Artigo Técnico da revista ABRAVA
ano 28,Edição 222, Março/ 2005
James M. Calm e
Piotr A. Domanski
Um ciclo padrão de compressão mecânica de vapor é ilustrado na figura 2 com auxílio de um diagrama temperatura-entropia. Deve-se notar que o efeito refrigerante específico - a relação entre a capacidade de refrigeração e o fluxo de massa de refrigerante - equivale à área em azul, localizada abaixo da temperatura de evaporação, enquanto o trabalho consumido para manter o sistema em operação corresponde à área 1-2R-3-4R. Tomando o ciclo de Carnot como referência, deve-se observar que as irreversibilidades (i.e. trabalho perdido) introduzidas pelo dispositivo de expansão reduzem o efeito refrigerante específico na proporção indicada pela área situada abaixo da linha 4C-4R. O trabalho adicional necessário oriundo do superaquecimento do fluido na descarga do compressor é denotado pela área 2-2C-2R. Tanto as irreversibilidades associadas ao processo de expansão como ao superaquecimento de refrigerante são influenciadas pelas inclinações nas linhas de líquido e de vapor saturado. Tais perdas são maiores nas regiões próximas ao ponto crítico (note a região plana, próxima ao domo mostrado na figura 2).
Na figura 1 pode-se observar ainda que o R-410A possui uma temperatura crítica mais baixa em comparação com o R-22, de modo que, para uma mesma condição de operação - mesmas temperaturas de evaporação e de condensação -, as irreversibilidades associadas tanto ao superaquecimento como ao processo de expansão se tornam mais pronunciadas para a mistura. Dentre os componentes do R-410A, o R-125 apresenta um desempenho termodinâmico inferior ao R- 32, além de elevar o grau de inflamabilidade e o GWP da mistura. Outras misturas que utilizam o R-32 como componente também possuem características interessantes. Dois exemplos são o R-32/ 600 (95,0/5,0) e o R-32/600a (90,0/10,0), duas misturas azeotrópicas de R-32 respectivamente com n-butano e isobutano, cujas propriedades são ilustradas nas tabelas 3 e 4. Como observado por Yoshida e outros (1999), além da possibilidade de serem utilizadas com lubrificantes minerais, tais misturas oferecem um bom desempenho termodinâmico.
Ambas são, no entanto, inflamáveis.
Uma análise do ciclo termodinâmico teórico permite comparar, embora de forma simplificada, o desempenho das misturas em termos de COP, já que não leva em consideração o impacto das propriedades de transporte, efeito do lubrificante e características dos componentes. Nas tabelas 4 e 5 são apresentados os coeficientes de performance para alguns possíveis substitutos do R-22, calculados com base em ciclos de refrigeração de um único estágio, comumente usados em condicionadores de ar e em chillers com condensação a água. Além dos COPs, são apresentadas também as potências específicas (kW/ TR), mais usadas para sistemas de grande capacidade. Alguns refrigerantes, apesar de possuírem melhores características termodinâmicas, não apresentam o mesmo desempenho que outros com boas características de transferência de calor como, por exemplo, misturas com elevado glide. O R-407C, por exemplo, pode não fornecer o desempenho indicado caso seja empregado um trocador de calor de fluxo cruzado, embora tenha potencial para excedê-lo caso um trocador de calor contra- corrente seja utilizado.
Alguns substitutos, como o R-134a para chillers, oferecem eficiências mais elevadas que o R-22. Para os demais, os fabricantes têm aperfeiçoado os equipamentos a fim de compensar as perdas de eficiência. Tanto Domanski (1995) como Calm e Didion (1997) analisaram algumas das implicações e limitações das eficiências teóricas dos refrigerantes.
Domanski e Payne (2002) mostram que o R-410A sofre, em comparação com o R-22, uma degradação significativa de performance para operações com temperaturas de condensação elevadas, embora seu desempenho seja comparável ao do R-22 para condições típicas de operação. Na mesma linha, Spatz e Yana Motta (2003) discutem os efeitos das perdas de carga e das trocas de calor sobre a eficiência do sistema enquanto Yoshida e outros (1999) apresentam novas técnicas para obter eficiências elevadas a partir do uso de misturas de R-32 e hidrocarbonetos.
Existe ainda muita controvérsia acerca da eficiência do dióxido de carbono (R-744, CO2). Uma das principais razões consiste no fato da maioria das aplicações do CO2 necessitarem de um ciclo termodinâmico transcrítico ao invés de um ciclo convencional.
Brown e outros (2002) fizeram uma análise detalhada acerca da aplicação residencial de CO2, tanto com ciclos convencionais como com ciclos transcríticos, e concluíram que há uma significativa perda de performance, em relação ao R-22,caso trocadores de calor equivalentes sejam utilizados, o que sugere que os tão aclamados ganhos no compressor e nas propriedades de transporte não compensam as perdas termodinâmicas. Enfatizase, no entanto, que o CO2 possui um grande potencial para algumas aplicações específicas, como, por exemplo, nos ciclos de baixa pressão de sistemas de refrigeração tipo cascata projetados para aplicações industriais.
