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Como mencionado anteriormente, no subcapítulo 2.1, os fluídos naturais dividem- se em hidrocarbonetos e fluídos inorgânicos, sendo o dióxido de carbono e o amoníaco os principais utilizados em refrigeração. Embora possuam grandes benefícios ambientais, estes fluídos apresentam algumas restrições a ter em conta na sua utilização. Visto que possuem uma elevada importância para o presente trabalho, estes serão abordados com maior profundidade.

2.4.1. Hidrocarbonetos

Os hidrocarbonetos mais utilizados em refrigeração são o propano, o iso-butano, o etileno e o propileno (R290, R600a, R1150 e R1270, respetivamente) embora seja possível a aplicação de diversas misturas dos mesmos. A utilização de hidrocarbonetos na refrigeração tem origem anterior ao surgimento dos CFC. No entanto, a sua utilização diminuiu consideravelmente durante algumas décadas só voltando a ser discutida no final da década de 1980 como substituto dos CFC e HCFC [19].

Embora não apresentem toxicidade, a elevada inflamabilidade deste tipo de fluídos tem sido um fator limitante na sua aplicação e torna necessária a adoção de cuidados especiais no manuseamento dos mesmos. O risco de explosão dos hidrocarbonetos ocorre quando estes se encontram entre os limites de inflamabilidade, inferior (2,1%) e superior (9,4%), consideravelmente baixos possuindo também temperaturas de autoignição reduzidas (450 ºC). Desta forma são aplicadas normas a nível internacional, regional e nacional que previnem a existência do hidrocarboneto em concentração acima da permitida, eliminação de fugas, ausência de fontes de ignição, entre outras [19].

Em termos ambientais os hidrocarbonetos são uma opção muito viável, visto que não têm impacto na constituição da camada de ozono e ainda possuem uma contribuição insignificante quanto às emissões de GEE quando comparados aos fluídos artificiais não HFO [19].

As excelentes propriedades termodinâmicas dos hidrocarbonetos permitem obter eficiências e intervalos de pressões de funcionamento consideráveis muito semelhantes

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ou até melhores que os obtidos quando utilizados HCFCs ou HFCs. Habitualmente são utilizados em equipamentos de baixa capacidade de forma a limitar a quantidade do mesmo no local, diminuindo o risco de explosão. No entanto, o aumento do calor latente de vaporização resulta numa diminuição em cerca de 50% da carga de fluído necessário no sistema em comparação com o R134a. Desta forma é comum a implementação de hidrocarbonetos em equipamentos domésticos, expositores de funcionamento autónomo de congelação, refrigeração ou climatização, equipamentos de produção de gelo ou de produção de bebidas, entre outros equipamentos com carga limitada de fluído frigorigéneo. A implementação de hidrocarbonetos em sistemas de refrigeração comercial e industrial tende a ser mais dispendiosa dada a necessidade de adicionar vários equipamentos de segurança [19-21].

2.4.2. Amoníaco ou R717

O amoníaco, também conhecido por R717, utilizado como fluído frigorigéneo é aplicado há mais de cem anos na refrigeração tendo a sua primeira aplicação em 1834 em cervejarias e armazéns frigoríficos. Mesmo com o surgimento de outras soluções de fluídos no mercado ao longo dos anos, este fluído natural nunca deixou de ter aplicação principalmente nos sistemas de refrigeração industrial [1,22,23].

A viabilidade da aplicação deste fluído no sector da refrigeração, ao longo dos anos incluindo na atualidade, resulta de várias vantagens inerentes à utilização, tais como [22,24]:

• Excelentes propriedades termodinâmicas com elevadas eficiências energéticas; • Vasto leque de temperaturas de operação;

• Abundância e baixo custo do fluído frigorigéneo.

Adicionalmente, e sendo esta característica atualmente de elevada importância, o amoníaco não apresenta qualquer contribuição para a deterioração da camada de ozono ou para a presença de gases de efeito de estufa na atmosfera [22].

