Pontifícia Universidade Católica do Paraná - PUCPR
Fluidos Refrigerantes Este trabalho foi pedido pelo professor Luís Felipe Botton regente da disciplina de Máquinas Térmicas
Aluno: Pablo Henrique Carvalho Lemes Curso: Técnico em Mecânica 2º Período - Diurno
Curitiba 2010
FLUIDOS REFRIGERANTES DEFINIÇÃO É o veículo térmico que transfere o calor absorvido na fonte de baixa temperatura para a fonte de alta temperatura. Também são chamados fluidos frigorígenos ou agentes frigorígenos. CLASSIFICAÇÃO Segundo a American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE), os refrigerantes são classificados em: PRIMÁRIOS – São os que apresentam mudanças de fase na troca térmica. SECUNDÁRIOS – São os que não apresentam mudança de fase durante a troca térmica.
PRIMÁRIOS 1 – COMPOSTOS HALOCARBÔNICOS São refrigerantes que contêm um ou mais dos seguintes halogênios: cloro, flúor e bromo. Normalmente são conhecidos como FREONS (DuPont) ou FRIGENS (hoechst) O sistema de numeração da nomenclatura segue a seguinte regra: - O 1º dígito a direita é o número de átomos de flúor. - O 2º dígito a direita é o número de átomos de hidrogênio + 1. - O 3º dígito a direita é o número de átomos de carbono – 1. Fluido
Nomenclatura
Fórmula
R11
Tricloromonofluormetano
CCl3F
Classificação CFC(1) CFC(1)
R12
Dicloromonofluormetano
CCl2F2
R13
Monoclorotrifluormetano
CClF3
Aplicação Compressores centrífugos – vazões grandes Compressores alternativos – pressões cômodas
CFC(1)
R22
Monoclorodifluormetano
CHClF2
HCFC
R23 R40 R113 R114 R134a
Trifluormetano Cloreto de metila Triclorotrifluormetano Diclorotetrafluormetano Tetrafluoretano
CHF3 CH3Cl CCl2FCClF2 CClF2 CClF2 CH2FCF3
HFC CFC(1) CFC(1)
idem ao R12, maior custo, absorve água idem ao R11
HFC
(1)
Proibido para novas instalações desde 2001, pelo Protocolo de Montreal e com fim previsto de utilização em 2010.
2- COMPOSTOS INORGÂNICOS Foram os primeiros refrigerantes e alguns se mantêm ainda em uso. O sistema de numeração segue a seguinte regra: os dois últimos dígitos nos indicam o peso molecular. Exemplo:
R717 - Amônia NH3 R718 - Água H2O R729 - Ar R747 - Anidrido carbônico CO2 (pressões altas - ebulição à -15ºC a 23,3 atm). R764 - Anidrido sulfuroso SO2 3- HIDROCARBONETOS Operam em indústria de petróleo e petroquímica. O sistema de numeração segue a mesma dos halocarbônicos. Exemplo: R50 - Metano CH4 R170 - Etano C2H6 R290 - Propano C3H8 R600 – Butano C4H10 4- MISTURAS AZEOTRÓPICAS Substâncias não separáveis por destilação se evaporam e se condensam como substância simples com propriedades diferentes dos seus constituintes. As principais misturas comerciais são o R502, corresponde 48,8% de R22 e 51,2% de R115 (em massa) e o R507A – R125/143a (50/50). 5- MISTURAS ZEOTRÓPICAS O processo de mudança de fase não ocorre em temperatura e pressão constantes. R404A – R125/143a/134a (44/52/4) R407C – R32/125/134a (23/25/52)
SECUNDÁRIOS Refrigerantes secundários são fluidos que transferem energia da substância que está sendo resfriada para um trocador de calor de um sistema de refrigeração. Caracterizam-se por não mudarem de fase. Os principais são: - Água - Salmouras: Cloreto de cálcio e de sódio - Anticongelantes: Água+ etileno glicol; Água + cloreto de cálcio. Seus pontos de solidificação variam com sua concentração percentual em massa. Propriedades dos refrigerantes secundários importantes: ponto de congelamento; peso específico; condutividade térmica; viscosidade e calor específico. ATUALIZAÇÃO Devido aos efeitos do cloro presente nos refrigerantes sobre a camada protetora de ozônio da Terra, acordos internacionais (Protocolo de Montreal – 1987) foram implementados para a extinção do uso de CFCs. Foram desenvolvidas outras classes de refrigerantes contendo várias quantidades de hidrogênio, em vez de átomos de cloro, e que possuem um menor potencial de dano ao ozônio atmosférico quando comparados àqueles com maior teor de cloro, como o Refrigerante 12, até então, o mais utilizado. Uma dessas classes, o HFC, não contém cloro. O Refrigerante 134 a (CF3CH2F) é o HFC considerado como um substituto ambientalmente aceitável para o Refrigerante 12.
