Universidade do Vale do Rio dos Sinos UNISINOS Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. Refrigerantes

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1 Universidade do Vale do Rio dos Sinos UNISINOS Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica Refrigerantes Refrigerante Pode ser definido como uma substância que serve como meio de transporte de calor, absorvendo calor a baixa temperatura e rejeitando calor a temperaturas mais elevadas. Comercialmente: Dependente das faixas de temperatura e pressão em que opera; Aspectos relacionados à segurança da instalação e dos operadores; Atualmente, também, os impactos ambientais para o meio. 1

2 Refrigerante Diversos refrigerantes foram utilizados desde os primórdios da refrigeração, como por exemplo: Éter sulfúrico (1830s); Éter metílico (1840s); Álcool etílico (1856); Amônia/Agua (1859); Dióxido de carbono (1866); Amônia R-717 (1860s); Dióxido de enxofre R-764 (1875); Cloreto de metila R-40 (1878); Tetracloreto de carbono e vapor d água R-718 (1912); Isobutano R-600a e propano R-290 (1920s); Etc. O início O grande salto da refrigeração foi dado em 1928 com a busca de um refrigerante seguro e estável, não tóxico, não corrosivo ou inflamável e com características adequadas para operar em sistemas compactos. Esse trabalho foi desenvolvido por Thomas Midgley com sua equipe. Essa descoberta originou uma nova empresa, resultante da união da DuPont e da General Motors, chamada Kinetic Chemicals Inc., quando foi registrada, então, a marca Freon. Thomas Midgley Jr. ( ) e Charles F. Kettering. 2

3 O Problema ambiental Durante os anos 70 do século passado, cientistas demonstraram através de experimentos realizados em laboratórios a existência de uma relação direta entre a destruição da camada de ozônio e o uso de compostos CFC pela indústria, não só de refrigerantes, mas como propelentes de aerossóis, agentes expansores de espumas, etc. Mario J. Molina F. Sherwood Rowland O Problema ambiental 3

4 O Problema ambiental Imagens de satélite disponíveis a partir do final dos anos 70s. O Protocolo de Montreal Impactos projetados das substâncias destruidoras da camada de ozônio e as reduções previstas sob o Protocolo de Montreal e suas emendas. Fonte: World Meteorological Organization, Scientific Assesment of Ozone Depletion:

5 O Problema ambiental Valores de tempo de vida na atmosfera, ODP e GWP de alguns refrigerantes. O Problema ambiental 10 5

6 TEWI Total Equivalent Warming Impact 11 TEWI Total Equivalent Warming Impact ( GWP L n) + ( GWP m[ 1 α ]) + ( n E β ) TEWI = re covery anual 4 Vazamentos Perdas na recuperação Consumo de energia onde GWP é o potencial de aquecimento global; L é a taxa de vazamentos por ano, em kg; n é o tempo de operação do sistema, em anos; m é a carga de refrigerante, em kg; α recovery é o fator de reciclagem; E anual é o consumo de energia por ano, em kwh e β é a emissão de CO 2 por kwh, dependente de um mix-energético. Taxas de vazamentos anuais em supermercados na Suécia. 6

7 LCCP Life Cycle Climate Performance O LCCP considera além da TEWI o GWP de todas as emissões do gás e o CO 2 equivalente produzido pelos processos de fabricação, transporte e outros. 13 Eco-Eficiência Mesmo que o TEWI seja um indicador dos efeitos de aquecimento global produzidos pelos sistemas de refrigeração durante sua vida útil, aspectos ecológicos e econômicos não são considerados. De um ponto de vista técnico, a redução do impacto ambiental de qualquer sistema envolve frequentemente questões de custo, enquanto que sistemas de baixo custo são propensos a produzir maiores danos ambientais. 7

8 Origem dos halogenados toxicidade inflamabilidade Origem dos halogenados Triângulos representando os refrigerantes da série metano e etano. Relação entre inflamabilidade, toxicidade e tempo de vida na atmosfera em função da composição dos refrigerantes 8

