342510-refrigeracao aula 04 refrigerantes

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Engenharia Mecânica Refrigeração

Refrigeração - Bibliografia

ASHRAE (American Society of Heat Refrigeration, and Air Conditioning Engineers)- HandBook of Fundamentals ,1997.

ASHRAE (American Society of Heat Refrigeration, and Air Conditioning Engineers)- HandBook of Refrigeration ,1998.

Çengel, Y. A., Boles, M. A., Thermodynamics: An Engineering Approach, 5ª Ed.,Mcgraw-Hill, 2006

Kuehn, T. H., Ramsey, J. W., Threlkeld, J. L., Thermal Environmental Engineering.3ª ed Prentice Hall 1998

Prof. Dr. Paulo Eduardo Lopes BarbieriCEFET-MG – Campus II [ 1 ]

3 ed., Prentice Hall, 1998.

Stoecker, W. F., Saiz Jabardo, J. M., Refrigeração Industrial, 2ªed., Edgard Blücher,2002.

Stoecker, W. F., Jones, J. W., Refrigeração e Ar Condicionado,McGraw-Hill, 1985.


Conteúdo:

TERMODINÂMICA: REVISÃO

INTRODUÇÃO À REFRIGERAÇÃO: CICLO DE COMPRESSÃO DE VAPOR

FLUIDOS REFRIGERANTES

SISTEMAS DE MULTIPRESSÃO

COMPRESSORES

DISPOSITIVOS DE EXPANSÃO , VÁLVULAS E TUBULAÇÕES

CONDENSADORES E EVAPORADORES


BOMBAS DE CALOR

REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO

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INTRODUÇÃO – FLUIDOS REFRIGERANTESO fluido de trabalho de um sistema de refrigeração é denominado: FLUIDO REFRIGERANTE

O projeto de um sistema de refrigeração é influenciado diretamente pelo fluido refrigerante

Podem afetar a camada de ozônio estratosférico e contribuir para o efeito estufa

ODP (Ozone Depleting Potential)( p g )

GWP (Global Warming Potential)

TEWI (Total Equivalent Warming Impact)

Podem ser classificados em:

Hidrocarbonetos halogenados

CFCs (átomos de cloro e flúor na molécula)

HCFCs (átomos de hidrogênio, cloro e flúor na molécula)


HFCs (átomos de hidrogênio e flúor na molécula)

Misturas não azeotrópicas de hidrocarbonetos halogenados (comportamento de mistura)

Misturas azeotrópicas de hidrocarbonetos halogenados (comportamento substância pura)

Compostos orgânicos (série 600)

Compostos inorgânicos (série 700)


INTRODUÇÃO – FLUIDOS REFRIGERANTES


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FLUIDOS REFRIGERANTES - Propriedades Ideais

Elevado calor latente de vaporização

Elevada massa específica na sucção

Pressões de evaporação e condensação positivas, mas moderadas

Temperatura do ponto critico e do ponto triplo fora da faixa de aplicação

Quimicamente estável e compatível com os materiais de trabalho e lubrificantes

Não corrosivo, nem tóxico, nem inflamável

“Ambientalmente correto”

Elevada resistência dielétrica

Baixa viscosidade


Boas característica de transferência de calor

Baixa solubilidade em água

Fácil detecção

Baixo custo


FLUIDOS REFRIGERANTES - PropriedadesA maioria dos CFCs atendem às principais características para um bom fluido refrigerante

razão pela qual são os mais utilizados.

NIST (National Institute of Standards, EUA) analisou 800 fluidos industriais para uso como

fluido refrigerante, concluindo que:

Temperatura de fusão inferior a -40°C

Temperatura crítica superior a 80°C

Pressão de saturação a 80°C inferior a 50 MPa

hlv/vv superior a 1 kJ/litro

51 compostos satisfazem as condições acima:

15 hidrocarbonetos


5 compostos oxigenados (éteres e aldeídos entre outros)

5 compostos nitrogenados (NH3 entre outros)

3 compostos de enxofre (SO2 entre outros)

4 miscelâneas

19 hidrocarbonetos halogenados (R-12, R-22, R-11 entre outros)

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FLUIDOS REFRIGERANTES - Nomenclatura

Norma ASHRAE 34 -1992

Números constituídos de, no máximo, 4 algarismos

1° algarismo da direita: n° de átomos de FLUOR na molécula

2° l i d di it ° d át d HIDROGÊNIO 12° algarismo da direita: n° de átomos de HIDROGÊNIO +1

