Refrigerantesprofessor.unisinos.br/mhmac/SistTerm/Refrigerantes.pdf · baixa estabilidade química...

16/11/2015

1

Refrigerantes

Universidade do Vale do Rio dos Sinos – UNISINOSPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica

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.

Refrigerante

16/11/2015

2

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.

Refrigerante

O grande salto da refrigeração foi dado em 1928 com a busca deum refrigerante seguro e estável, não tóxico, não corrosivo ouinflamável e com características adequadas para operar emsistemas compactos.Esse trabalho foi desenvolvido por Thomas Midgley com suaequipe. Essa descoberta originou uma nova empresa, resultanteda união da DuPont e da General Motors, chamada KineticChemicals Inc., quando foi registrada, então, a marca Freon ©.

O início

Thomas Midgley Jr. (1889-1944) e Charles F. Kettering.

16/11/2015

3

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.

O Problema ambiental

Mario J. Molina F. Sherwood Rowland


16/11/2015

4

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 ofOzone Depletion: 1998.

16/11/2015

5

Valores de tempo de vida na atmosfera, ODP e GWP de alguns refrigerantes.


10


16/11/2015

6

11

TEWI – Total Equivalent Warming Impact

TEWI – Total Equivalent Warming Impact

( ) [ ]( ) ( )44344214444 34444 2143421

energia de Consumoorecuperaçã na PerdasVazamentos

1 βα ⋅⋅+−⋅+⋅⋅= anualerycovre EnmGWPnLGWPTEWI

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.

16/11/2015

7

13

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.

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.

16/11/2015

8

Origem dos halogenados

inflamabilidade

toxicidad

e

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

16/11/2015

9

17

Refrigerant Number Chemical Name a,b

Chemical Formula a

Molecular Mass a

Normal Boiling

Point , a °C

Safety

Group

Methane Series

11 Trichlorofluoromethane CCl3F 137.4 24 A1

12 Dichlorodifluoromethane CCl2F2 120.9 –30 A1

12B1 Bromochlorodifluoromethane CBrClF2 165.4 –4

13 Chlorotrifluoromethane CClF3 104.5 –81 A1

14 Tetrafluoromethane (carbon

tetrafluoride)

CF4 88.0 –128 A1

21 Dichlorofluoromethane CHCl2F 102.9 9 B1

22 Chlorodifluoromethane CHClF2 86.5 41 A1

23 Trifluoromethane CHF3 70.0 –82 A1

30 Dichloromethane (methylene

chloride)

CH2Cl2 84.9 40 B2

31 Chlorofluoromethane 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

50 Methane CH4 16.0 –161 A3

18

Table 1. Refrigerant Data and Safety Classification s

Refrigerant Number Chemical Name a,b

Chemical Formula a

Molecular Massa

Normal Boiling Point, a

°C Safety

Group

Ethane Series

113 1,1,2-trichloro-1,2,2-

trifluoroethane

CCl2FCClF2 187.4 48 A1

114 1,2-dichloro-1,1,2,2-

tetrafluoroethane

CClF2CClF2 170.9 4 A1

115 Chloropentafluoroethane CClF2CF3 154.5 –39 A1

116 Hexafluoroethane CF3CF3 138.0 –78 A1

123 2,2-dichloro-1,1,1-

trifluoroethane

CHCl2CF3 153.0 27 B1

124 2-chloro-1,1,1,2-

tetrafluoroethane

CHClFCF3 136.5 –12 A1

125 Pentafluoroethane CHF2CF3 120.0 –79 A1

134a 1,1,1,2-tetrafluoroethane CH2FCF3 102.0 –26 A1

141b 1,1-dichloro-1-

fluoroethane

CH3CCl2F 117.0 32

142b 1-chloro-1,1-

difluoroethane

CH3CClF2 100.5 –10 A2

16/11/2015

10

19

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

Table 2. Data and Safety Classifications for Refrigerant Blends

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.

16/11/2015

11

Desempenho dos refrigerantes

O ciclo de refrigeração:

Efeito da temperatura crítica na capacidade e no COP

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 do calor específico molar na capacidade e no COP

16/11/2015

12


ol

ov

ol*

ss

sss

−

−=

Entropia normalizada


Pressão de saturação em função da temperatura

16/11/2015

13

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.

Exemplo: CHClF2

a � 2

b � 1+1=2

c � 1-1=0

R-

R-22


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

16/11/2015

14

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.

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.

Ponto de

orvalho

Ponto de

ebulição

16/11/2015

15


30

Novos refrigerantes

F3C

C CH2

F

1234yf

CF3CF=CH2

Propeno

CH3CH=CH2

F

16/11/2015

16

31

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.

32

T

S

refrigerante

refrigerante

FTC

FTC

T

S

refrigerante

refrigerante

FTC

FTC

Ciclo de Lorentz para misturas

16/11/2015

17

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 docompressor, além de reduzir o trabalho de compressão;

c) Efeito de refrigeração, caracterizado pela diferença entre as entalpias do refrigerante na entrada e nasaída do evaporador, determinando a vazão mássica de refrigerante no circuito para uma dadacapacidade de refrigeração;

d) Efeito de refrigeração volumétrico,QE/v1. Quanto maior esse efeito, menor será a taxa dedeslocamento necessária para o compressor e, consequentemente, menor será o tamanho docompressor em relação às suas dimensões;

16/11/2015

18

Comparação

Parâmetros importantes:

e) Trabalho de compressão volumétrico,Wm/v1, que representa o trabalho necessário para comprimir umvolume unitário de vapor, isentropicamente e está relacionado com a potência necessária para acionarum 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 umadada capacidade de refrigeração.

36

Efeito das propriedades na perda de pressão no evaporador

16/11/2015

19

37

Velocidade do som

Para um gás ideal, a velocidade do som é dada pela equação:

M

RTcideal

λ=

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.

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.

16/11/2015

20

Segurança

Correlação entre velocidade da chama vs. mínima energia de ignição (MIE)

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

Segurança

16/11/2015

21

41

Segurança

42

Parâmetros para escolha de um refrigerante

Figure 1

16/11/2015

22

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 álquilbenzenos, 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.

16/11/2015

23


�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.


� Os refrigerantes HFCs, caracterizados por moléculas polares, não são compatíveis com os óleos minerais (não polares) e os álquilbenzenos.

� 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.

16/11/2015

24

47

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

48


16/11/2015

25

49


50


16/11/2015

26

51


52


16/11/2015

27

53

Refrigerantes secundários

16/11/2015

28

Refrigerantes secundários

Solução aquosa com cloreto de de sódio.

Refrigerantes secundários - salmouras

16/11/2015

29

Refrigerantes secundários - glicóis


Solução aquosa com etileno glicol.

16/11/2015

30


Solução aquosa com propileno glicol.

Refrigerantesprofessor.unisinos.br/mhmac/SistTerm/Refrigerantes.pdf · baixa estabilidade química...

Documents

Transcript of Refrigerantesprofessor.unisinos.br/mhmac/SistTerm/Refrigerantes.pdf · baixa estabilidade química...