Uso de refrigerantes alternativos em refrigeração doméstica e equipamentos

compactos de refrigeração comercial

Uso de refrigerantes alternativos em refrigeração doméstica e equipamentos

compactos de refrigeração comercial

Cláudio Melo, Ph.D.

Ministério do Meio Ambiente

Difusão do uso de fluidos refrigerantes alternativos em Difusão do uso de fluidos refrigerantes alternativos em sistemas de refrigerasistemas de refrigeraçção e condicionamento de arão e condicionamento de ar

SeminSeminááriorioPorto Alegre-RS

segunda geração: segurança e durabilidade (1931-1990)

primeira geração: qualquer fluido que funcionasse (1830-1930)

primórdios da refrigeração

terceira geração: camada de ozônio (1990 – 2010)

quarta geração: efeito estufa (2010 - )

Escopo da ApresentaçãoEscopo da Apresentação

primprimóórdios da refrigerardios da refrigeraççãoão

• 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. Vaso grego para resfriamento de vinho, do

século 6 a.c., encontrado em Vulci, Itália

• Quando Luis XIV estava atacando a cidade de Lille, em 1667, o comandante da cidade soube que o Rei não tinha gelo, e mandou então uma mensagem, junto com um pouco de gelo, informando que o cerco iria demorar muitos meses e que ele gostaria de proporcionar um pouco de conforto ao Rei.

• O registro anterior é apenas um dentre muitos existentes na literatura que mostra que o gelo foi utilizado como meio de resfriamento, durante muitos séculos, principalmente por aqueles com algum grau de poder e recursos.

Uso de Gelo NaturalUso 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 housesfossem construídas com espessuras de parede da ordem de 1 metro. Frederic Tudor

(1783-1864)

Uso de Gelo NaturalUso de Gelo Natural

Ice house, 1842 - India Colheita de gelo

• 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.

Uso de Gelo NaturalUso de Gelo Natural

• 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

primeira geraprimeira geraçção: qualquer fluido ão: qualquer fluido que funcionasse (1830que funcionasse (1830--1930)1930)

O Trabalho de PerkinsO 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).

Jacob Perkins(1766-1849)

• O trabalho de Perkins despertou pouco interesse. Não foi mencionado na literatura da época e permaneceu esquecido por aproximadamente 50 anos, até que Bramwelldescreveu o artigo para o Journal of the Royal Society of Arts.

• 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.

• Em 1862, durante uma exibição internacional em Londres , o equipamento de Harrison, fabricado por Daniel Siebe e utilizando éter como fluido refrigerante, foi apresentado àsociedade da época.

James Harrison(1816-1893)

O Trabalho de HarrisonO Trabalho de Harrison

Ice BoxesIce Boxes• No início do século XX, o 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.

• 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.

Unidades SeladasUnidades Seladas

• New York times e outros jornais faziam campanha para eliminar osrefrigeradores domésticos, que até então utilizavam SO2 como refrigerante. Nessa época, 85% das famílias americanas que dispunham de eletricidade não possuíam refrigeradores domésticos.

SO2

R-40

R-134

Frigidaire - 1923

Brinde

segunda gerasegunda geraçção: seguranão: segurançça e a e durabilidade (1931durabilidade (1931--1990)1990)

• 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.

O Trabalho de MidgleyO Trabalho de 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 (CCl2F2), iniciou em 1931 e a do CFC-11 (CCl3F) em 1932.

• 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 do CFC-12 e do CFC-11O Reinado do CFC-12 e do CFC-11

• 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.

terceira geraterceira geraçção: camada de ão: camada de ozônio (1990ozônio (1990--2010)2010)

• Como conseqüência do Protocolo de Montreal a maioria das aplicação domésticas e comerciais leves (MBP) passou a adotar o HFC-134a como refrigerante e o HCFC-141b como agente expansor de espuma.

