C02 ou R744 na refrigeração: uso cada vez maior –

A volta do interesse em antigos refrigerantes como o dióxido de carbono (R-744)

Celina Bacellar – Climatização e Refrigeração, no. 97

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Não é raro que, após algum tempo de uso, novas substâncias químicas sejam associadas a desvantagens que não tinham sido previstas na época em que foram introduzi das no mercado. Foi isto o que aconteceu com os novos refrigerantes – hoje, é sabido que, vários deles apresentam coeficientes bastante significativos de destruição da camada de ozônio e contribuem para o efeito estufa, entre outras preocupações. Voltando no tempo, vale lembrar um pouco da história dos refrigerantes sintéticos.

Em meados de 1928, foram criados os primeiros refrigerantes sintéticos do tipo CFC – Cloro Fluor Carbonetos. O auge de seu consumo se deu na década de 60, principalmente, nos países desenvolvidos. O maior estímulo para tanto sucesso foram suas propriedades físico-químicas e versatilidade, tais como o fato de serem fluidos estáveis, não tóxicos, não corrosivos e não inflamáveis. No entanto, em 1974, foram publicados alguns artigos científicos sugerindo que os átomo de cloro dos CFCs liberados para a atmosfera destruiriam as moléculas de ozônio. Em 1985, a confirmação desta devastação se deu através da detecção de um buraco na camada de ozônio sobre a Antártica. Finalmente após várias negociações, em 1987, o Protocolo de Montreal foi adotado por 46 países com o intuito de reduzir o consumo de CFCs. Em 1989, o Protocolo de Montreal entrou em vigor e, em 1991, foram incluídas, também, restrições ao uso dos HCFCs – Hidro Cloro Fluor Carbonetos. Algumas datas limites foram estipuladas para a total eliminação dos fluídos: em 1996 para os CFCs e 2030 e 2040 para os HCFCs para os países desenvolvidos e em desenvolvimento, respectivamente.

Em setembro de 2007, os países que fazem parte do Protocolo de Montreal tomaram a decisão de antecipar o fim do consumo e da produção dos HCFCs. E assim, em 2013, os países em desenvolvimento deverão congelar os níveis de consumo de acordo com os registros de 2009, e de produção, a partir do que foi registrado em 2010. A partir daí. A redução passa a ser progressiva: dois anos depois, deverá haver uma redução de 10% em relação à 2009/2010. Em 2020, essa redução deverá ser de 35% e, em 2025, de 67,5%. Por fim, a total eliminação dos HCFCs se dará em 2030. Para os países desenvolvidos, a total eliminação se dará em 2020. Em paralelo aos acontecimentos acima, o mercado continuava operando.

Por causa dos danos ambientais causados pelos antigos CFCs como o R-12 e R-502, além do HCFC R-22 (um dos refrigerantes mais usados no mundo), passou a existir uma busca mundial por uma boa alternativa que fosse segura e, acima de tudo ecologicamente correta. Desde a década de 90, os HFCs – substâncias químicas livres de cloro, têm sido a alternativa mais comumente aplicada. Entre eles, os mais usuais são o R-134a, R-S07, R-404A, R-407C e R-41OA, estes últimos da série 400, ainda têm o inconveniente de serem fluidos zeotrópicos. Entretanto, é preciso escolher corretamente o HFC mais adequado à temperatura de evaporação em questão, haja vista a grande variação de comportamento destes fluidos em diferentes condições de operação.

Com o intuito de tentar resolver estes problemas, pareceu razoável reintroduzir alguns dos refrigerantes comumente usados antes desta onda de alternativas sintéticas. Estes “velhos” refrigerantes, também conhecidos como refrigerantes naturais, incluem a amônia (NH3), o dióxido de carbono (C02), os hidrocarbonetos tais como o propano (R-290) e, também, a água e o próprio ar.

Em princípio, os refrigerantes sintéticos começaram a ser escolhidos, pois os naturais apresentavam “certas” desvantagens. O fato não é negar a existência destas inconveniências, mas sim ressaltar o fato de que, face aos refrigerantes sintéticos, tais obstáculos já estavam bastante conhecidos e documentados. É um tanto improvável que quaisquer novas desvantagens associadas ao CO2 ainda venham a ser descobertas, porque o CO2 é um componente natural do ar que nos rodeia. Além disso, o CO2 apresenta inúmeras vantagens específicas que o tornam muito interessante para aplicação na refrigeração industrial, como será descrito a seguir. No decorrer dos últimos anos, várias plantas de refrigeração comercial começaram a usar o CO2 e oresultado destas experiências é que oCO2 é seguro e confiável. Além do mais, a eficiência energética é tão boa quanto ou melhor do que a obtida com outras alternativas.

Aplicações do CO2 na refrigeração industrial

Para as aplicações de refrigeração industrial, o CO2 torna-se a melhor alternativa na faixa de temperaturas que variam entre -35oC e -53oC. Pode também ser usado, com bons resultados, como fluido secundário a altas temperaturas. Esta aplicação já está bem comprovada por diversas instalações existentes e em perfeita operação. Entretanto, quanto menor a temperatura, mais eficiente será a aplicação do CO2 se comparado com a maioria dos outros refrigerantes convencionais. Somando-se a isso, o CO2 ainda apresenta outros diferenciais, por exemplo, a ausência de odor. Em caso de pequenos vazamentos, não causará pânico.

