Refrigerantes substitutos naturais

Com a entrada em regulamentação europeia do F-Gas 517/2014, precisamos de encontrar refrigerantes naturais substitutos que mantenham o nosso equipamento de refrigeração a funcionar tão bem como tem funcionado até agora.

Devido a receios crescentes sobre os efeitos prejudiciais que os refrigerantes fluorados podem ter no ambiente, os refrigerantes naturais conheceram um novo renascimento, especialmente NH3 e CO2 utilizados para fins industriais a baixas temperaturas.

Por este motivo, o objectivo do artigo é indicar os refrigerantes que são actualmente utilizados na refrigeração e dar-lhes uma alternativa. Iremos discutir as principais características de cada gás natural/ecológico alternativo, bem como a sua vantagem competitiva.

Refrigerantes actualmente em uso

Quais são as suas características?

Analisamos os refrigerantes mais utilizados em aplicações comerciais, a fim de obter uma melhor compreensão das suas propriedades:

• R452A: Substituto directo de R404A, mas com um GWP moderado = 2140 e um preço de mercado elevado. Aplicável em baixa, média e alta temperatura.
• R449A: Tem propriedades semelhantes e é um substituto quase directo do R404A com um GWP um terço inferior ao R404A (GWP = 1396), mas a sua alta temperatura de descarga quando funciona a baixas temperaturas deve ser notada, o que na maioria dos casos requer a instalação de um sistema de injecção de líquido para arrefecer o gás.
• R290 (propano): Refrigerante natural de alto desempenho com um preço baixo e estável, sem risco de obsolescência, muito baixo poder de aquecimento global (GWP = 3), e portanto isento de impostos. É um excelente refrigerante, tanto para temperaturas baixas como médias. O único ligeiro inconveniente é que é classificado de acordo com RSIF como classe de segurança A3 (alta inflamabilidade). Por conseguinte, devem ser tomadas certas precauções na concepção e manuseamento.
• R134a: Refrigerante com características muito boas para trabalhar a temperaturas médias e altas, com GWP = 1430, sem data de validade ainda para a utilização deste refrigerante em refrigeração comercial.
• R513A: Substituto directo de R134a, mas com um GWP moderado = 631 e um preço de mercado elevado. Aplicável em temperaturas médias e altas.

Fluidos refrigerantes naturais substitutos

Os refrigerantes naturais são substâncias químicas produzidas por processos bioquímicos na natureza, ou seja, substâncias que estão naturalmente presentes na biosfera e, além disso, não danificam a camada de ozono (ODP = 0) e têm um baixo ou nenhum valor potencial de aquecimento global (GWP ≈ 0). Além disso, a elevada eficiência destes refrigerantes também lhes permite ter uma menor contribuição indirecta para o aquecimento global. Estes produtos já eram utilizados como refrigerantes no século XIX e estão agora a ser novamente utilizados devido ao seu menor impacto sobre o ambiente.

Podemos dizer que os principais refrigerantes naturais utilizados actualmente na indústria de refrigeração são: amoníaco (NH3), dióxido de carbono (CO2) e hidrocarbonetos (propano (CH3CH2CH3), isobutano (CH(CH3)2-CH3) e propileno (CH3CH=CH2), especialmente propano). A seguir mostraremos as características técnicas de cada um destes fluidos refrigerantes, as suas aplicações e compararemos as suas vantagens e desvantagens.

Características dos refrigerantes naturais

Os diferentes refrigerantes naturais e as suas principais características são mostrados na tabela abaixo:

Amônia (NH₃ / R717)

A amônia (NH3) tem valores potenciais de empobrecimento do ozono de zero (ODP = 0) e potencial de aquecimento global de zero (GWP = 0). Devido às suas excelentes propriedades termodinâmicas, é um bom candidato para utilização como fluido refrigerante em sistemas de refrigeração por compressão de vapor, conseguindo um menor consumo de energia em comparação com outros fluidos refrigerantes.

Este gás era utilizado como um refrigerante primitivo antes do advento de Freon, sendo a sua utilização relegada para aplicações industriais de alta potência, onde permaneceu até aos dias de hoje. Nestas aplicações, tem bons níveis de eficiência energética e baixo custo. O principal campo de aplicação é a refrigeração industrial com compressores de parafuso, embora também seja utilizado como refrigerante em instalações de absorção com NH3-H2O.