O Reinado do HFC-134a e do HCFC-141b O Reinado do HFC-134a e do HCFC-141b

• As aplicações comerciais leves (LBP), que até então utilizavam o HCFC-22 ou o R-502, passaram a fazer uso do R-404a, uma mistura zeotrópica dos seguintes refrigerantes: (44% HCFC-125 + 52% HCFC-143a + 4% HFC-134a)

• Além de boas propriedades químicas e termodinâmicas, os HFCsnão 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.

HFC-134a

Os Refrigerantes NaturaisOs 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.

HC-600a Ciclopentano

• 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 (CO2/R-744) no setor de refrigeração comercial leve.

• O HFC-141b foi rapidamente substituído pelo ciclopentano, na maioria das aplicações domésticas e comerciais leves.

CO2/R-744

Os Hidrocarbonetos (HCs)Os Hidrocarbonetos (HCs)• Os HCs (HC-600a e HC-290) já eram usados como refrigerantes,

antes de 1930. São compatíveis com a maioria dos materiais de construção do sistema, como ligas metálicas e polímeros. São também compatíveis com óleos minerais e sintéticos.

• Os HCs não exigem modificações substanciais no sistema ou no projeto dos componentes. A performance é também bastante similar a dos CFCs, HCFCs e HFCs.

• A baixa pressão de vapor do HC-600a origina menores níveis de ruído, o que o torna atraente para refrigeradores domésticos. Além disso, devido ao seu baixo efeito refrigerante volúmico (capacidade volumétrica), o HC-600a exige compressores de maior deslocamento volumétrico para uma mesma capacidade de refrigeração, os quais são geralmente mais eficientes.

• A desvantagem do uso de HCs é hoje a mesma de 80 anos atrás, pois apesar de serem pouco tóxicos tais fluidos são inflamáveis e explosivos. É essencial, portanto, que a carga de refrigerante seja reduzida para minimizar os riscos envolvidos.

As Misturas de RefrigerantesAs Misturas de Refrigerantes

• As misturas são geralmente produzidas para utilização em abordagens do tipo retrofit, quando são feitas modificações no óleo e nos materiais do sistema, ou do tipo drop-in, quando o refrigerante antigo é simplesmente substituído pelo novo.

• As misturas podem ser azeotrópicas, com comportamento similar ao de uma substância simples ou zeotrópicas, com variação de temperatura (glide) durante o processo de mudança de fase a pressão constante.

• Os trocadores de calor de sistemas de expansão direta podem ser adequadamente projetados para reduzir as irreversibilidades termodinâmicas durante os processos de transferência de calor com misturas zeotrópicas. Entretanto, nesse caso os coeficientes internos de transferência de calor diminuem, o que inibe as vantagens termodinâmicas associadas com o glide de temperatura.

O Dióxido de Carbono(CO2/R-744)O Dióxido de Carbono(CO2/R-744)

• O CO2/R-744 possui uma boa compatibilidade química com os materiais de construção do sistema e com um grande número de óleos lubrificantes. Não é inflamável e é tóxico em concentrações moderadas (acima de 5% em volume de mistura com o ar). Não apresenta problemas ambientais, tanto em relação a camada de ozônio como ao efeito estufa.

1850 199319601920 ----------1930

The peak of utilizing CO2 as refrigerant

Reinvention of CO2-refrigeration technology (G. Lorentzen)

Proposal to use CO2as a refrigerant (Alexander Twining ,British patent)

O Dióxido de Carbono(CO2/R-744)O Dióxido de Carbono(CO2/R-744)• O CO2/R-744 possui um

baixo ponto de ebulição e uma baixa temperatura crítica, o que significa que as pressões envolvidas são relativamente altas e que os ciclos são geralmente transcríticos.

90 bar

26,5 bar (-10 Deg.C)

95 Deg.C35 Deg.C Gas cooling90 bar

26,5 bar (-10 Deg.C)

95 Deg.C35 Deg.C Gas coolingP

h

• O ciclo transcrítico é menos eficiente do que o ciclo convencional porque as perdas termodinâmicas são maiores. Por outro lado as excelentes propriedades termofísicas do CO2/R-744, maximizam a performance dos trocadores de calor e do compressor, embora não sejam geralmente suficientes para compensar as perdas com a operação transcrítica.