Aplicações do CO2 na refrigeração industrial

O CO2 pode ser usado para aplicações de baixas temperaturas em áreas relacionadas às indústrias alimentícias, de bebidas, petroquímicas e navais, tais como:

• Supermercados;
• Fábricas de sorvete;
• Indústrias de carne e frango (frigoríficos e abatedouros);
• Indústrias de frutos do mar e pescados;
• Câmaras de estocagem;
• Liofilização;
• Plantas de condensação de CO2 e outros gases.

O CO2/R-744 como fluido refrigerante

Abaixo descrevo algumas vantagens e desvantagens do CO2/R-744 como fluido refrigerante.

Vantagens:

• • Potencial de destruição da camada de ozônio = 0

O potencial de destruição da camada de ozônio é um parâmetro que mede o poder que um determinado produto tem em destruir a camada de ozônio. Do inglês, vem a sigla: ODP – Ozone Deplet ion Potencial Neste caso, o valor de referência 1 é conferido ao R-11. Seguem alguns outros valores: R-22 = 0.05; R-134a = 0.00.

• • Potencial de aquecimento global = 1

Vale lembrar que o potencial de aquecimento global é uma medida de como certa quantidade de um determinado gás contribui para o aquecimento global. Em inglês, O termo usado é “Global Warming Potential”, daí a sigla GWP. O GWP é uma medida relativa que compara o gás em questão com a mesma quantidade de dióxido de carbono, cujo GWP é definido como 1 (um). Ou seja, o CO2, dióxido de carbono, com seu GWP = 1 é a base de comparação. Este potencial de aquecimento global é calculado com base em um intervalo de tempo pré-determinado e é este valor que é adotado para a comparação de gases. Seguem alguns outros valores: R-22=1700; R-134a= 1300.

• Não inflamável.
• Não tóxico.
• Sem odor: Não há risco de pânico.
• Disponível no mercado comercial e de baixo custo.
• Alta performance volumétrica: 3 a 12 vezes maior que a da amônia; compressores, tubulações e acessórios de 3 a 12 vezes menores.
• Alto Coeficiente de Performance (COP): Potência consumida reduzida.
• Altos coeficientes de troca térmica: Evaporadores e condensadores menores;
• Reduzida perda de pressão: Válvulas e tubulações menores, menor quantidade de isolamento, etc.

Desvantagens:

• Alta pressão de projeto: O equipamento deve estar dimensionado para evitar elevadas pressões em paradas.
• Descongelamento por gás quente (equipamento para alta pressão, em torno de 50 bar).
• Flexibilidade relativamente limitada: Mínima temperatura de evaporação -56°C e máxima temperatura de condensação +5°C.
• Plantas mais complexas: O trocador de calor cascata, que faz a união entre os sistemas de alta e baixa temperaturas, é mais caro do que um resfriador intermediário convencional de um sistema booster, por exemplo.
• O CO2 é mais pesado que o ar: Em casos de vazamentos, o CO2 acumula-se próximo ao chão, tomando o lugar do ar.
• Sem odor: Em caso de vazamentos, não há o alarme natural geralmente causado pelo odor. Assim, o uso de detectores de CO2 é sempre recomendado.

Comparação entre sistemas de refrigeração

O CO2, como fluido primário do lado de baixa temperatura: Comparando um sistema cascata usando CO2 com um sistema inundado de dois estágios com amônia, o primeiro apresenta as seguintes vantagens:

• Menores custos operacionais, considerando um sistema trabalhando com temperaturas de evaporação inferiores a -35°C;
• Menores custos iniciais para aplicações de baixas temperaturas
• o ponto de equilíbrio varia muito para cada tipo de instalação;
• Menores custos de instalação dos compressores de booster (compressores de porte reduzido – de 3 a 12 vezes menor deslocamento volumétrico);
• Menores custos de tubulação;
• Custos adicionais para o condensador de CO, (resfriador cascata);
• Total ausência de amônia nas áreas de produção, além de drástica redução do inventário de amônia nas salas de máquinas;
• Pressões de operação positivas na planta e nos compressores, reduzindo problemas com ar e umidade na instalação.

O CO2 como fluido secundário: Nos sistemas de congelamento a baixa temperatura, quando comparado a um sistema secundário de uma fase, o uso de CO2 em sistema secundário de duas fases, apresenta as seguintes características:

• Menores custos de operação;
• Menores custos de tubulação;
• Melhor coeficiente de troca térmica do lado de evaporação, o que implica em menores trocadores de calor (air coolers, por exemplo);
• Custos equivalentes ou menores para os sistemas com CO2, em comparação aos sistemas tradicionais de uma fase.

Soluções em sistemas de refrigeração para uso de CO2 como fluido de refrigeração: Atualmente, as alternativas disponíveis para o aproveitamento do CO2 como solução de refrigeração são:

• • Sistema de refrigeração em cascata com o uso do CO2 como fluido primário no estágio de baixa temperatura e a amônia ou outro refrigerante de boa performance no estágio de alta temperatura.
  • Uso do CO2, como fluido secundário com mudança de fase.

Conclusões finais sobre o CO2 na refrigeração industrial

Levando em consideração todos os aspectos abordados aqui, fica claro que o CO2 ressurge como uma alternativa natural de longo prazo. Equipamentos de refrigeração usando CO2 como fluido refrigerante passam a ser soluções economicamente viáveis, além de ecologicamente corretas por não prejudicarem o meio ambiente. E, para um melhor aproveitamento das boas características do CO2 em baixas temperaturas, uma opção bastante apropriada é o uso de outro fluido refrigerante no sistema de alta temperatura, formando um sistema em cascata. Focando o ressurgimento dos antigos refrigerantes, a amônia é uma alternativa muito apropriada e, como o CO2, ecologicamente correta.