3° algarismo da direita: n° de átomos de CARBONO -1

4° algarismo da direita utilizado para designar compostos derivados de

hidrocarbonetos não saturados

Fórmula: C 1 H 1 F

Os isômeros são designados por sufixos “a” “b” “c” em ordem crescente de assimetria espacial


Os isômeros são designados por sufixos a , b , c em ordem crescente de assimetria espacial

A série 400 são as misturas não azeotrópicas, por ordem cronológica crescente

A série 500 são as misturas azeotrópicas

A série 600 designa os compostos orgânicos

A série 700 designa os compostos inorgânicos, em ordem crescente de massa molecular


FLUIDOS REFRIGERANTES - Nomenclatura


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FLUIDOS REFRIGERANTES - Nomenclatura Misturas designadas com Azeotrópicas e Não

Azeotrópicas (Zeotrópicas) devido ao seu

comportamento na mudança de fase

AZEOTRÓPICAS

Se comportam como substância pura, ou seja, na

mudança de fase à pressão constante a

temperatura permanece constante (Série 500)

NÃO AZEOTRÓPICAS

Comportamento típico de misturas com

variações de temperatura a pressão


constante variação da composição das

fases líquido e vapor

Série 400 apresentam pequenas variações de

temperatura durante mudança de fase

(“TEMPERATURE GLIDE”) inferiores a 6°C


FLUIDOS REFRIGERANTES - Misturas Azeotrópica e Zeotrópica

AzeotrópicaZeotrópica


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Mistura Não Azeotrópica – R-407C



FLUIDOS REFRIGERANTES – Hidrocarbonetos HalogenadosCaracterizam-se por moléculas com átomos de FLUOR e CLORO e em alguns casos o

BROMO, além do CARBONO e HIDROGÊNIO

Hidrocarbonetos puros CH

Hidrocarbonetos completamente halogenados (CFCs – cloro e fluor)Hidrocarbonetos completamente halogenados (CFCs – cloro e fluor)

Hidrocarbonetos parcialmente halogenados (HCFCs – hidrogênio, cloro e fluor e os

HFCs – hidrogênio e fluor)

Hidrocarbonetos Halogenados derivados do METANO e do ETANO


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FLUIDOS REFRIGERANTES – Hidrocarbonetos Halogenados

SÉRIE METANO


[Ponto de ebulição, °F (°C)]


SÉRIE ETANO

FLUIDOS REFRIGERANTES – Hidrocarbonetos Halogenados


[Ponto de ebulição, °F (°C)]

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FLUIDOS REFRIGERANTES – Índices

ODP – representa o efeito que substâncias tem sobre a camada de ozônio

estratosférico, tais como os CFCs, Halons e os Brometos. Foi adotado como

referência ODP=1 para o CFC 11 (R-11)referência ODP 1 para o CFC 11 (R 11)

GWP – índice que compara o impacto climático da emissão de um gás com aquela

relativa à mesma quantidade de CO2 , ou seja, avalia o efeito estufa provocado pela

emissão de um gás. Foi adotado como referência GWP=1 para o CO2


TEWI – avalia o impacto, sobre o efeito estufa, da vida útil de um sistema em função

do fluido refrigerante escolhido, ou seja, considera os efeitos de vazamentos,

reciclagem e consumo de energia. Pode ser utilizado para avaliar opções de projeto

de um determinado sistema.


FLUIDOS REFRIGERANTES – ÍndicesTEWI – Método de Cálculo


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Faixa de Aplicação: Baixa (LT): -40 a -25°C; Média (MT): -25 a -5°C; Alta (HT): -5 a 10°C


FLUIDOS REFRIGERANTES – Segurança e ManuseioAspectos básicos de segurança e manuseio:

Toxicidade

Inflamabilidade

Potencial cancerígeno

Potencial mutagênico

Recomenda-se o manuseio cuidadoso de todos os fluídos refrigerantes, pois mesmo

os halogenados, considerados os mais seguros, podem ser perigosos em altas

concentrações.

No caso dos hidrocarbonetos, por serem combustíveis, recomenda-se seu uso em

instalações preparadas para evitar chamas e faíscas.

Entre os refrigerantes industriais, a amônia é o mais tóxico, apresentando limites de


g , , p

inflamabilidade intermediários entre os halogenados e os hidrocarbonetos.

O CO2, o R12 e o R22 não são considerados inflamáveis, embora a pressões

superiores a 1380 kPa , uma mistura de 50% de ar e 50% de R22, pode entrar em

combustão, induzida por elevadas temperaturas.

