Sistemas de Refrigeração por Compressão Mecânica de Vapor EMC 588 Princípios de Refrigeração e Condicionamento de Ar Prof. Cláudio Melo 1
Aspectos Históricos e Ambientais EMC 588 Princípios de Refrigeração e Condicionamento de Ar Prof. Cláudio Melo 2
Uso de Gelo Natural Utilização de gelo transportado de regiões mais frias. Armazenamento de gelo do inverno para uso no verão. Obtenção de gelo durante noites frias, para uso durante o dia. Chinese refrigerator, built for the Emperor, Shih Huang Ti (221-207 B.C.). It was made from giant terra-cotta rings about 90 centimeters high and 1.70 meters in diameter, and went down 13 meters below ground level. Greek wine cooler of 6th century B.C. found at Vulci, in central Italy. EMC 588 Princípios de Refrigeração e Condicionamento de Ar Prof. Cláudio Melo 3
Ice Houses Monticello Home of Thomas Jefferson USA Cullross, Scotland Hatchford. England EMC 588 Princípios de Refrigeração e Condicionamento de Ar Prof. Cláudio Melo 4
Uso de Gelo Natural A comercialização de gelo em escala comercial deve-se a Frederic Tudor que, em 1806, iniciou a venda de gelo extraído do rio Hudson. Um dos principais problemas da época era a inexistência de isolantes térmicos de qualidade, o que exigia que as ice houses fossem construídas com espessuras de parede da ordem de1metro. Frederic Tudor (1783-1864) Colheita de gelo EMC 588 Princípios de Refrigeração e Condicionamento de Ar Prof. Cláudio Melo 5
Uso de Gelo Natural O comércio de gelo natural se expandiu rapidamente. Em 1879 haviam 35 operações comerciais nos USA, 200 uma década mais tarde e 2000 em 1909. Em 1854, por exemplo, 156.000 toneladas de gelo natural foram exportadas do porto de Boston. Por volta de 1890, o uso de gelo natural começou a declinar devido a poluição das fontes de água. Isso facilitou a penetração no mercado de gelo produzido artificialmente. No início do século XX as 10 maiores empresas da bolsa de valores de NY exploravam o gelo natural. O comércio de gelo natural ainda persistiu por um longo tempo após a introdução da refrigeração mecânica. Janeiro, 1914 EMC 588 Princípios de Refrigeração e Condicionamento de Ar Prof. Cláudio Melo 6
O Trabalho de Perkins Durante os séculos XVIII e XIX várias pesquisas, voltadas para o segmento de refrigeração, foram realizadas na Europa, notadamente na França e na Inglaterra. Em 1755, Willian Cullen (1710-1790), professor da Universidade de Edimburgo, obteve gelo a partir da evaporação do éter. O processo de produção de frio era descontinuo e não foi usado para qualquer propósito prático. A primeira descrição completa de um equipamento de refrigeração, operando de maneira cíclica e utilizando éter como fluido refrigerante, foi feita por Jacob Perkins, em 1834 (British Patent 6662). O trabalho de Perkins despertou pouco interesse. Não foi mencionado na literatura da época e permaneceu esquecido por aproximadamente 50 anos, até que Bramwell descreveu o artigo para o Journal of the Royal Society of Arts. Jacob Perkins (1766-1849) EMC 588 Princípios de Refrigeração e Condicionamento de Ar Prof. Cláudio Melo 7
O Trabalho de Harrison O principal responsável por tornar o princípio de refrigeração por compressão mecânica em um equipamento real foi James Harrison. Não se sabe se Harrison conhecia ou não o trabalho de Perkins. Em 1856 e em 1857 obteve, respectivamente, as patentes britânicas 747 e 2362. James Harrison (1816-1893) Em 1862, durante uma exibição internacional em Londres, o equipamento de Harrison, fabricado por Daniel Siebe e utilizando éter como fluido refrigerante, foi apresentado à sociedade da época. EMC 588 Princípios de Refrigeração e Condicionamento de Ar Prof. Cláudio Melo 8
Ice Boxes No início do século XX, os refrigeradores domésticos eram essencialmente ice boxes, que dependiam do fornecimento quase diário de gelo de uma planta de refrigeração. Como desvantagens dessa forma de produção de frio podem ser citadas: reposição do gelo, drenagem e taxa de resfriamento variável. EMC 588 Princípios de Refrigeração e Condicionamento de Ar Prof. Cláudio Melo 9
Unidades Seladas A disponibilidade de unidades seladas de refrigeração logo se tornou uma realidade. Entretanto todos os refrigerantes conhecidos, por volta de 1928, eram tóxicos, inflamáveis ou ambos. Acidentes, inclusive com mortes, eram comuns. New York times e outros jornais faziam campanha para eliminar os refrigeradores domésticos, que até então utilizavam SO 2 como refrigerante. Nessa época, 85% das famílias americanas que dispunham de eletricidade não possuíam refrigeradores domésticos. R-40 Frigidaire 1923 SO 2 R-134 Brinde EMC 588 Princípios de Refrigeração e Condicionamento de Ar Prof. Cláudio Melo 10
