Fluídos Refrigerantes, Notas de estudo de Engenharia Mecânica

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DO MARANHÃO

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA E PRODUÇÃO

CONTROLE TÉRMICO DE AMBIENTES

Prof. M.Sc. Valdirson P. Mendes

REFRIGERANTES

Refrigerantes primários são aqueles usados em sistemas de com- pressão de vapor. Refrigerantes secundários são líquidos usados para transportar energia térmica a baixa temperatura de um local para outro, conhecidos como anticongelantes e salmouras. Os sistemas de absorção utilizam duas substâncias que formam a combi- nação de refrigerantes.

REFRIGERANTES PRIMÁRIOS

COMPOSTOS HIDROCARBONETOS HALOGENADOS. Os hidrocarbonetos halogenados são compostos formados por hidrogênio, carbono e um ou mais dos seguintes elementos da família química dos hologênicos: cloro, fluor ou bromo. A nomenclatura é composta, basica- mente, por um nome (ou pela letra R) e um número. Segundo a norma in- ternacional (ANSI/ASRAE 34-1989 – Number Designation and Safety Clas- sification or Refrigerantes), a numeração dos hidrocarbonetos haloge- nados segue as seguintes regras:

1 – O primeiro dígito representa o número de átomos de carbono (C) do composto , menos um. Assim os derivados de metano terão, como primeiro dígito, o zero, enquanto que os derivados de etano terão o número um.

2 – O segundo dígito representa o número de átomos de hidrogênio (H) do composto , mais um, indicando a combustibilidade do refrigeran- te.

3 – O terceiro dígito representa o número de átomos de flúor (F) do composto.

4 – Nos casos onde o bromo está presente, no lugar de parte ou de todo o cloro, as mesmas regras são aplicadas. A exceção é que a letra B, após a designação do número de átomos de carbono, hidrogênio e flú- or, indica a presença de bromo. O número de átomos de carbono, hidro- gênio e flúor, indica a presença de bromo. O número imediatamente de- pois da letra B indica o número de átomos de bromo (Br) do composto.

O número de identificação do refrigerante deve ser precedido pela letra R ou utilizado em combinação com a palavra Refrigerante. O núme- ro de identificação pode também ser precedido pela marca registrada do fabricante ou nome comercial. Por exemplo: R – 12, Refrigerante 12, Freon 12 (marca registrada da Dupont). Usualmente o R – 12 é também chamado de CFC 12. Esta nomenclatura não está de acordo com a norma ANSI/ASHRAE 34 – 1989, mas também bas- tante utilizada. A nomenclatura CFC é uma abreviação de CloroFlúorCar- bono – principais elementos que compõem estes fluidos refrigerantes. O principal objetivo da utilização desta nomenclatura é informar ao usu-

3. Refrigerante: R – 13B Nomenclatura química: Bromotrifluormetano. Fórmula química:

Br

F C F

F

a) Nº de átomos de C – 1 = 1 – 1 = 0. b) Nº de átomos de H + 1 = 0 + 1 = 1. c) Nº de átomos de F = 3. d) Existe um átomo de bromo no composto. Logo, este composto é denominado R – 13B1.

PORQUE OS CFCs SÃO PREJUDICIAIS A CAMADA DE OZÔNIO.

Entre 12 e 13 km de distância do solo, na estratosfera, existe uma camada de ozônio que nos protege dos raios ultravioleta do sol. Esse camada absorve parte da radiação ultravioleta, impedindo que ela che- gue à superfície da Terra. Esses raios possuem grande quantidade de energia. Os CFCs não reagem e não são destruídos na troposfera (cama mais baixa da atmosfera). Assim, quando liberados próximo ao solo, os CFCs vão subindo lentamente da troposfera para as camadas mais distan- tes da atmosfera. Esta subida leva vários anos.

Quando os CFCs chegam na estratrosfera são atingidos pelos raios ultravioleta do sol, que provocam o rompimento de suas moléculas, li- berando átomos de cloro. Esses átomos de cloro atacam e destroem o o- zônio, reduzindo a camada de ozônio.