É um refrigerante bem conhecido que tem sido utilizado há mais de cem anos e pode atingir temperaturas tão baixas como -70 °C. É um refrigerante alternativo tanto para sistemas de ar condicionado como de refrigeração e pode ser utilizado em equipamentos novos e existentes. Tem um baixo ponto de vaporização (-33 °C) e tem um elevado calor latente de vaporização (1371 kJ/kg). Este gás permanece na atmosfera apenas por alguns dias, pelo que é considerado um gás biodegradável.

É um refrigerante classificado de acordo com RSIF (Safety Regulations for Refrigeration Installations) como “Classe de Segurança = B2L”, ou seja, é um gás com “baixa inflamabilidade” e “alta toxicidade”.

Quanto à segurança, o amoníaco é facilmente detectável devido ao seu aroma peculiar. Devido à sua elevada toxicidade, todas as instalações que utilizam amoníaco devem ser construídas de acordo com especificações e normas de segurança estabelecidas internacionalmente, e devem ter operadores devidamente treinados que utilizem equipamento de protecção pessoal em todos os casos.

Aplicações mais comuns de amoníaco

• Aplicações industriais de alta potência
• Refrigeração Comercial: Sistemas Indirectos em Supermercados
• Refrigeração industrial: Sistemas indirectos e sistemas em cascata NH3 – CO2
• Transporte refrigerado
• Sistemas de armazenamento térmico
• Compressores centrífugos comerciais/industriais

Vantagens

• PAO = 0, PCA = 0
• Boa transferência de calor
• Maior capacidade de refrigeração do que outros refrigerantes
• Económico, sem risco de obsolescência
• Miscível de água
• Facilmente detectável em caso de fugas
• Pode ser misturado com lubrificantes minerais, alquilbenzeno ou poli-alfa-olefina.

Desvantagens

• Tóxico
• Preço elevado do sistema
• Utilização restrita em certas aplicações
• Apresenta um risco de inflamabilidade sob certas condições
• Sendo tóxico e ligeiramente inflamável, não é adequado para a adaptação de sistemas com refrigerantes fluorados existentes.

Dióxido de Carbono (CO₂ / R744)

Comummente conhecido como R744 quando utilizado como refrigerante, o dióxido de carbono (CO2) tem sido considerado como uma boa alternativa para substituir os HFC (hidrofluorocarbonos) uma vez que não danifica a camada de ozono (ODP = 0) e o seu potencial de aquecimento global é igual à unidade (GWP = 1), sendo este último valor tomado como referência para determinar o GWP de outros gases. É um fluido inodoro e incolor, mais pesado que o ar, e tem sido utilizado como refrigerante durante mais de um século. Embora o CO2 seja necessário para a vida na terra, é também um Gás com Efeito de Estufa (GEE) que pode mudar o ambiente se a sua concentração na atmosfera aumentar significativamente. É um refrigerante classificado segundo a RSIF como “Classe de Segurança = A1”, ou seja, “não inflamável” e “baixa toxicidade”.

O CO2 era utilizado como um refrigerante precoce antes do advento de Freons, mas rapidamente deixou de ser utilizado devido à sua maior complexidade tecnológica. Tem excelentes propriedades termofísicas, mas apresenta dificuldades devido ao seu baixo valor de temperatura crítica (30,978 °C) e pressões elevadas. Tem uma capacidade volumétrica muito maior do que os refrigerantes convencionais. Na refrigeração, a temperaturas ambientes inferiores a aprox. 25 °C, opera num ciclo subcrítico, enquanto que a temperaturas mais elevadas opera num ciclo transcrítico. É de notar que, no caso de sistemas transcríticos, para obter eficiências de trabalho semelhantes às dos fluidos convencionais, devem ser utilizados ciclos complexos (compressor paralelo, subarrefecimento mecânico, ejectores, etc.).

Este gás tem uma elevada condutividade térmica e alta densidade na fase gasosa, o que resulta numa boa transferência de calor em evaporadores, condensadores e refrigeradores de gás; assim, estas características permitem uma selecção de equipamento mais pequeno em comparação com os que utilizam CFC, HCFC e HFC. Além disso, por ter uma baixa queda de pressão, permite uma redução no diâmetro da tubagem.