• Esforços de pesquisa são, portanto, necessários para melhorar o desempenho do ciclo (expansores, ejetores, trocadores de calor, etc)

quarta geraquarta geraçção: efeito estufa ão: efeito estufa (2010(2010--))

• Os países desenvolvidos eliminaram os CFCs em 1996, enquanto os países em desenvolvimento (consumo < 300g/ano/pessoa) devem faze-lo até 2010.

• A eliminação dos HCFCs está em andamento, com um phase-outgradual até 2020 e 2040, respectivamente para os países desenvolvidos e em desenvolvimento.

• Um grande número de países criaram legislações próprias para acelerar o phase-out dos HCFCs. Na união européia, por exemplo, os HCFCs estão proibidos em todos os novos sistemas desde o início de 2004.

• Em Janeiro de 2006, o Parlamento europeu baniu a utilização de compostos químicos a base de flúor (F-Gases), entre os quais os HFCs, com GWPs100 superiores a 150 em sistemas de ar condicionado automotivos a partir de 2011. Esse setor responde por 50% das vendas mundiais de HFC-134a.

Ações PolíticasAções Políticas

• O Japão se comprometeu a reduzir a emissão dos GreenhouseGases (GHGs) em 25%, com base nos valores de 1990, até 2020.

• Na união européia a proposta é de uma redução de 20% a 30%, com base nos valores de 1990, até 2020.

• A Noruega se propõe a reduzir as suas emissões em 30%, também em relação a 1990, até 2020.

• A Nova Zelândia e a Rússia se propõem, respectivamente, a reduzir as suas emissões entre 10% a 20% e 10% a 15%, também em relação a 1990.

• No Canadá a proposta é de uma redução de 20%, mas em relação ao ano de 2006.

• Nos USA um projeto aprovado pela Câmara dos deputados e que aguarda aprovação pelo Senado, propõe uma redução de 27% em relação aos valores de 2005, até 2020.

Ações PolíticasAções Políticas

• GWP: Massa de CO2 necessária para absorver a mesma quantidade de radiação infravermelha que um (1) quilograma da substância em questão.

Global Warming Potential (GWP)Global Warming Potential (GWP)

Total Equivalent Warming Impact (TEWI) Total Equivalent Warming Impact (TEWI)

• Efeito direto: efeito causado pelo escape da substância para a atmosfera.

• Efeito indireto: Efeito causado pela liberação de CO2 para a atmosfera durante a combustão de carvão, gás natural, óleo ou de gasolina para produzir eletricidade.

TEWI = (massa)ref x (GWP)ref + (massa)exp x (GWP)exp + x Eanual x L

• onde: L = vida útil do produto (anos), Eanual = consumo anual de energia (kWh), = fator de conversão

• = 0,61 kg CO2/kWh valor médio, considerando a potência instalada, nos USA, de produção de eletricidade, utilizando carvão, gás natural, óleo, nuclear e hidráulica. No Brasil = 0,087 kg CO2/kWh .

• = 2,32 kg CO2/ litro de gasolina ou diesel ar condicionado veicular, transporte frigorífico

• Nos refrigeradores da 2a geração o efeito indireto respondia por 80% do TEWI500. Na 3ª geração esse valor passou para aproximadamente 98%, considerando a matriz energética dos USA.

Total Equivalent Warming Impact (TEWI) Total Equivalent Warming Impact (TEWI)

• Da 3ª geração em diante o impacto do fluido refrigerante, propriamente dito, sobre o TEWI do produto passou a ser apenasmarginal. O consumo de energia passou a ser muito mais relevante.

• O HC-600a, domina o mercado de refrigeradores domésticos na Europa e em grande parte da Ásia, embora não seja empregado nos USA. Nos USA a comercialização é impedida pelo receio dos fabricantes contra processos que associariam os HCs com incêndios domésticos.