Molécula de CFC

Os átomos de cloro formados na decomposição dos CFCs pelos raios ultravioleta são muito ativos. Cada um deles é capaz de destruir mais de 100.000 moléculas de ozônio. A reação de destruição ocorre me quatro etapas, a partir da chega- da das moléculas de CFC à estratosfera. Na 1ª etapa, a luz ultraviole- ta quebra a ligação de um átomo de cloro da molécula de CFC.

Molécula de CFC como cloro separando.

Em seguida, o átomo de cloro ataca a molécula de ozônio (O 3 ) e forma uma de monóxido de cloro.

Rompimento da ligação e formação das novas moléculas.

Átomo de cloro

Luz ultravioleta

TABELA 1. FLUIDOS REFRIGERANTES

Tabela 2. Comparação entre Propriedades R – 12 R – 134a Ponto de ebulição -30ºC -26ºC Flamabilidade Nenhuma Nenhuma Limite de exposição,PPM (V/V) 1.000 TLV* 1.000 AEL** Potencial de diminuição do ozônio (ODP) 1,0 0, Potencial de aquecimento global (GWP) 3,0 0,

• O valor de Limite de tolerância (TLV), fixado para produtos químicos industriais pela Ameri- can Conference of Governmental Hygienists, é a concentração média ponderada de tempo do produ- to químico transportado pelo ar à qual os funcionários podem ficar expostos durante um dia de trabalho de 8 horas, 40 horas semanais, ao longo da vida profissional. ** Limite de Exposição Aceitável (AEL) é a concentração média ponderada de tempo de um produto químico transportado pelo ar a que quase todos os funcionários podem ficar expostos durante um dia de trabalho de 8 horas, 40 horas semanais, ao longo da vida profissional, sem efeitos ad- verso, conforme determinado pela Dupont para compostos que não têm TLV.

A comparação entre as propriedades do HFC-134a com o CFC-12 esta delineada na Tabela 2. O ponto de ebulição do novo fluido refrigerante aproxima-se do ponto de ebulição do CFC-12. Isso significa que o HFC- 134a desenvolverá pressões operacionais do sistema semelhantes às do CFC-12. As vantagens ambientais do HFC-134a sobre o CFC-12 são claramente mostradas pelos valores do ODP e do GWP dos dois compostos. Nenhum dos dois compostos é inflamável. O limite de Exposição Aceitável (AEL) de 1.000 ppm do HFC-134a significa uma previsão de que este fluido refri- gerante tenha características de toxidade semelhante às do CFC-12 e às de outros fluidos refrigerantes de CFC.

CONSIDERAÇÕES GENÉRICAS

Em geral, os fluidos refrigerantes alternativos não podem ser sim- plesmente “carregados” em um sistema destinado ao uso de CFCs. depen- dendo das características específicas da máquina, é possível que os materiais precisem ser substituídos e que o compressor, em muitos ca- sos, precise ser modificado. Quando se converte um chiller de CFC para HFC-134a é necessário substituir o lubrificante. Os registros de manu- tenção devem conter quaisquer modificações que tenham sido feitas nos componentes originais do sistema. Além disso, o fabricante do equipa- mento deve ser consultado sobre a compatibilidade das peças do sistema com o novo fluido refrigerante.

COMPARAÇÕES DE DESEMPENHO Conforme demonstrado na Tabela 2, as características de desempenho do HFC-134a são semelhantes às do CFC-12. Inicialmente, julgou-se que o HFC-134a fosse um pouco menos eficiente do que o CFC-12,com base nos modelos que não consideravam as diferenças nos coeficientes de trans- ferência de calor entre os dois fluidos refrigerantes. Os chillers convertidos para HFC-134a apresentam desempenho quase idêntico ao que apresentavam com o CFC-12. Embora um novo chiller possa ser projetado para o HFC-134a, um chiller que funcione com CFC-12, que se faça retrofits, terá que so- frer algumas modificações para operar com o novo fluido refrigerante. É possível que o lubrificante tenha que ser trocado e que a velocidade de impulsão tenha que ser aumentada.