Medidas

O CO2 é uma boa alternativa tanto para a refrigeração comercial como industrial, mas certas precauções de segurança devem ser consideradas. Deve ter-se em conta que o CO2 não pode ser percebido pelo olfacto e, como é mais denso do que o ar, pode deslocar o oxigénio a um ponto que é prejudicial para a saúde. Como não liberta qualquer tipo de aroma, pode significar que se houver uma fuga, o técnico não será capaz de a detectar. Estas características obrigam-nos a prestar atenção à detecção de fugas, a ter um sistema de alarme que possa detectar e avisar a tempo da presença de CO2 e a ter um sistema de ventilação de emergência.

Por outro lado, a alta pressão do gás quando este escapar causará uma explosão de refrigerante com resíduos sólidos a uma temperatura muito baixa à velocidade do som. É importante saber que o CO2 nunca deve ser carregado no estado líquido quando o sistema está abaixo da pressão do ponto triplo (5,2 bar), porque se o fizermos, o líquido que entra no sistema mudará subitamente o seu estado para gelo seco e permanecerá nesse estado dentro do sistema.

Ao contrário de outros refrigerantes naturais, o CO2 não pode ser adaptado a qualquer equipamento, antigo ou novo. O equipamento deve ser concebido para as características deste gás e para as altas pressões que este deve suportar. Finalmente, em relação aos hidrocarbonetos, o CO2 tem a vantagem de poder ser utilizado em instalações sem qualquer limitação de carga.

Aplicações mais comuns de dióxido de carbono

• Refrigeração comercial e industrial
• Refrigeração de transportes
• Sistemas compactos
• Supermercados
• Sistemas directos, em cascata e indirectos

Vantagens

• PAO = 0, PCA = 1
• Não-inflamável
• Baixa toxicidade (apenas perigosa em concentrações elevadas)
• Elevado coeficiente de transferência de calor
• Alto desempenho, baixo consumo de energia
• Sem efeitos secundários a longo prazo
• Económico, sem risco de obsolescência
• Alta disponibilidade, uma vez que é obtida como subproduto de diferentes processos.
• Pode ser misturado com lubrificantes POE, PGA e PVE.

Desvantagens

• Opera a temperaturas e pressões mais elevadas que os HFC e outros fluidos refrigerantes
• Em caso de fuga, o CO2 acumula-se no solo, deslocando o ar; e sendo inodoro, não pode ser detectado de forma olfactiva.
• O CO2 só é adequado para novos sistemas. Sendo um refrigerante de alta pressão e baixa temperatura crítica, não é adequado para a instalação posterior de sistemas com refrigerantes fluorados existentes.
• Preço elevado do sistema

Hidrocarboneto

Os hidrocarbonetos são amplamente utilizados no sector da refrigeração moderna devido às suas propriedades amigas do ambiente. São quase inodoros, incolores e têm um ODP = 0 e GWP ≤ 6. São utilizados principalmente em circuitos secundários e sistemas em cascata, tais como refrigeração de supermercados, refrigeradores com sistemas de segurança, e em equipamento compacto. Deve-se também notar que, devido à sua inflamabilidade, as normas de segurança estabelecidas devem ser respeitadas, e a sua utilização é restrita a circuitos herméticos de refrigeração com cargas pequenas quando o equipamento se encontra em áreas fechadas.

 Medidas

As principais medidas a ter em conta em termos de segurança são que não deve haver fontes de calor no local de trabalho que possam gerar chamas, interruptores ou dispositivos que produzam faíscas, e é estritamente proibido fumar. A electricidade estática também deve ser evitada e deve ser assegurado que a área de trabalho seja bem ventilada, bem como não permitir a presença de pessoas que não estejam envolvidas nas tarefas de instalação e/ou manutenção. Do mesmo modo, é importante impedir a entrada destes refrigerantes nos porões e sistemas de esgotos, uma vez que os hidrocarbonetos são mais pesados que o ar, e isto pode ser um problema se não forem tomadas as medidas adequadas.