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Norma ASHRAE 34-92 – classificação de toxicidade e inflamabilidade

Utiliza dois caracteres alfa numéricos.

O primeiro é um letra maiúscula e representa nível de toxicidade

O segundo é um algarismo e representa o grau de inflamabilidade

FLUIDOS REFRIGERANTES – Segurança e Manuseio

O segundo é um algarismo e representa o grau de inflamabilidade

Dependendo do grau de toxicidade para concentrações abaixo de 400 ppm, os compostos são

classificados em dois grupos:

Classe A - compostos cuja toxicidade não foi identificada.

Classe B - foram identificadas evidências de toxicidade.

Quanto ao nível de inflamabilidade, os refrigerantes são classificados em três grupos:

Classe 1 - não se observa propagação de chama em ar a 18ºC e 101,325 kPa.


p p g ç

Classe 2 - limite inferior de inflamabilidade (LII) superior a 0,10kg/m³ a 21ºC e 101,32 kPa,

poder calorífico inferior a 19000 kJ/kg.

Classe 3 - inflamabilidade elevada, caracterizando-se por LII inferior ou igual a 0,10kg/m³ a

21ºC e 101,325 kPa, poder calorífico superior a 19000 kJ/kg.



Norma ASHRAE 34-92 – classificação de toxicidade e inflamabilidade


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O Underwriters Laboratory (UL) classifica os refrigerantes quanto aos efeitos sobre a

saúde, propondo 3 grupos:

Grupo 2: gases ou vapores que em concentrações de 0,5 a 1 % (5000 a 10000p g p q ç (

ppm), para períodos de exposição de meia hora, são letais ou produzem sérios

distúrbios. Ex.: Amônia

Grupo 5: gases ou vapores que em concentrações entre 2 e 20 % em volume,

para períodos de exposição de 2 horas, são letais ou produzem sérios

distúrbios. Ex.: R-22 e CO2

G 6 t õ d 20 % l


Grupo 6: gases ou vapores que em concentrações de 20 % em volume, para

períodos de exposição de 2 horas, não parecem produzir qualquer distúrbio.

Ex.: R-12


FLUIDOS REFRIGERANTES – Compatibilidade com Materiais

Ao longo de uma instalação frigorífica, o refrigerante entra em contato com diversos

materiais, como:

metais plásticos,

óleo de lubrificação

vernizes do enrolamento do motor de acionamento do compressor

É importante que o refrigerante seja estável e inerte em relação a estes materiais, de

modo a não causar problemas, como corrosão e expansão.

Os refrigerantes halogenados podem ser usados com a maioria dos metais mais

comuns como aço ferro fundido latão e cobre

elastômeros,


comuns, como aço, ferro fundido, latão e cobre.

Não é recomendável o uso de magnésio, zinco e ligas de alumínio contendo mais de

2% de magnésio em sistemas que operem com refrigerantes halogenados.

Em instalações com amônia, não se deve utilizar cobre,latão ou outras ligas de cobre.

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FLUIDOS REFRIGERANTES – Compatibilidade com Materiais

Os elastômeros são freqüentemente empregados em circuitos frigoríficos com a função de

vedação. Suas propriedades físicas ou químicas podem sofrer alterações significativas quando

em contato com refrigerantes ou com o óleo de lubrificação. Alguns elastômeros à base de

neoprene têm seu volume significativamente aumentado na presença dos HFCs.

O efeito dos refrigerantes sobre os plásticos, em geral, diminui com a redução do número de

átomos de cloro na molécula ou com o aumento do número de átomos de flúor. É recomendável

realizar um teste de compatibilidade entre o plástico e o refrigerante antes do uso.

O i ã t d l t d t lét i d


Os vernizes são encontrados no enrolamento dos motores elétricos de compressores

herméticos e semi-herméticos. Eles conferem rigidez e isolamento elétrico ao enrolamento. É

recomendável a realização de teste de compatibilidade dos mesmos com o refrigerante do

circuito.


FLUIDOS REFRIGERANTES – Interação com o Óleo Lubrificante

Os óleos minerais possuem três composições básicas, dependendo da cadeia de sua molécula:

os naftênicos, os parafínicos e os aromáticos.

Entre os óleos sintéticos, destacam-se os álquil benzenos, os glicóis polialcalinos (PAG), e

os ésteres poliódicos (POE)os ésteres poliódicos (POE).


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Na seleção do óleo lubrificante do compressor, devem-se conhecer alguns de seus parâmetros

físico-químicos, especialmente sua viscosidade e grau de miscibilidade com o refrigerante.