9 Refrigerant Chemica Number Chemical Name a, b l Formula a Molecula r Mass a Normal Boiling Point, a C Safet y Group Methane Series 11 Trichlorofluoromethane CCl 3F A1 12 Dichlorodifluoromethane CCl 2F A1 12B1 Bromochlorodifluoromethane CBrClF Chlorotrifluoromethane CClF A1 14 Tetrafluoromethane (carbon tetrafluoride) CF A1 21 Dichlorofluoromethane CHCl 2F B1 22 Chlorodifluoromethane CHClF A1 23 Trifluoromethane CHF A1 30 Dichloromethane (methylene chloride) CH 2Cl B2 31 Chlorofluoromethane CH 2ClF Difluoromethane (methylene fluoride) 40 Chloromethane (methyl chloride) 41 Fluoromethane (methyl fluoride) CH 2 F A2 CH 3Cl B2 CH 3F Methane CH A3 17 Refrigerant Number Ethane Series Chemical Namea,b 113 1,1,2-trichloro-1,2,2- trifluoroethane 114 1,2-dichloro-1,1,2,2- tetrafluoroethane Table 1. Refrigerant Data and Safety Classifications Chemical Formulaa Molecular Massa Normal Boiling Point,a C Safety Group CCl 2FCClF A1 CClF 2CClF A1 115 Chloropentafluoroethane CClF 2CF A1 116 Hexafluoroethane CF 3CF A ,2-dichloro-1,1,1- trifluoroethane chloro-1,1,1,2- tetrafluoroethane CHCl 2CF B1 CHClFCF A1 125 Pentafluoroethane CHF 2CF A1 134a 1,1,1,2-tetrafluoroethane CH 2FCF A1 141b 142b 1,1-dichloro-1- fluoroethane 1-chloro-1,1- difluoroethane CH 3CCl 2F CH 3CClF A2 18 9

10 Table 2. Data and Safety Classifications for Refrigerant Blends Refrigerant Number Composition (Mass % ) Composition Tolerances Safety Group 401A R-22/152a/124 (53.0/13.0/34.0) (±2/+0.5, 1.5/±1) A1 401B R-22/152a/124 (61.0/11.0/28.0) (±2/+0.5, 1.5/±1) A1 401C R-22/152a/124 (33.0/15.0/52.0) (±2/+0.5, 1.5/±1) A1 402A R-125/290/22 (60.0/2.0/38.0) (±2/±0.1, 1/±2) A1 402B R-125/290/22 (38.0/2.0/60.0) (±2/±0.1, 1/±2) A1 403A R-290/22/218 (5.0/75.0/20.0) (+0.2, 2/±2/±2) A1 403B R-290/22/218 (5.0/56.0/39.0) (+0.2, 2/±2/±2) A1 404A R-125/143a/134a (44.0/52.0/4.0) (±2/±1/±2) A1 407A R-32/125/134a (20.0/40.0/40.0) (±2/±2/±2) A1 407B R-32/125/134a (10.0/70.0/20.0) (±2/±2/±2) A1 19 Refrigerantes halogenados Propriedades termodinâmicas favoráveis; Elevada estabilidade química quando estiver operando dentro do sistema e baixa estabilidade química fora do sistema; Não ser tóxico; Não ser inflamável; Compatibilidade com o óleo de lubrificação do compressor; Compatibilidade adequada com os materiais do sistema de refrigeração; Ser de fácil detecção; Não oferecer perigo ao meio ambiente; Disponível comercialmente a custo razoável. 10

11 Desempenho dos refrigerantes O ciclo de refrigeração: R-717 R-744 T cr, C 133,0 31,1 P C, kpa Q E /v, kj/m COP 4,77 2,69 Efeito da temperatura crítica na capacidade e no COP Desempenho dos refrigerantes Efeito do calor específico molar na capacidade e no COP 11

12 Desempenho dos refrigerantes Entropia normalizada o * s sl s = o o sv sl Desempenho dos refrigerantes Pressão de saturação em função da temperatura 12

13 Classificação dos refrigerantes (Ansi/Ashrae Standard ) Compostos halogenados: a número de átomos de flúor no composto; b número de átomos de hidrogênio +1; c número de átomos de carbono -1. R- Exemplo: CHClF 2 a 2 b 1+1=2 c 1-1=0 R-22 Classificação dos refrigerantes (Ansi/Ashrae Standard ) Compostos inorgânicos: dióxido de carbono, amônia, água, ar, etc. Exemplo: NH 3 Designação numérica: 7+ peso molecular 7 + [(1x14)+(3x1)]=717 Compostos orgânicos: mesma designação numérica que os halogenados. Exemplo: CH 3 CH 2 CH 3 a 0 b 8+1=9 c 3-1=2 R