Para efectuar a instalação e/ou manutenção de equipamento contendo hidrocarbonetos, os técnicos devem ter a formação profissional adequada para manusear estes refrigerantes, bem como os conhecimentos necessários sobre a utilização de ferramentas, componentes do sistema e medidas de segurança, tanto no local como para o pessoal.

No fabrico de equipamento e sistemas com hidrocarbonetos, deve ser tomado extremo cuidado para garantir que não haja fugas no circuito; do mesmo modo, também devem ser evitados elementos que produzam qualquer tipo de faísca.

Propano (CH3CH2CH3 / R290)

Propano ou R290 é o hidrocarboneto mais popular e difundido na refrigeração, e é utilizado em alguns equipamentos, tais como bombas de calor ou equipamentos compactos de refrigeração comercial.

É um gás não tóxico mas altamente inflamável, com ODP = 0 e GWP = 3, sendo totalmente compatível com as limitações estabelecidas pelo F-Gas. Tem propriedades termodinâmicas semelhantes ao R22, embora a sua capacidade e pressões de trabalho sejam ligeiramente inferiores. Tem propriedades termofísicas muito boas e a sua eficiência térmica é boa na maioria das condições, mesmo a altas temperaturas ambientes, onde tem uma baixa temperatura de descarga.

Até agora, tem sido utilizado em equipamento hermético de refrigeração comercial de média potência, com limites de carga na Europa de 150 g/circuito. No entanto, desde a possível modificação das normas de segurança (IEC 60335-2-89 e IEC 60335-2-40) que irão alargar o limite de carga até 500 g/circuito, está prevista uma grande expansão deste fluido refrigerante. É também utilizado como componente em misturas de refrigerante.

Quando se trabalha com um refrigerante deste tipo, deve-se verificar se é de alta pureza, pois quaisquer impurezas presentes podem contribuir para a degradação do óleo lubrificante na instalação ou para o desgaste ou quebra de algumas peças. Por vezes, se o hidrocarboneto não for de alta pureza, outros hidrocarbonetos podem ser misturados com ele, o que pode alterar drasticamente as propriedades físicas e termodinâmicas do hidrocarboneto original.

Podemos dizer que o propano é uma alternativa muito adequada para a refrigeração e que o equipamento que utiliza este gás proporciona um aumento da eficiência energética e um custo mais baixo em comparação com os gases fluorados.

O propano, tal como outros refrigerantes de hidrocarbonetos, também tem uma muito boa miscibilidade com qualquer tipo de lubrificante. Ocasionalmente, será necessário utilizar óleos de maior viscosidade para compensar este excesso de solubilidade.

Por outro lado, o propano é inodoro, pelo que é difícil detectar a presença de fugas.

 Aplicações mais comuns

• Equipamento compacto com baixa carga de refrigerante
• Refrigeradores
• Sistemas em cascata
• Circuitos secundários (refrigeração de supermercado)

Vantagens

• PAO = 0, PCA = 3
• Eficiente
• Económico, sem risco de obsolescência
• Não tóxico
• Custo do sistema de arrefecimento médio-baixo
• Boa compatibilidade com materiais (plásticos e metais)
• Pode ser misturado com lubrificantes POE

Desvantagens

• Alta inflamabilidade
• Custo adicional para a segurança tanto do equipamento como do pessoal.

Regulamentos aplicáveis

• Decreto Real 138/2011, de 4 de Fevereiro, que aprova as normas de segurança das instalações frigoríficas e as suas instruções técnicas complementares.
• Decreto Real 1042/2013 de 27 de Dezembro de 2013, que aprova o Regulamento sobre o imposto sobre os gases fluorados com efeito de estufa.
• Lei 6/2018, de 3 de Julho, sobre o Orçamento Geral do Estado para 2018. Artigo 85º (modificação do regulamento anterior).
• Regulamento (UE) nº 517/2014 do Parlamento Europeu e do Conselho de 16 de Abril de 2014 relativo aos gases fluorados com efeito de estufa. “Regulamento relativo aos gases fluorados com efeito de estufa”.
• Decreto Real 115/2017, de 17 de Fevereiro. Regulamenta a comercialização e manipulação de gases fluorados e equipamentos baseados nos mesmos, bem como a certificação dos profissionais que os utilizam e estabelece os requisitos técnicos para as instalações que realizam actividades que emitem gases fluorados.