A performance dos hidrocarbonetos é ilustrada através das eficiências do propano (R-290) na tabela 4, e do propileno (R-1270) na tabela 5, cujas propriedades ambientais são também apresentadas na tabela 3. A maior limitação para seu uso não é performance, mas segurança, devido à sua alta inflamabilidade.
Existem pelo menos duas fortes razões para considerar a eficiência energética como um critério para seleção dos substitutos do R-22: (1) a redução dos índices relacionados ao efeito estufa só será possível através da redução dos índices de emissão indireta de gases relacionada ao consumo de energia; e (2) as metas de eficiência energética para equipamentos de refrigeração - a maior aplicação do R- 22 - aumentará em cerca de 30% nos EUA durante a fase de transição do R-22.
Kul e outros (2004) avaliaram a performance de uma gama de hidro-fluoretéres (HFEs) e de suas misturas com HFCs, apontados como potenciais substitutos do R-22. Deste trabalho, concluiuse que os coeficientes de performance (COPs) calculados variam em torno de 80 a 90% do obtido para o R-22. Além disso, tanto o R-E125 (CHF2OCF3) como suas misturas ternárias com o R-32 e R- 134a ou R-152a foram identificados como os candidatos mais promissores para substituir o R-22, mesmo apresentando COPs entre 90 a 93% do COP do R-22.
SEGURANÇA
É fato que os refrigerantes a base de fluor foram introduzidos na década de 1930 para elevar a segurança dos sistemas de refrigeração disponíveis na época. Com a remoção de alguns refrigerantes-chave, incluindo o R-22, foi proposta a retomada do uso dos chamados "refrigerantes naturais", classe que inclui a amônia, o dióxido de carbono e os hidrocarbonetos.
A amônia (R-717) possui um forte apelo devido à sua eficiência, como mostrado na tabela 5, e ao inerente baixo custo. Apesar de ser o refrigerante mais empregado no processamento e armazenamento de alimentos, a amônia é extremamente tóxica e inflamável. O dióxido de carbono (R-744), por sua vez, foi um dos primeiros fluidos empregados em refrigeração, sendo usado até hoje em sistemas industriais. Entretanto, o CO2 opera em pressões muito elevadas em comparação com o R-22, fazendo com que o ciclo termodinâmico se torne transcrítico para temperaturas de condensação convencionais. Os hidrocarbonetos, notadamente o etano (R-170), o propano (R-290), o n-butano (R-600), o isobutano (R-600a), o etileno (R-1150) e o propileno (R-1270) possuem uma boa eficiência termodinâmica e propriedades similares aos refrigerantes a base de fluor.
Além disso, são de baixo custo e ambientalmente amigáveis, embora sejam fortemente inflamáveis, o que requer um uso mais cuidadoso.
Os hidrocarbonetos possuem uma ampla aceitação nos países europeus, tanto para sistemas de pequeno porte - em refrigeração doméstica, o R-600a tem sido usado como substituto do R-12 - quanto em refrigeração de grande porte. A amônia e o propileno tem sido aplicados em chillers de água gelada, mas isolados em salas de máquinas apropriadas. Na América do Norte e na Ásia, normas de segurança restritivas, bem como os altos preços dos seguros, têm limitado o uso de substâncias inflamáveis. A norma ANSI/ASHRAE Standard 15, por exemplo, limita a quantidade de refrigerante inflamável que pode ser empregada em sistemas de grande porte, de modo que os fabricantes têm mantido seu foco nos refrigerantes classificados pela norma ANSI/ASHRAE Standard 34 como A1, que significa baixa toxidade e baixa inflamabilidade, permitidos para uso em sistemas residenciais e comerciais de pequeno porte.
COMPATIBILIDADE DE MATERIAIS
A escolha do lubrificante é o principal fator a ser considerado quando se pretende introduzir um refrigerante substituto num sistema de refrigeração projetado para o R-22. Enquanto sistemas que operam com R-22 geralmente empregam óleos minerais naftênicos com aditivos, as alternativas derivadas de refrigerantes a base de HFCs requerem lubrificantes sintéticos a fim de garantir a miscibilidade adequada e, assim, permitir o retorno de óleo para o(s) compressor(es). Para tal categoria de substitutos, os poliolésteres (POEs) são os princiais lubrificantes*.
Opções como o alquilbenzeno (AB) e o polivinil-éter (PVE) estão também disponíveis para aplicações especiais. Embora largamente empregado com o R-134a em condicionadores de ar automotivos e em transporte refrigerado, os polialquileno- glicóis (PAG) são pouco comuns em sistemas domésticos ou comerciais.
A escolha do lubrificante é complexa e os usuários devem seguir as recomendações do fabricante do equipamento ou, no projeto do equipamento, do fabricante do compressor. Cuidados de instalação e manuntenção são ainda mais importantes para a grande maioria dos lubrificantes sintéticos, a fim de evitar a contaminação do sistema com umidade ou outras substâncias. Conversões de sistemas com R-22 para refrigerantes substitutos usualmente requerem procedimentos especiais para remoção do lubrificante. Vários produtores de refrigerante oferecem alternativas ao R-22 especialmente reformuladas para evitar este processo. Embora haja opções para substituição do R-22 para aplicações de serviço, acredita-se que, uma vez que o R-22 pode ser facilmente obtido nos dias de hoje e estará disponível ainda por algum tempo, muitos usuários não farão a conversão dos equipamentos atualmente em operação, ou mesmo dos que serão produzidos nos próximos anos.