Fluidos Refrigerantes Éter (temperatura de ebulição = 34 o C) pressão de evaporação << P atm (penetração de ar no sistema mistura explosiva). Pressão de condensação baixa não requer construção "pesada" no lado de alta. Em 1866, Franz Windhausen, em Berlim CO 2 (dióxido de carbono). P evap >P atm,masp alta > 100 bar construção pesada. Substituição por novos refrigerantes iniciou em 1955. Operação perto do ponto crítico menor eficiência. Temperatura crítica = 31 o C. Em 1870 Carl Von Linde, em Munique Amônia (temperatura de ebulição = -33,3 o C). Pressão de condensação 15 bar. Toxidez. Raoult Pictet introduziu o dióxido de enxofre (SO 2 ) (temperatura de ebulição = -10 o C), em Genebra, em 1874. Toxidez. EMC 588 Princípios de Refrigeração e Condicionamento de Ar Prof. Cláudio Melo 11
O Trabalho de Midgley Em 1928, a Frigidarie solicitou a um grupo de cientistas, liderados por Thomas Midgley, que identificasse um refrigerante que não fosse tóxico nem inflamável. Em menos de duas semanas, a família dos hidrocarbonetos halogenados (CFCs), forneceu a solução para o problema. Os CFCs eram conhecidos como compostos químicos desde o século XIX, mas suas propriedades como refrigerantes foram investigadas primeiramente por Thomas Midgley. Thomas Midgley (1889-1944) A descoberta não foi anunciada ao público devido à histeria contra refrigeradores, existente na época. Após dois anos de testes os CFC's foram apresentados ao público num encontro da Sociedade Americana de Química. A produção comercial de CFC-12 (CCl 2 F 2 ),iniciouem1931eado CFC-11 (CCl 3 F) em 1932. EMC 588 Princípios de Refrigeração e Condicionamento de Ar Prof. Cláudio Melo 12
O Reinado do CFC-12 e do CFC-11 Durante aproximadamente 70 anos o CFC-12, como refrigerante, e o CFC-11, como agente expansor de espuma, reinaram absolutos no segmentos de refrigeração doméstica e comercial leve. O reinado desses fluidos começou a declinar quando, em 1974, o Prof. Sherwood Rowland e o Dr. Mario Molina, associaram os CFC s com a redução da camada de ozônio da estratosfera. A teoria de Rowland e Molina foi comprovada em 1985, com a descoberta de um buraco na camada de ozônio sobre a Antártida. O trabalho de Rowland e Molina foi reconhecido com o prêmio Nobel de Química, em 1995. EMC 588 Princípios de Refrigeração e Condicionamento de Ar Prof. Cláudio Melo 13
O Reinado do HFC-134a e do HCFC-141b Como conseqüência do Protocolo de Montreal (1987) a maioria das aplicação domésticas e comerciais leves passou a adotar o HFC-134a como refrigerante e o HCFC-141b como agente expansor de espuma. HFC-134a Além de boas propriedades químicas e termodinâmicas, os HFCs não são tóxicos ou inflamáveis. Por outro lado possuem baixa compatibilidade química com os materiais do sistema, especialmente com óleos minerais, o que exige a utilização de óleos ésteres (POEs e PAGs). Além disso tais fluidos são susceptíveis a presença de contaminantes no sistema. Mesmo com tais limitações o HFC-134a recebeu uma grande aceitação do mercado. EMC 588 Princípios de Refrigeração e Condicionamento de Ar Prof. Cláudio Melo 14
Os Refrigerantes Naturais O reinado absoluto do HFC-134a/HFC-141b foi relativamente curto, pois logo se percebeu que tais substâncias apesar de terem um efeito mínimo sobre a camada de ozônio, possuem um efeito marcante sobre o efeito estufa. A pressão pela utilização de fluidos refrigerantes naturais foi imediata. Isobutano (HC-600a) no setor de refrigeração doméstica e propano (HC-290) e dióxido de carbono (CO 2 /R-744) no setor de refrigeração comercial leve. O HFC-141b foi rapidamente substituído pelo ciclopentano, na maioria das aplicações domésticas e comerciais leves. HC-600a CO 2 /R-744 Ciclopentano EMC 588 Princípios de Refrigeração e Condicionamento de Ar Prof. Cláudio Melo 15
Situação Atual Em 2006, o Parlamento europeu baniu a utilização de compostos químicos a base de flúor (F-Gases), com GWP 100 superior a 150, em novos tipos de veículos a partir de 2011. EMC 588 Princípios de Refrigeração e Condicionamento de Ar Prof. Cláudio Melo 16
Situação Atual A indústria automotiva está considerando dois candidatos principais: CO 2 e R-1234yf. Embora o CO 2 tenha o apelo de refrigerante natural, existem considerações a respeito da complexidade do sistema, peso e aumento do consumo de combustível O R-1234yf possui propriedades termodinâmicas similares ao R-134a, além de ser estável e compatível com a maioria dos materiais. Seu GWP 100 éde 4. O tempo de residência na atmosfera é de apenas 11 dias. No dia 20/05/2010 a associação de fabricantes de veículos alemã, anunciou que iria adotar o R-1234yf, desistindo portando da sua escolha pelo CO 2, anunciada em 2007 No momento a indústria automobilística se encontra num impasse. O HFC- 134a continua a ser usado enquanto se discute o que significa exatamente um novo tipo de veículo. EMC 588 Princípios de Refrigeração e Condicionamento de Ar Prof. Cláudio Melo 17