• Em vários países da Europa 95% dos refrigeradores domésticos operam com HC-600a. Em 2008 a Embraco produziu 25 milhões de compressores, dos quais 34% com HC-600a.

• Desde 1993 mais de 200 milhões de refrigeradores e freezers com HC-600a foram comercializados. Até o momento nenhum acidente em operação normal foi reportado, embora tenham ocorridos acidentes nas operações de manufatura e de serviços.

• No final de 2008 a GE solicitou autorização do EPA (EnvironmentalProtection Agency) para introduzir o HC-600a em uma nova linha de refrigeradores a ser comercializada, nos USA, a partir do início de 2010.

Refrigeração DomésticaRefrigeração Doméstica

• Os refrigeradores com HC-600a são mais silenciosos e também levemente mais eficientes do que os refrigeradores com HFC-134a

• A diferença de TEWI decorrente da utilização de HC-600a ou HFC-134a, ao longo da vida útil do refrigerador, é de apenas 1%.

• Nos USA o consenso é reduzir o TEWI através da redução do consumo de energia do produto. Em alguns países europeus, a ênfase é colocada na redução da emissão direta do refrigerante.

• A decisão sobre o uso de um ou outro refrigerante não pode se prender apenas a aspectos ambientais, desde que os sistemas tenham a mesma eficiência, Outros fatores devem ser considerados: nível de ruído, custo, etc. As preocupações com segurança também não são procedentes pois a carga de refrigerante é geralmente inferior a 120g.

Refrigeração DomésticaRefrigeração Doméstica

• A refrigeração comercial leve compreende sistemas do tipo vendingmachines, freezer para sorvetes e expositores de bebidas. Tais sistemas usam atualmente o HFC-134a e o R-404a, respectivamente para aplicações MBP e LBP.

• Em 2007 um grupo de grandes empresas internacionais, lançou um programa chamando “Refrigerants Naturally”, com a seguinte proposta:

Refrigeração Comercial LeveRefrigeração Comercial Leve

• Tal iniciativa estimulou a utilização de HC-290, CO2/R-744 e, numa menor escala, HC-600a.

“The goal of the initiative is to promote a shift in the point-of-sale cooling technology in the food and drink, food service and retail sectors towards alternative HFC-free refrigeration technologies…”

• A Unilever introduziu, recentemente, freezers para sorvetes, com HC-290. Existem aproximadamente 2000 unidades em operação na Europa, com uma carga de refrigerante de 90g. A conclusão dessa experiência é que não houve aumento no número de falhas e de necessidade de manutenção e que a eficiência aumentou 9% em relação ao modelo correspondente com R-404a.

• Até recentemente a abordagem adotada consistia na identificação de um fluido com características de operação semelhantes ao fluido a ser substituído, para evitar mudanças significativas no sistema. A substituição pode se dar através do desenvolvimento de um produto novo, de retrofit, ou de drop-in.

Refrigeração Comercial LeveRefrigeração Comercial Leve

Refrigeração Comercial LeveRefrigeração Comercial Leve• A Embraco e a Nestlé desenvolveram, em 2006, freezers para

sorvetes, substituindo o refrigerante R- 404a pelo CO2/R-744. a estratégia adotada foi do tipo retrofit, com modificações no capilar e com a substituição do compressor. No momento algumas unidades estão em operação (teste de campo) na Europa.

Cassete• Versatilidade no transporte

• Fácil substituição

• Fácil acesso para limpeza e manutenção

Tampa superior

Ventilador do evaporador

Compressor

Ventilador do condensador

Evaporador

Condensador

Tampa inferior

Refrigeração Comercial LeveRefrigeração Comercial Leve

Melhores configurações de cassete testadas no POLO:

09,101,2134

2

COPCOCOPaHFC

0

400

800

1200

1600

20 100 500

GWP, anos

TWEI

, kg

CO

2

HFC 134aCO2

0

2000

4000

6000

8000

10000

20 100 500

GWP, anosTW

EI, k

g C

O2

HFC 134aCO2

Cassete de RefrigeraçãoCassete de Refrigeração

Brasil USA

• Devido ao elevado consumo de energia elétrica (efeito indireto), o cassete de CO2 é mais prejudicial ao meio ambiente que o cassete de HFC-134a. No caso do Brasil, que possui uma matriz energética mais limpa (dado o predomínio de hidroelétricas), o efeito indireto do CO2 não é tão forte como no caso dos EUA.

