16/11/2015
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.
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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. (1889-1944) e Charles F. Kettering.
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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
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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: 1998.
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O Problema ambiental
Valores de tempo de vida na atmosfera, ODP e GWP de alguns
refrigerantes.
O Problema ambiental
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TEWI – Total Equivalent Warming Impact
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TEWI – Total Equivalent Warming Impact
(
[
])
TEWI = (GWP ⋅ L ⋅ n ) + GWP ⋅ m 1 − α re cov ery + (n ⋅ Eanual ⋅ β )
14243 1444
14
4244
3
424444
3
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; αrecovery é o fator de
reciclagem; Eanual é o consumo de energia por ano, em kWh e β é a emissão de CO2 por kWh,
dependente de um mix-energético.
Taxas de vazamentos anuais em supermercados na Suécia.
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LCCP– Life Cycle Climate Performance
O LCCP considera além da TEWI o GWP de todas as emissões do gás e o CO2 equivalente
produzido pelos processos de fabricação, transporte e outros.
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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.
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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
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Refrigerant
Number
Chemica
l Formula a
Chemical Name a ,b
Molecula
r Massa
Normal
Boiling
Point , a ° C
Safet
y
Group
Met hane Series
11
Trichlorofluoromethane
CCl3F
137.4
24
A1
12
Dichlorodifluoromethane
CCl2F2
120.9
–30
A1
12B1
Bromochlorodifluoromethane
CBrClF2
165.4
–4
CClF3
104.5
–81
A1
CF4
88.0
–128
A1
13
14
Chlorotrifluoromethane
Tetrafluoromethane (carbon
tetrafluoride)
21
Dichlorofluoromethane
CHCl2F
102.9
9
B1
22
Chlorodifluoromethane
CHClF2
86.5
41
A1
23
Trifluoromethane
CHF3
70.0
–82
A1
CH2Cl2
84.9
40
B2
30
31
Dichloromethane (methylene
chloride)
CH2ClF
68.5
–9
32
Difluoromethane (methylene
fluoride)
CH2F2
52.0
–52
A2
40
Chloromethane (methyl
chloride)
CH3Cl
50.4
–24
B2
41
Fluoromethane (methyl
fluoride)
CH3F
34.0
–78
CH4
16.0
–161
50
Chlorofluoromethane
Methane
A3
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Table 1. Refrigerant Data and Safety Classifications
Refrigerant
Number
Chemical Namea,b
Chemical
Formula a
Molecular
Massa
Normal
Boiling Point, a
°C
Safety
Group
Ethane Series
113
1,1,2-trichloro-1,2,2trifluoroethane
CCl2FCClF2
187.4
48
A1
114
1,2-dichloro-1,1,2,2tetrafluoroethane
CClF2CClF2
170.9
4
A1
115
Chloropentafluoroethane
CClF2CF3
154.5
–39
A1
116
Hexafluoroethane
CF3CF3
138.0
–78
A1
123
2,2-dichloro-1,1,1trifluoroethane
CHCl2CF3
153.0
27
B1
124
2-chloro-1,1,1,2tetrafluoroethane
CHClFCF3
136.5
–12
A1
125
Pentafluoroethane
CHF2 CF3
120.0
–79
A1
134a
1,1,1,2-tetrafluoroethane
CH2FCF3
102.0
–26
A1
141b
1,1-dichloro-1fluoroethane
CH3CCl2 F
117.0
32
142b
1-chloro-1,1difluoroethane
CH3CClF2
100.5
–10
A2
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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
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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.
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Desempenho dos refrigerantes
O ciclo de refrigeração:
R-717
R-744
Tcr, °C
133,0
31,1
PC, kPa
1.167
7.214
QE/v, kJ/m3
2.168
7.998
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
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Desempenho dos refrigerantes
Entropia normalizada
s* =
s − slo
svo − slo
Desempenho dos refrigerantes
Pressão de saturação em função da temperatura
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Classificação dos refrigerantes (Ansi/Ashrae
Standard 34-1992)
Compostos halogenados:
a
número de átomos de flúor no composto;
b
número de átomos de hidrogênio +1;
c
número de átomos de carbono -1.
RExemplo: CHClF2
a
2
b
1+1=2
c
1-1=0
R-22
Classificação dos refrigerantes (Ansi/Ashrae
Standard 34-1992)
Compostos inorgânicos: dióxido de carbono, amônia, água, ar, etc.
Designação numérica: 7+ peso molecular
Exemplo: NH3
7 + [(1x14)+(3x1)]=717
Compostos orgânicos: mesma designação numérica que os
halogenados.
Exemplo: CH3CH2CH3
a
0
b
8+1=9
c
3-1=2
R-290
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Classificação dos refrigerantes (Ansi/Ashrae
Standard 34-1992)
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 34-1992)
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.
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Classificação dos refrigerantes (Ansi/Ashrae
Standard 34-1992)
Novos refrigerantes
F3C
Propeno
1234yf
CH3CH=CH2
C
CF3CF=CH2
CH2
F
F
30
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Novos refrigerantes
Figura 7.17. Exemplo de designação numérica
HFO-1234ze(E) e HFO-1234ze(Z).
Figura 7.16. Exemplo de designação
numérica HFO-1234yf.
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Ciclo de Lorentz para misturas
T
T
refrigerante
refrigerante
FTC
FTC
FTC
FTC
refrigerante
refrigerante
S
S
32
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Propriedades
Comparação
Parâmetros importantes, considerando TC = 30 °C e TE = -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, QE/v1. 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;
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Comparação
Parâmetros importantes:
e)
Trabalho de compressão volumétrico, Wm/v1, 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, x4, 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
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Velocidade do som
Para um gás ideal, a velocidade do som é dada pela equação:
cideal =
λRT
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.
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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.
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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
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Segurança
41
Parâmetros para escolha de um refrigerante
Figure 1
42
21
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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.
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16/11/2015
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.
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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
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Qualidade dos refrigerantes
49
Qualidade dos refrigerantes
50
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Qualidade dos refrigerantes
51
Qualidade dos refrigerantes
52
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Refrigerantes secundários
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Refrigerantes secundários
Solução aquosa com cloreto de de sódio.
Refrigerantes secundários - salmouras
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Refrigerantes secundários - glicóis
Refrigerantes secundários - glicóis
Solução aquosa com etileno glicol.
29
16/11/2015
Refrigerantes secundários - glicóis
Solução aquosa com propileno glicol.
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