FLUIDOS REFRIGERANTES – Interação com o Óleo Lubrificante

Diagrama Pressão/Temperatura/Viscosidade para o R-134a (%) e óleo POE



FLUIDOS REFRIGERANTES – Conversões e Substituições

Durante a substituição dos CFCs pelos refrigerantes alternativos deve ser feita uma

análise cuidadosa em relação a capacidade, eficiência, miscibilidade com o óleo e

compatibilidade com materiais existentes na instalaçãocompatibilidade com materiais existentes na instalação.

Em grande parte das instalações, com tempo de vida superior a 15 anos, pode ser

vantajosa a substituição do sistema de refrigeração existente por um novo, que não

utilize refrigerantes CFCs.

HFC - 134a e HCFC - 22 são os refrigerantes alternativos ao CFC – 12

HCFC - 123 e o HFC - 245ca são os refrigerantes alternativos ao CFC – 11


g

HFC - 134a, HFC - 407C e HFC - 410A são refrigerantes alternativos ao HCFC – 22

HFC - 245ca é o possível substituto do HCFC – 123 (substituição até 2040)

HFC - 404A, HFC - 507 e HFC - 410A são os refrigerantes substitutos ao CFC - 502

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FLUIDOS REFRIGERANTES – Propriedades FísicasPara uma dada instalação frigorífica, as pressões exercidas podem ser o fator determinante na

seleção do refrigerante

pressões elevadas exigem tubulações e reservatórios de maior espessura

refrigerantes de baixa pressão podem ser inadequados em aplicações de baixa temperatura

de evaporação, devido à possibilidade de ocorrência de pressões inferiores à atmosférica

As pressões exercidas por um refrigerante estão associadas a sua pressão crítica

Quanto maior a sua pressão crítica, menos volátil é o refrigerante, exercendo, portanto, menores

pressões para uma dada temperatura

Refrigerantes com pressões críticas mais elevadas apresentam pontos de fusão e ebulição

normal superiores.


Refrigerantes de baixa temperatura crítica e, portanto, de baixa temperatura de ebulição normal,

devem ser utilizados em aplicações de baixa temperatura de evaporação

Refrigerantes de elevada temperatura crítica são adequados para aplicações de alta temperatura

de evaporação, como em bombas de calor para aquecimento de água


FLUIDOS REFRIGERANTES – Ciclo de Compressão de VaporDesempenho relativo do ciclo básico de compressão de vapor paras diversos refrigerantes.

evap condT 5 C; T 30 C


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T 5 C

Eficiência teórica de refrigerante em relação ao R-22

FLUIDOS REFRIGERANTES – Ciclo de Compressão de Vapor

evapT 5 C



FLUIDOS REFRIGERANTES – Amônia vs. Refrigerantes Halogenados

A escolha entre a amônia e os refrigerantes halogenados pode ser definida pelo tipo de aplicação.

A amônia apresenta características de toxicidade e sua utilização é restrita a locais afastados e a instalações

industriais cuja operação seja supervisionada por pessoal técnico especializado.

Não é prudente a utilização da amônia próximo a escolas e hospitais.p ç p p

O preço da amônia é inferior, numa relação com os refrigerantes halogenados, varia entre 10 e 40.

Comparando-se o custo, considerando a base volumétrica, o uso da amônia torna-se ainda mais vantajoso,

pois sua densidade é aproximadamente a metade da densidade dos refrigerantes halogenados.

A amônia não é miscível com o óleo, e este pode ser removido em regiões de baixa velocidade onde é

depositado.

Instalações que utilizam refrigerantes halogenados, o óleo está sempre em solução com o refrigerante líquido

Com relação à presença de água, os sistemas de amônia podem admitir pequenas quantidades


Em sistemas de refrigerantes halogenados, a água pode provocar o bloqueio por congelamento

A amônia apresenta odor característico, enquanto os compostos halogenados são praticamente inodoros

A sua maior desvantagem vem então a ser a toxicidade

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Fonte: International Journal of Refrigeration 31 (2008) 353-370



FLUIDOS REFRIGERANTES - Seleção


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Fluido Refrigerante R$/kg (Ref. Set 2006)

R-12 (CFC) R$ 60,00

R 22 (HCFC) R$ 10 00


R-22 (HCFC) R$ 10,00

R-134a (HFC) R$ 25,00

R-401A R$ 23,00

R-404A R$ 28,00

R-600a R$ 100,00

R-402B / R-408A (HCFC) R$ 30,00


R-407C / R-417A R$ 65,00

CO2 R$ 0,50

NH3 R$ 1,80

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