COMPATIBILIDADE DOS MATERIAIS Quando se faz o retrofit, devem-se considerar vários fatores, principalmente a compatibilidade química. A tabela 3 apresenta as con- siderações mais importantes que devem ser abordadas. Uma consideração fundamental em termos de compatibilidade química é a de se encontrar um lubrificante estável. Nas aplicações de refri- geração e de ar condicionado, há uma reação muito lenta entre o lubri- ficante e o fluido refrigerante, o que gera compostos de carbono e também HCL. Nos últimos 50 anos, foram desenvolvidos lubrificantes praticamente não reativos com os fluidos refrigerantes CFC. Atualmen- te, os lubrificantes estão sendo avaliados para se obter uma estabili- dade semelhante com o HFC-134a. Os materiais de construção comuns, como cobre, aço e alumínio são adequados para os fluidos refrigerantes CFC atuais. Contudo, em certas circunstâncias, catalizadores da reação lubrificante/fluido refrige- rante podem ser formados. Para confirmar a estabilidade química do HFC-134a, esses metais estão sendo testados com o fluidos refrigerante e lubrificante candidatos a uso. Foram encontrados plásticos e elastômetro aceitáveis para serem usados com os fluidos refrigerantes CFC existentes. Contudo, um elas- tômetro ou plástico aceitável com um fluido refrigerante possivelmente não tem bom desempenho com outro. Por esse motivo, os elastômetros de- vem ser qualificados com base em aplicações por aplicação. Os testes mostram que não haverá nenhuma família de elastômetros ou plásticos que venha a funcionar com todos os fluidos refrigerantes alternativos.

MISTURAS NÃO AZEOTRÓPICA.

CLASSIFICAÇÃO DOS REFRIGERANTES QUANTO AO NÍVEL DE TOXICIDADE E

INFLAMABILIDADE SEGUNDO A ASHRAE 34-

Toxicidade Classe A - Compostos cuja toxicidade não foi identificada Classe B - Foram identificadas evidências de toxicidade

Inflamabilidade Classe 1 – Não se observa propagação de chama em ar a 18 o^ C e 101,325 kPa Classe 2 – Limite inferior de inflamabilidade (LII) superior a 0,10kg/m 3 a 21 o^ C e 101,325kPa, Poder calorífico inferior a 19. kJ/kg Classe 3 – Inflamabilidade elevada, caracterizando-se por LII in- ferior ou igual a 0,10 kg/m 3 a 21 o^ C e 101,325 kPa, Poder calorífico superior a 19.000 kJ/kg

COMPARAÇÃO ENTRE ALGUNS REFRIGERANTES.

A tabela abaixo foi obtida do problema 1 do capítulo 2 da apostila de refrigeração volume I, baseada de um ciclo de compressão de vapor padrão com uma temperatura de evaporação de – 15ºC e uma temperatura de condensação de 30ºC.

R P 2 / P 1 qE G Vd ∈ t (^) d (C) R-11 6,20 37,64 80,340 61,64 5,03 42,

R-12 4,08 28,60 105,73 9,780 4,70 39,

R-22 4,06 38,50 78,540 6,130 4,66 55,

R-717 4,94 263,3 11,480 5,850 4,75 104,

R-729 5,00 16,00 188,62 95,26 1,71 135,

Do exercício citado notamos que:

• Tanto as pressões como as temperaturas de descargas devem ser bai- xas o suficiente para permitir construções leves, tanto compres- sor como de vasos e tubos, facilitar a lubrificação e a vedação;
• A pressão baixa de refrigerantes como R 11 inferior a pressão at- mosférica, tem a desvantagem de permitir a infiltração de ar no sistema, principalmente nos casos que se utiliza compressores a- bertos.

Da tabela acima observamos que:

• O R 22 apresenta menor relação de compressão, que é desejável para qualquer tipo de compressor;

A

B líquido

C 1 C C 2

l 1 l 2

líquido gelo

D m 1 m 2 xe sólido

E

líquido + sal

temperatura eutética

concentração, % de soluto na mistura (^100)