14 Classificação dos refrigerantes (Ansi/Ashrae Standard ) Misturas azeotrópicas: em ordem cronológica crescente do seu aparecimento adicionada ao algarismo 5. Exemplo: R-502, R-503, etc. Mistura azeotrópica é aquela que não pode ser separada de seus componentes por destilação. Comportam-se como uma substância pura. Classificação dos refrigerantes (Ansi/Ashrae Standard ) Misturas não azeotrópicas: em ordem cronológica crescente do seu aparecimento adicionada ao algarismo 4. Exemplo: R-402A, R-410A, etc. Ponto de orvalho Ponto de ebulição Mistura não azeotrópica é aquela que apresenta um comportamento típico das misturas, isto é, variações de temperatura para pressões constantes além de mudança de composição das fases líquido e vapor. 14

15 Classificação dos refrigerantes (Ansi/Ashrae Standard ) Novos refrigerantes Propeno CH 3 CH=CH yf CF 3 CF=CH 2 F 3 C C CH 2 F F 30 15

16 Novos refrigerantes Figura Exemplo de designação numérica HFO-1234yf. Figura Exemplo de designação numérica HFO-1234ze(E) e HFO-1234ze(Z). 31 Ciclo de Lorentz para misturas T refrigerante FTC T refrigerante FTC FTC FTC refrigerante refrigerante S S 32 16

17 Propriedades Comparação Parâmetros importantes, considerando T C = 30 C e T E = -15 C a) Pressões de evaporação e de condensação, pela sua importância conforme comentado anteriormente; b) Relação entre pressões. Quanto menor essa relação melhor é o rendimento volumétrico do compressor, além de reduzir o trabalho de compressão; c) Efeito de refrigeração, caracterizado pela diferença entre as entalpias do refrigerante na entrada e na saída do evaporador, determinando a vazão mássica de refrigerante no circuito para uma dada capacidade de refrigeração; d) Efeito de refrigeração volumétrico, Q E /v 1. Quanto maior esse efeito, menor será a taxa de deslocamento necessária para o compressor e, consequentemente, menor será o tamanho do compressor em relação às suas dimensões; 17

18 Comparação Parâmetros importantes: e) Trabalho de compressão volumétrico, W m /v 1, que representa o trabalho necessário para comprimir um volume unitário de vapor, isentropicamente e está relacionado com a potência necessária para acionar um compressor de dadas dimensões e velocidade; f) Título, x 4, está de alguma forma associado às irreversibilidades durante o processo de expansão; g) O coeficiente de performance, COP, por sua relação com o consumo de energia no sistema para uma dada capacidade de refrigeração. Efeito das propriedades na perda de pressão no evaporador 36 18

19 Velocidade do som Para um gás ideal, a velocidade do som é dada pela equação: λrt c ideal = M Assim, a velocidade aumenta para refrigerantes com baixo peso molecular (M). A -10 C, a velocidade do som do R-717 é igual é igual a 397,5 m/s enquanto que para o R-134a é igual a 146,9 m/s e para o R-410A igual a 143,4 m/s. Isso significa que velocidades elevadas podem ser utilizadas em tubos e válvulas sem incorrer em elevadas perdas de pressão. Da mesma forma acontece no projeto do compressor, onde as perdas de eficiência associadas com as válvulas de sucção e descarga são muito menores para o R-717 do que para os demais refrigerantes. Como desvantagem dessa propriedade, o orifício do dispositivo de expansão para controlar o fluxo de refrigerante é muito pequeno, o que dificulta o uso do R-717 para sistemas de baixa capacidade. 37 Segurança Classe A: compostos cuja toxicidade não foi identificada; Classe B: compostos com evidências identificadas de toxicidade. Classe 1: não se observa propagação da chama; Classe 2: baixa a média inflamabilidade; Classe 3: elevada inflamabilidade; Classe A2L e B2L: em implantação, associadas em função da velocidade da chama < 10 cm/2. 19