Os sistemas com amoníaco são habitualmente instalados em aplicações de processamento e preservação alimentar de dimensão considerável, como matadouros, fábricas de gelados, fábricas de cerveja e interpostos, assim como na refrigeração comercial [22,24].

21 No entanto é necessário sempre o estudo de aplicabilidade desta solução visto que apresenta graves riscos para a saúde, tanto dos seres vivos como do sistema. A inflamabilidade e toxicidade deste fluído resulta numa série de fatores a ter em conta no desenvolvimento e implementação de um sistema com amoníaco. Quanto à inflamabilidade os limites inferior e superior de inflamabilidade situam-se nos 15 e 33 vol.%, respetivamente, com uma temperatura de ignição alta de 630 ºC. A inflamabilidade relativamente baixa do amoníaco, a dificuldade de formação de misturas inflamáveis e explosivas com concentrações de vapor de água superiores a 11 vol.% e a necessidade de existência de uma chama de apoio para haver uma combustão contínua leva a que as explosões e incêndios causados somente por amoníaco sejam muito raros. No entanto, existe risco de explosão agravado em áreas fechadas sem ventilação onde é possível

exceder o limiar de explosão de 105 g/m3_{. Quanto à toxicidade o amoníaco tem efeitos}

irritantes e corrosivos tanto no estado gasoso como no líquido. Dos vários efeitos nocivos no ser humano, o amoníaco em determinadas concentrações e exposições pode provocar queimaduras, cegueira, danos no sistema respiratório e digestivo, náuseas, vómitos podendo em último caso levar à morte. No entanto o seu odor, típico e desagradável, detetável em concentrações muito baixas, leva a que a fuga seja identificada muito antes de assumir níveis perigosos. Para a contenção no caso de fuga são utilizados sistemas de pulverização de água, com a qual este forma compostos. Atualmente é aplicada regulamentação nacional a fim de evitar acidentes relacionados com a inflamabilidade e toxicidade do fluído. Existe ainda uma grande pressão para que a carga de fluído nos sistemas seja minimizada, principalmente nas áreas mais povoadas [22-24].

É necessário referir ainda a capacidade corrosiva do amoníaco na presença de cobre, zinco, ferro, estanho e respetivas ligas exigindo a utilização de tubagem de aço soldado. Adicionalmente, a utilização de amoníaco exige um maior critério na seleção do óleo dada a sua incompatibilidade com os mais comuns. No entanto, a alta capacidade volumétrica do amoníaco permite que a instalação possua na sua maioria tubagem de menor dimensão comparativamente a outros fluídos. Na generalidade, a necessidade de utilização de tubagem de aço, compressores adaptados e dispositivos de segurança próprios torna o custo inicial da instalação superior a outros [23,24].

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2.4.3. Dióxido de carbono ou R744

Assim como os demais fluídos naturais, o dióxido de carbono (CO2), também

denominado R744, já fora antes utilizado como fluído frigorigéneo tendo sido introduzido no mercado na segunda metade do século XIX. No entanto com o surgimento dos CFCs

na década de 1930, a utilização de CO2 em sistemas de refrigeração sofreu uma redução

drástica até à década de 1960 em que praticamente se tornou inexistente nos mesmos. Desde a década de 1980 até à atualidade, liderado pelo movimento de redução de emissões de gases prejudiciais para a atmosfera, o dióxido de carbono tornou-se uma das principais soluções para as instalações de refrigeração. O desenvolvimento tecnológico levado a cabo nestes anos permitiu a implementação de ciclos subcríticos e transcríticos nos vários sectores da refrigeração. As vantagens oferecidas pelo CO2 em relação ao NH3

ou aos HFC baseiam-se na ausência de restrição da carga de fluído e no baixo impacto ambiental, respetivamente [1,25].

