FLUIDOS FRIGORÍGENOS

Pontifcia Universidade Catlica do Rio Grande do Sul - PUCRS Faculdade de Engenharia - FENG

Departamento de Engenharia Mecnica e Mecatrnica

REFRIGERAO E AR CONDICIONADO Prof. Dr. Paulo Renato

FLUIDOS FRIGORGENOS

Prof. Dr. Paulo Renato Perez dos Santos

- Porto Alegre / RS - - 2005 -




FLUIDOS FRIGORGENOS

1.0 - INTRODUO Fludos frigorgenos ou refrigerantes, so substncias utilizadas como veculo

trmico na realizao dos ciclos de refrigerao. O fludo frigorgeno absorve calor latente e sensvel no evaporador, o qual

liberado, juntamente com o calor transferido na compresso, no condensador.

2.0 - UM BREVE HISTRICO Inicialmente foram utilizados como fludos frigorgenos o 322 ,, NHSOCO e

ClCH 3 . O 3NH foi descoberto por Priestley e Berthollet. Fritz Haber aperfeioou o processo para fins industriais, na Alemanha, pelo processo

Harber-Bosch, durante o perodo da I Guerra Mundial. Com a finalidade de atingir temperaturas de 75C, Linde empregou em 1912 o

2NO , em 1916 o 62 HC , chegando a usar at mesmo o 83HC (propano). Em 1928 a GM organizou uma equipe de pesquisadores formada principalmente por

HENNE, com o objetivo da obteno de um fludo frigorgeno seguro. Em abril de 1930, Midgley apresentou o diclorodifluormetano, em um congresso da

American Chemical Society. Em 1931, a Kinet Chemical, fundada conjuntamente pela General Motors e pela

Dupont, lanava o Freon 12 (F-12), em 1932 o F-11, F-113 e o F-114 e em 1935, surgiu o F-22.

Na Europa, a Hoestch, com a marca Frigen passou fabricao destes compostos. No entanto, foi somente depois de 1945 que estes compostos foram verdadeiramente

desenvolvidos e aperfeioados.

3.0 - CARACTERSTICAS Para que uma substncia possa classificar-se como fludo frigorgeno, deve

preencher satisfatoriamente, uma srie de requisitos como permitir um bom rendimento do ciclo de refrigerao, uma razovel segurana, disponibilidade no mercado e um baixo custo.

3.1 - Rendimento do ciclo O fludo frigorgeno um agente importante para que o ciclo real de refrigerao se

aproxime do ideal, ou seja, segundo o ciclo de Carnot, que podem ser calculados da seguinte maneira:

EVCD

EVcarnot

carnotciclo TT

TJxCQ

===

(01)

onde,




- ciclo o rendimento do ciclo; - a eficincia do ciclo real; - carnot a eficincia do ciclo de Carnot; - EVT a temperatura de ebulio; - =EVT temperatura de condensao; - Q o calor absorvido no evaporador; - C o trabalho de compresso;

- J o equivalente calorfico do trabalho: mKgf

Kcal.427

1.

A anlise pode ser feita diretamente, atravs de um diagrama PH ou TS, ou ainda pela equao prtica de Plank (1940):

)()(

)(

)(211

0

0

1

EVCD

pCD

EV

EVCDCD

EVS

EVCDciclo

TTCCv

CCC

TT

TTTTT

TT

++

= (02)

onde, - ST a temperatura de sub-resfriamento; - 1C o calor especfico do vapor; - 0C o calor especfico do lquido; - pC o calor especfico do vapor superaquecido presso constante;

- VC o calor de vaporizao.

Figura 1 - Diagrama TS genrico.

Ciclo ideal a-c-d-g-a Ciclo real b-c-e-f-g-b




O afastamento do ciclo real em relao ao ideal aumenta com a diferena das temperaturas EVCD TT .

O sub-resfriamento tanto mais vantajoso, quanto menor for o valor de 1C e maior a diferena entre as temperaturas EVCD TT .

3.2 - Caractersticas fsicas e qumicas Um fluido frigorgeno dever tambm apresentar as seguintes caractersticas, em

relao as suas propriedades fsicas e qumicas: - ser quimicamente inerte; - ser miscvel com gua; - apresentar boa transmissibilidade trmica; - ter baixa viscosidade; - utilizar baixas relaes presso para o desenvolvimento do ciclo de operao; - ter presso de saturao no inferior atmosfrica; - ter presso e temperatura de descarga no muito elevadas;

- ter um valor de (CvCp ) prximo de 1;

- ter temperatura de solidificao inferior menor temperatura do ciclo; - no ser miscvel com leo lubrificante; - ter elevado Cv afim reduzir seus componentes, em especial o compressor.