FATORES A CONSIDERAR NA ESCOLHA DE UM REFRIGERANTE. TERMODINÂMICOS: Pressões – As pressões de operação devem ser baixas para que tubos e vasos que contém refrigerante sejam leves. Pressões no evaporador abaixo da atmosférica devem ser evitadas a fim de impedir a entrada de ar quando ocorrem vazamentos.
Relação entre pressões de baixa e de alta deve ser pequena a fim de reduzir o trabalho de compressão. Efeito de Refrigeração – Um alto efeito de refrigeração seria um ótimo indicador para a eficiência do ciclo, contudo deve ser analisado em conjunto com o trabalho de compressão. Por exemplo, a amônia possui um efeito de refrigeração muito maior do que a maioria dos refrigerantes, entretanto, o trabalho de compressão é alto, resultando em um coeficiente de eficácia da mesma ordem de grandeza. Ponto de congelamento – Não deve congelar-se às temperaturas mais baixas do processo. Vazão em volume – Pequena vazão em volume de vapor refrigerante que o compressor deverá comprimir por TR. Coeficiente de funcionamento – Deve-se comparar com o valor máximo possível correspondente ao ciclo de Carnot. Baixa temperatura de descarga para não prejudicar a lubrificação e a vedação.
Refrig.
Pressão de Pressão de Relação vaporização Condensação de kPa kPa Pressões
11 12 22 502 717 134ª
20,4 182,7 295,8 349,6 236,5 164,5
125,5 744,6 1192,1 1308,6 1166,6 770,1
6,15 4,08 4,03 3,74 4,93 4,68
Vazão de vapor Efeito de na refrigeraçã sucção o por kW de refrig. 155,5 4,900 116,3 0,782 162,8 0,476 106,8 0,484 1130,4 0,462 146,5
CDE
5,03 4,70 4,66 4,37 4,76
QUÍMICOS: Inflamabilidade e explosividade. Em geral os que não contêm H2 não são inflamáveis; Toxidade; Reação com os materiais: ser quimicamente inerte em relação aos metais, juntas e lubrificantes usados na instalação; Danos aos produtos refrigerados. •
•
•
FÍSICOS: Tendências a fugas. Viscosidade: baixa viscosidade ocasiona pequena perda de carga. Apresentar, no estado de vapor, boa condutibilidade térmica, a fim de permitir as trocas de calor com pequenos gradientes de temperatura. Ação sobre o óleo lubrificante: não se misturar com o óleo lubrificante, a fim de evitar o arrasto do mesmo, quando da passagem do fluido pelo compressor, o que poderia acarretar o esvaziamento do cárter. As canalizações devem ser dimensionadas para permitir o retorno desse óleo para o compressor Custo. Preferência pessoal e/ou comercial. • • •
•
• •
SEGURANÇA Tabela – Classificação comparativa dos perigos de vida devido a gases
Índic e
Concentração % volume do ar
Exposição Tempo
1 2 3 4 5a 5b 6
0,5 a 1% 0,5 a 1% 2 a 2,5% 2 a 2,5% Menos nocivo que o grupo 4 Entre os grupos 5a e 6 Algun efeito
5 min. 30 min. 1 hora 2 hora 2 a 20 horas
Valores limites adotados – A Conferência Americana de Higienistas Industriais do Governo dos EUA estabeleceu valores limites adotados para muitos produtos químicos industriais. Esses valores são as concentrações no ar que se acredita representarem limites seguros para exposições repetidas diariamente sem efeitos adversos. Para a maioria dos produtos químicos examinados, os limites são concentrações médias pesadas por tempo e alguma exposição acima do limite seria permitida se fosse compensada com uma exposição equivalente abaixo do limite durante o dia. O valor máximo fixado para qualquer produto químico (exceto dióxido de carbono) é 1000 partes por milhão, por volume. Os principais riscos encontrados em refrigeração são: (1) explosões; (2) incêndio (3) efeitos tóxicos dos gases usados. O risco de explosão tende a aumentar na medida em que aumenta a quantidade de refrigerante. Se houver escapamento de gases, podem ser danificadas as mercadorias armazenadas nas câmaras frigoríficas. Se o gás é tóxico, pode causar danos pessoais sérios. Se for inflamável, pode se acumular em concentrações explosivas. Quais são as causas de explosão no cárter de um compressor de refrigeração? Existem duas causas principais: a entrada de impurezas líquidas no gás e o vazamento através dos anéis de pistão e do engaxetamento. O vazamento permite a mistura de vapores de óleo com o gás no interior do cárter, a altas temperaturas, gerando uma mistura inflamável. Os vapores refrigerantes são várias vezes mais pesadas que o ar e, sob condições estáticas (ambientes mal ventilados), aumentam sua concentração excluindo o oxigênio, causando possibilidade de dano ou morte. OUTROS Identificação em caso de fugas: odor, coloração ou outros efeitos secundários, como identificação por chama ou variação de resistência elétrica.