20 Segurança Correlação entre velocidade da chama vs. mínima energia de ignição (MIE) Segurança Refrigerante Classe Refrigerante Classe R-11 A1 R-500 A1 R-12 A1 R-502 A1 R-22 A1 R-290 A3 R-134a A1 R-600a A3 R-401 A1 R-717 B2 R-410a A1 R-744 A1 20

21 Segurança 41 Parâmetros para escolha de um refrigerante 42 21

22 Compatibilidade com materiais Metais: não se recomenda o uso de magnésio, zinco ou ligas de alumínio contendo mais que 2% de magnésio para halogenados. Em sistemas com amônia, não deve ser utilizado o cobre, latão e outras ligas de cobre; Elastômeros: refrigerante + óleo lubrificante podem alterar as propriedades físicas ou químicas de elastômeros. Recomenda-se ver informações sobre compatibilidade com os fabricantes; Plásticos e vernizes: o efeito do refrigerante sobre plásticos diminui com a redução do número de átomos de cloro na molécula (ou com o aumento do número de átomos de F). Recomenda-se testes de compatibilidade. Idem para o caso de vernizes. Relação com os lubrificantes Funções: lubrificação das partes móveis, resfriamento e também a vedação entre as regiões de alta e baixa pressão (caso dos compressores parafuso); Minerais e sintéticos: As funções do óleo em um compressor, além da lubrificação das partes móveis, são o resfriamento e, em alguns casos, a vedação entre as regiões de alta e baixa pressão, como nos compressores parafuso. Dois tipos básicos são encontrados: os minerais com suas diversas composições e os sintéticos. Desses, destaca-se os álquil benzenos, os glicóis poli alcalinos, conhecidos como PAG e os ésteres poliólicos, conhecidos como POE. Os óleos minerais caracterizam-se por três composições básicas: naftênicos, parafínicos e aromáticos. 22

23 Relação com os lubrificantes A miscibilidade (solubilidade) com o refrigerante é uma característica importante para garantir o adequado retorno do óleo ao cárter do compressor em circuitos que operam com refrigerantes halogenados. A amônia e o CO2 apresentam reduzida solubilidade nos óleos minerais de forma que, em sistemas industriais, a coleta do óleo acumulado nas regiões baixas (fundo de separadores de líquido) deve ser prevista para o seu retorno ao compressor. Relação com os lubrificantes Os refrigerantes HFCs, caracterizados por moléculas polares, não são compatíveis com os óleos minerais (não polares) e os álquil benzenos. Óleos sintéticos compatíveis com esses refrigerantes, POEs e PAGs, caracterizam-se por sua elevada higroscopicidade, o que prejudica o seu manuseio. Esses óleos tendem a concentrar significativas quantidades de água quando expostos ao ar podendo, com isso, causar problemas ao circuito como corrosão e formação de placas de cobre em locais inadequados. Os PAGs tendem a se oxidar e são sensíveis a contaminantes contendo cloro, como resíduos de R-12, por exemplo. Esses óleos são largamente utilizados em sistemas de ar condicionado automotivo. Na indústria frigorífica, os óleos POE têm sido muito utilizados para operação com os HFCs. São menos higroscópicos que os PAGs mas tem tendência à hidrólise além se serem incompatíveis com alguns elastômeros. 23

24 Qualidade dos refrigerantes Os refrigerantes devem apresentar elevada pureza, acima de 99,5%. Qualquer tipo de contaminação poderá originar sérios riscos aos sistema e ao operador. R-415b comercializado em embalagem de R-134a 47 Qualidade dos refrigerantes 48 24

25 Qualidade dos refrigerantes 49 Qualidade dos refrigerantes 50 25

26 Qualidade dos refrigerantes 51 Qualidade dos refrigerantes 52 26

27 53 Refrigerantes secundários 27

28 Refrigerantes secundários Solução aquosa com cloreto de de sódio. Refrigerantes secundários - salmouras 28

29 Refrigerantes secundários - glicóis Refrigerantes secundários - glicóis Solução aquosa com etileno glicol. 29

30 Refrigerantes secundários - glicóis Solução aquosa com propileno glicol. 30