3.3 - Segurana Em relao a segurana, os fluidos frigorgenos devero ser:

- no inflamveis; - no explosivos; - estveis; - atxicos; - facilmente detectveis no caso de vazamentos.

3.4 - Disponibilidade no mercado Impe-se com relevante importncia nas instalaes frigorficas, a facilidade com que se deve encontrar disponveis no mercado, os fluidos refrigerantes adotados. Uma ateno especial dever ser dada s grandes instalaes, onde a quantidade utilizada extremamente grande e visto que o custo do produto diretamente proporcional a sua disponibilidade de obteno.

3.5 - Custo Os fluidos frigorgenos devem ter um custo comercial baixo, a fim de tornar vivel o

valor dos equipamentos e de sua manuteno, que definir uma resposta do mercado para o produto e que ser decisivo na escolha pelo usurio.

4.0 - UTILIZAO De acordo com as caractersticas do sistema de refrigerao, como carga trmica,

temperaturas e presses de trabalho, ser escolhido um fludo frigorgeno.




Quando usamos fludos que possuem um vC elevado, adotamos compressores alternativos. Este o caso do R-134a, R-22 e 3NH . Convm tambm salientar, que eles possuem um bom rendimento quando adotados em instalaes que utilizam compressores do tipo parafuso.

Os fludos que possuem um vC de valor mdio, possuem um rendimento melhor com compressores rotativos.

No entanto, aqueles que possuem um vC pequeno, devem ser utilizados em sistemas com compressores centrfugos.

A amnia empregada nos sistemas industriais de grande capacidade e nos sistemas de absoro.

O R-134a possui um amplo campo de aplicaes, desde grandes sistemas de refrigerao at bebedouros de gua gelada, porm seu emprego est concentrado principalmente em sistemas domsticos, comerciais e de condicionamento de ar automotivo.

O R-22 geralmente empregado em sistemas comerciais, de condicionamento de ar, mas tambm amplamente utilizado em fbricas de produtos alimentcios congelados.

5.0 - CLASSIFICAO Os fludos frigorgenos dividem-se em compostos inorgnicos e hidrocarbonetos.

5.1 - Compostos inorgnicos A ASHRAE, conforme Norma 34, classifica os refrigerantes inorgnicos, somando

ao nmero 700, a massa molecular do composto, antecedendo o mesmo da letra R (refrigerante).

Como exemplo podemos utilizar a amnia e teremos:

3NH N M=14 uma ; H M=1 uma ; 700+14+3.1 R-717.

A amnia um dos mais eficientes refrigerantes dentro de suas caractersticas de aplicao.

Possui um grande efeito refrigerante, um elevado calor de vaporizao e um pequeno volume especfico do vapor, tornando possvel o uso de pequenos compressores com um consumo relativamente baixo de energia.

Produz-se amnia industrialmente em reatores de contato, Processo Claude, sob presses de 200 1000 atm e a temperaturas de 500 600C.

Como o R-717 no miscvel com o leo lubrificante, o sistema frigorfico necessita de separador de leo.

A amnia anidra no corrosiva, porm na presena de gua, forma o hidrxido de amnia que ataca o cobre , zinco , prata e suas ligas, podendo reagir com o ao.

O 3NH apresenta uma solubilidade muito grande com a gua. Esta capaz de absorver at 900 vezes o seu volume em vapores de 3NH .

As instalaes de refrigerao que utilizam amnia, adotam tubulaes de ao preto. Com uma concentrao de apenas 0,005% (0,03 g/ 3m ), nota-se um odor acre e

pequena irritao das mucosas.




Um mal estar acentuado ocorre aps uma exposio de uma hora e meia a uma concentrao de 0,035 % (0,2 g/ 3m ).

Devido a sua alta toxidade, a amnia enquadra-se no Grupo 2 da Underwriters Laboratories, ou seja, o R-717 mortal a uma exposio de meia hora em concentraes de 0,5 1 % (3 g/ 3m 6 g/ 3m )

Como os vapores de amnia so menos densos que o ar, em caso de vazamento, deve-se fazer o deslocamento pela zona inferior do recinto ou deitar-se no cho.

Pode-se cobrir o rosto com um pano molhado, j que a gua tem uma grande capacidade de absorver os vapores de 3NH . Como todo refrigerante, a amnia provoca queimaduras em contato direto com a pele, j que sua temperatura de ebulio presso de 760 mmHg de 33 C. A temperatura de inflamao da amnia de 700 780 C, estvel at uma temperatura de 150 C, se decompe em nitrognio e hidrognio a uma temperatura de 871 C e em contato com o ar, torna-se explosiva em concentraes volumtricas entre 17 27 %.