A utilização do R744 nos sistemas de refrigeração é considerada uma boa solução dado [25-27]:

• Ser pouco tóxico; • Não ser inflamável;

• Possuir um coeficiente de transferência de calor elevado dada a pressão e densidade elevadas;

• Possuir uma capacidade volumétrica superior à maioria dos fluídos frigorigéneos de utilização habitual aumentando a sua capacidade de refrigeração;

• Possuir baixas razões de compressão aumentando o rendimento isentrópico do compressor;

• Possuir temperaturas de descarga elevadas possibilitando a sua utilização em sistemas de recuperação de calor, aumentando a eficiência global do sistema; • Boa miscibilidade com óleos lubrificantes (incluindo Poliéster usados com

HFCs);

• Exigir menores dimensões de tubagem; • Possuir baixa viscosidade;

• Apresentar baixas perdas de carga nos sistemas;

• Não ser nocivo para a camada de ozono e possuir um potencial de aquecimento global quase nulo;

23 • Atualmente existir uma grande oferta de componentes e tipos de sistemas no

mercado;

• Ser abundante na atmosfera e apresentar baixos custos de aquisição embora os custos dos sistemas sejam maiores.

Os sistemas a operar com R744 permitem obter menores razões de pressão na compressão (20 a 50% menores que com HFCs ou amoníaco) aumentando a eficiência

volumétrica. A elevada capacidade de troca térmica do CO2 permite que os sistemas que

utilizam este fluído possuam equipamentos de menores dimensões como tubagens, isolamentos, compressores, bombas, entre outros, quer quando utilizado como fluído primário quer como secundário [26,28,29].

No entanto, existem restrições que exigem a atenção na seleção da melhor solução quando aplicado o CO2 como fluído frigorigéneo. A principal destas restrições é a elevada

pressão de funcionamento deste fluído visto que apenas sobre esta condição é possível obter elevadas eficiências no funcionamento do sistema. Esta condição exige a instalação de equipamentos especialmente preparados para operar com este nível de pressões ou superiores dado que, aquando da paragem temporária do sistema, a temperatura e pressão do fluído aumenta, podendo até ultrapassar o ponto crítico. Em sistemas subcríticos a pressão chega aos 72 bar enquanto em sistemas transcríticos pode alcançar até 140 bar, tornando assim necessário toda a prevenção na escolha do equipamento corretamente preparado. Em sistemas subcríticos em que o fluído se encontra a temperaturas muito baixas, mas ainda com pressões muito elevadas, por motivos de segurança é preferível a utilização de aço inoxidável. A restrição seguinte deve-se à proximidade dos pontos triplo e crítico ao intervalo de temperaturas de funcionamento do sistema. O ponto crítico poderá ser atingido, por exemplo, durante o funcionamento normal do sistema. No entanto, durante as ações de manutenção dos sistemas, a exposição do fluído, no estado líquido, à pressão atmosférica leva à formação de gelo seco por atingir o ponto triplo do

CO2. A problemática apresentada leva a que o intervalo de temperaturas de operação do

R744 em sistemas subcríticos seja reduzido [1,26].

No caso de fuga é necessária precaução dada a elevada densidade do CO2, em

comparação com o ar, que pode levar à asfixia pela sua acumulação nos pulmões. Adicionalmente, a sua característica inodora leva a que seja muito difícil a perceção da

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atmosfera perigosa. Na Tabela 2.3 encontram-se listadas as concentrações de CO2 e

respetivos perigos para a saúde como consequência à sua exposição [27].

Tabela 2.3 - Concentrações de CO2 e respetivos perigos para a saúde como consequência à sua

exposição. Adaptado de [27].

ppm of CO2 Effects

400 Concentração na atmosfera

5000 Limite de exposição a longo prazo (8 horas)

15000 Limite de exposição a curto prazo (10 minutos)

30000 Desconforto, dificuldades na respiração, dores de cabeça,

tonturas, etc.

100000 Perda de consciência, morte

300000 Morte rápida

É comum a utilização de R744 na refrigeração comercial. É ainda utilizado numa série de aplicações como refrigeração móvel, de máquinas de venda, refrigeração industrial, ultracongelação, entre outros [25].