL WARMING POTENTIAL (GWP) Quantifica o potencial do refrigerante como gás do efeito estufa, relativo ao efeito de aquecimento de uma massa similar de CO 2 por um período de 100 anos ou por um intervalo de tempo específico cujo valor deve ser especificado. O dióxido de carbono é usado como referência por ter o maior impacto líquido sobre o aquecimento global. Refrigerantes halocarbônicos tipicamente possuem maior GWP que o CO 2, mas ocorrem em quantidades muito menores. (Pimenta, 2006). Ainda de acordo com o IPCC, o cálculo do GWP é dado pela razão entre o efeito radiante temporal integrado da liberação instantânea de 1 kg de uma dada sustância, em relação à liberação de 1 kg de um gás de referência CO 2. 10