Na presena de mercrio forma compostos explosivos.

5.2 - Hidrocarbonetos Segundo a Norma 34 da ASHRAE, nos hidrocarbonetos o primeiro algarismo indica o nmero de tomos de carbono menos um. Assim, os derivados do metano tero como primeiro algarismo o zero, enquanto que os derivados do etano tero no mnimo um, o segundo algarismo indica o nmero de tomos de hidrognio mais um, caracterizando assim, a combustibilidade do refrigerante e o terceiro algarismo indica o nmero de tomos de flor. Desta maneira, podemos exemplificar:

22 FCCl C=1 1-1=0 ; H=0 0+1=1 ; F=2 R-12

Os hidrocarbonetos podem ou no ser halogenados. Desta maneira, temos: - CFC (clorofluorcarbonos) plenamente halogenados; - HCFC (clorofluorcarbonos com um ou mais tomos de hidrognio)

parcialmente halogenados; - HFC (fluorcarbonos, contendo alm de flor, tomos de hidrognio) parcialmente halogenados; - HC hidrocarbonetos no halogenados.

O uso de anticongelantes como o lcool metlico, Drayson e ter, a fim de rebaixar o ponto de solidificao da gua para um valor menor que a temperatura de ebulio do fluido frigorgeno, acarreta efeitos nocivos ao sistema, tais como:

- decomposio do fludo refrigerante; - corroso do alumnio, formando uma pasta cinza, gelatinosa e hidrognica; - destruio da camada de verniz isolante dos motocompressores; - formao de cido clordrico, que ataca o cobre, formando cloreto cprico; - formao de cido fluordrico, que ataca o verniz de isolamento dos motores

eltricos dos compressores hermticos e semi-hermticos, fazendo com que as espiras das bobinas entrem em curto-circuito.




As velocidades de escoamento devem ser suficientes para arrastar o leo atravs de todo o sistema e faz-lo retornar ao crter do compressor, pois caso contrrio, baixar o nvel de leo do compressor, provocando desgaste prematuro de suas peas e at seu trancamento.

5.3 - Misturas Existem ainda, entre os halogenados, as misturas azeotrpicas, ou seja, aquelas que ocorrem quando os parmetros de solubilidade dos fludos so diferentes e os pontos de ebulio praticamente iguais.

Este o caso do R-502, resultante da mistura de 48,8% de R-22 ( 2CHClF ) e 51,2% de R-115 ( 52ClFC ).

As vantagens das misturas so: - aumento da capacidade; - temperatura de ebulio inferior a dos componentes; - maior estabilidade do que qualquer um dos componentes; - menor temperatura de descarga do compressor; - melhoria no rendimento; - melhora a mistura com o leo.

5.4 - Fluidos Alternativos Dentre os fludos halogenados, os clorofluorados so extremamente nocivos

camada de oznio. Os tomos de cloro de suas molculas reagem quimicamente com o oznio (O3), retirando um tomo de oxignio, formando monxido de cloro. A molcula de oxignio que sobra, no bloqueia a nociva radiao ultravioleta do sol como o oznio. O monxido de cloro reage com outro tomo de oxignio para formar uma molcula de oxignio, liberando o tomo de cloro que fica livre para reagir com novas molculas de oznio, formando novamente o monxido de cloro e assim sucessivamente, transformando o oznio em oxignio, abrindo e aumentando os buracos na camada de oznio.

Figura 2 - Processo de destruio do oznio.

Pelo Protocolo de Montreal, os pases desenvolvidos no produziro mais CFCs, a partir de 01/ 01/2000.




J para os pases em desenvolvimento, os CFCs no sero mais produzidos a partir de 01/01/ 2006 e os HCFCs a partir de 01/01/2040. Para o Brasil, o Phase-out dos CFCs se dar em 01/01/2001, conforme estipulado pelo PBCO (Programa Brasileiro da Camada de Oznio). Os hidrocarbonetos no halogenados (HC), como o R-600a (isobutano) e o R-290 (propano), por no incorporarem cloro em sua molcula, seriam timas alternativas ecolgicas para a substituio do R-12 e R-22, respectivamente. Assim, criou-se uma nova linha de fludos alternativos e ecologicamente viveis. Os primeiros fludos utilizados foram os Blends (HCFC), misturas no azeotrpicas que chegam a ser 95% menos agressivos camada de oznio. Os fludos frigorgenos possuem ndice, de acordo com o seu potencial de destruio da camada de oznio ODP, que vai de 1 (100%) at 0 (0%). Os Blends foram desenvolvidos para substituir os clorofluorados nos sistemas de refrigerao j existentes, sendo considerados como os fludos de transio entre os CFCs e os HCFCs.