Refrigeração Comercial LeveRefrigeração Comercial Leve

• Os produtos que usam CO2 são invariavelmente comparados, em termos de consumo de energia, com produtos disponíveis no mercado, os quais geralmente não primam pela eficiência. Esse, entretanto, não foi o caso da comparação apresentada para cassetes de refrigeração.

• A EPA anunciou recentemente um novo programa “Energy Star”, que vai se tornar efetivo a partir de janeiro de 2010, com o intuito de tornar os expositores de bebidas e os freezers para sorvetes 33% mais eficientes do que os produtos atuais. No Brasil discussões jáestão sendo realizadas a respeito desse mesmo assunto.

• Com o aumento da eficiência dos produtos atuais os sistemas com CO2 vão deixar de ser atraentes, a menos que se promovam alterações substanciais no sistema.

Novos Ciclos com CO2/R744Novos Ciclos com CO2/R744

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

75 80 85 90 95 100 105 110Pressão de Descarga (bar)

CO

P

228,4g

238,4g

249,0g

260,0g

275,0g

290,4g

320,4g

Novos Ciclos com CO2/R744Novos Ciclos com CO2/R744

• Uma nova família de refrigerantes, os Hidro Fluor Oleofinas, estásendo desenvolvida pelas empresas Dupont e Honeywell. No momento dois fluidos merecem atenção, o HFO-1234yf e o HFO-1234ze. O primeiro possui um GWP100 igual a 4 e um tempo de residência na atmosfera de 11 dias. O segundo possui um GWP100igual a 6 e um tempo de residência na atmosfera de 18 dias.

Novos FluidosNovos Fluidos

• O HFO-1234yf possui propriedades termodinâmicas similares ao R-134a, é estável e compatível com a maioria dos materiais, embora seja mais caro do que o HFO-1234ze. Esses fluidos são menos inflamáveis do que os HCs, mas continuam sendo inflamáveis. Testes de toxidez, embora ainda não completos, são promissores.

Novos FluidosNovos Fluidos

• Testes do tipo drop-in, realizados com um expositor de bebidas com capacidade para 640 latas de refrigerante, indicaram uma queda de desempenho de 4% e de 13%, em relação ao HFC-134a, respectivamente para os refrigerantes HFO-1234yf e HFO-1234ze.

• Introduzindo modificações nos trocadores de calor a queda de desempenho do sistema com HFO-1234ze, passou a ser de apenas 3%, quando comparado com a mesma referência.

• No momento a aplicação de tais fluidos nos segmentos de refrigeração doméstica e comercial leve é apenas especulativa. A passagem da especulação para a prática, dentre outros fatores, exige o desenvolvimento de compressores específicos para essa família de fluidos.

Novos FluidosNovos Fluidos

• Uma quarta geração de refrigerantes é eminente, com novas introduções a partir de 2010. Em adição aos requisitos de segurança e compatibilidade com materiais, os novos fluidos devem atender aos requisito de GWP100<150. Além disso, tais refrigerantes devem ter um tempo de residência na atmosfera relativamente curto para evitar eventuais novos problemas ambientais. Os novos fluidos devem ainda oferecer alta eficiênciapara diminuir e não aumentar as emissões de GHGs.

• No momento as pressões estão colocadas sobre a indústria automobilística, mas é praticamente certo que no futuro isso se estenderá as demais aplicações

• Muito refrigerantes considerados atualmente como novos refrigerantes, incluindo vários HFCs, logo se tornarão obsoletos.

4a Geração: Uma Realidade4a Geração: Uma Realidade

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