Dada a complexidade do problema, uma outra pesquisa, denominada de programa MCLR (do inglês, Material Compatibility and Lubricant Research Program), foi realizada pelas indústrias de refrigeração e condicionamento de ar.
Fabricantes de equipamentos e componentes aliados a produtores de refrigerantes e lubrificantes realizaram um estudo conjunto para qualificar materiais para os substitutos do R-22. De um modo geral, os problemas de compatibilidade foram solucionados para os substitutos do R-22, embora projetistas de equipamentos e componentes devam ficar atentos ao selecionar os materiais apropriados.
Existem outras questões delicadas, como a amônia, por exemplo, que consiste num substituto do R-22 com características singulares. Os equipamentos empregados para uso com amônia são completamente diferentes uma vez que são projetados para trabalhar com lubrificantes imísciveis.
Além disso, a amônia é compatível com cobre, mas muda de comportamento na presença de contaminantes, tais como umidade. Como resultado, a amônia geralmente não é empregada com materiais a base de cobre, seja para os trocadores de calor, enrolamento do compressor ou tubulação.
Por estes motivos, acredita-se que a conversão de equipamentos com R-22 para amônia não seja viável.
Refrigerantes formados por hidrocarbonetos são usualmente compatíveis com os materiais usados em sistemas projetados para R-22 e podem, com freqüência, fazer uso dos mesmos lubrificantes ou de similares. Entretanto, sua aplicação requer cuidados com segurança devido à sua inflamabilidade.
PRINCIPAIS SUSTITUTOS
O principal substituto do R-22 para aplicações de condicionamento de ar e bombas de calor "casados" - ou seja, em que uma determinada unidade evaporadora é projetada para trabalhar com uma determinada unidade condensadora - é o R410A, embora a substituição não seja direta já que as diferenças entre tais refrigerantes exigem mudanças de projeto.
A maioria dos fabricantes de equipamentos já disponibilizaram no mercado alguns produtos com R-410A. Embora o uso deste refrigerante corresponda, atualmente, a menos de 10% do mercado norte- americano de R-22, espera-se que tal proporção exceda 80% em 2007 e atinja 100% ao final de 2009.
O R-410A é também o candidato mais cotado para condicionadores de ar, bombas de calor e chillers pequenos para aplicações comerciais. A escolha do refrigerante muda de acordo com o tamanho do equipamento, particularmente para chillers com compressores de parafuso. Até então, o R-134a predomina como o refrigerante mais usado para chilers de médio porte, embora alguns fabricantes empreguem R-410A e outros refrigerantes. Enquanto o R- 134a trabalha a baixas pressões, o R- 410A apresenta um comportamento oposto, de modo que requerem diferentes projetos. Atualmente, o R-22 praticamente não é mais usado em chillers de grande porte com compressores centrífugos.
O projeto de tais equipamentos foi redirecionado para o uso de R- 123 e R-134a, sendo o primero mais aceito no mercado atual. Embora o R- 123 também seja um HCFC e precise ser removido do mercado, seu prazo é mais dilatado, uma vez que possui um ODP menor que o R-22 (Calm e Didion 1997, Calm 2000, UNEP 2003b).
Atualmente a produção de R-22 já é inferior às cotas alocadas pelos fabricantes.
Todavia, não se espera que falte R-22 para aplicações futuras, tendo em vista a concessão de licenças especiais para sua produção em pequena escala, o seu armazenamento, a existência de fluidos alternativos para serviço e o grande potencial de reaproveitamento do R-22 atualmente em uso. De fato, espera-se que qualquer risco de falta de R-22 deva elevar os preços e, assim, acelerar o processo de substituição. A Tabela 6 sumariza os principais substitutos do R- 22 de acordo com a aplicação.
CONCLUSÕES
Todos os fatores apontam para uma substituição metódica e disciplinada do R-22.
Até então, não foi identificado um refrigerante formado por um único componente que seja capaz de substituir o R-22 em toda sua ampla faixa de aplicação, de modo que as misturas refrigerantes, se selecionadas de acordo com a aplicação, oferecem a melhor opção. A indústria de refrigeração e condicionamento de ar tem desenvolvido equipamentos cada vez mais eficientes, que operam com refrigerantes alternativos e atingem, ou mesmo ultrapassam, as metas de eficiência estabelecidas. Resultados favoráveis obtidos com produtos já lançados e a experiência com a eliminação dos CFCs sugerem que a remoção do R-22 trará avanços tecnológicos significativos. E como mostrado pela experiência com os CFCs, nenhum grande problema relacionado às futuras necessidades de serviço do R-22 é esperado, mesmo com o término da sua produção em escala industrial.
Fonte: http://www.ambiente.sp.gov.br/prozonesp/noticias/marco_2005_B.htm