Dentre estes, os mais utilizados so:

R-401a MP39 R-401b MP66 R-12

R-402a HP80 R-402b HP81

SUVA Du Pont R-502

R-408a FX10 R-502 R-409a FX56 Forane

Elf Atochem R-12 R-403a R695 R-403b R692 Rhone - Poulenc R-502

Tabela 1 Alguns Blends do mercado.

Alguns Blends necessitam que o leo mineral MO, normalmente utilizado em sistemas convencionais, seja trocado, visto sua imiscibilidade com os mesmos.

Os processos de troca de fludo, sem mudana de leo lubrificante, so denominados Drop-in, como no caso da linha Forane da Elf Atochem. J o termo Retrofit reservado para troca de fludo, com a substituio do leo lubrificante. Na verdade, o termo Retrofit comeou a ser usado no incio da dcada de 70 nos Estados Unidos, referindo-se a alteraes em equipamentos ou sistemas de refrigerao e ar condicionado, para melhorar seu desempenho ou forma de operao, proporcionando economia de energia. Os Blends mais utilizados para substituir o R-12 so o MP39 e o MP66 e necessitam que no processo de Retrofit o leo mineral (MO) seja trocado por leo alquilbenzeno (AB) ou Poliol ster (POE), com os quais so miscveis. Porm o POE chega a ser cem vezes mais higroscpico que o MO.

O MP39 deve ser utilizado para temperaturas de ebulio at 23 C, enquanto que o MP66 indicado para temperaturas inferiores a esta. Devido aos MP39 e MP66 serem misturas no azeotrpicas, ocorrem no condensador e evaporador, uma pequena variao na temperatura na troca de fase, para uma




mesma presso, desde a entrada at a sada do trocador, chamada Glide de temperatura e seu valor est na ordem de 5 C. O R-134a, C2H2F4 (tetrafluormetano), possui ODP=0 e um Fator de Aquecimento Global Direto (GWP) =0,26, sendo assim, o fludo mundialmente escolhido para substituir o R-12 (ODP=1), pois alm de no conter cloro possui propriedades fsicas e termodinmicas semelhante as do R-12.

O uso do R-134a em sistemas de refrigerao projetados inicialmente para R-12, requer, na maioria dos casos, uma correo no dispositivo de expanso.

Presses e diferenciais de presso ligeiramente superiores demandam um novo projeto do motor de acionamento em relao ao R-12.

Os compressores projetados para R-12, se usarem o R-134a, tero perda de capacidade pelas diferenas de propriedades, levando a uma falta de rendimento e um aumento no consumo de energia.

Os HFCs, como o R-134a, no so miscveis com MO ou AB, sendo que os lubrificantes que apresentam melhor solubilidade so os compostos sintticos com maior polaridade, como os Poli Alquileno Glicis (PAG), porm estes so ainda mais higroscpicos que os POE.

Assim, adota-se para os HFCs, os POE, ficando limitados os PAG para os sistemas de condicionamento de ar automotivos.

A quantidade necessria de dessecante nos filtros secadores para o R-134a cerca de 20 % maior, alm dos filtros secadores serem de ncleo colado sem bauxita, tipo XH7 e XH9.

O R-134a deve ser limitado aos sistemas novos, com compressores especficos, devido aos resduos dos materiais usados no processamento dos sistemas, tais como lubrificantes de estampagem, inibidores de oxidao e produtos de limpeza. Graxas e resduos oleosos, derivados do processo de fabricao dos componentes do sistema de refrigerao, possuem baixa solubilidade com o refrigerante ou com o leo lubrificante, permitindo que estes resduos se movam pelo sistema, podendo causar entupimento, especialmente no dispositivo de expanso. Resduos clorados, oriundos do processo de limpeza dos componentes dos sistemas que j operem com R-12, podem reagir com POE e produzir cidos os quais causam corroso nas partes metlicas e deteriorao do dessecante e do leo lubrificante. Resduos de leo mineral diminuem a miscibilidade do R-134a com o POE, podendo causar problemas de acmulo do lubrificante, no evaporador.

FLUIDOS FRIGORÍGENOS

Documents

Transcript of FLUIDOS FRIGORÍGENOS