A refrigeração por CO2

Os sistemas de refrigeração por CO2 proporcionam uma eficiência máxima devido a uma maior recuperação de calor, o que resulta em equipamentos com um desempenho superior. Isto é possível graças às excepcionais propriedades termodinâmicas inerentes ao CO2, que o tornam o gás refrigerante ideal.

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Refrigeração com CO2

Com um interesse crescente na utilização de refrigerantes naturais, tipicamente aqueles com um potencial de aquecimento global (GWP) não superior a 150, e com o objetivo de proteger os impactos ambientais, uma das melhores escolhas é a utilização de dióxido de carbono como refrigerante “natural” para o retalho, a produção alimentar, as instalações de transformação de alimentos e a cadeia de frio (desde o transporte à conservação em câmaras frigoríficas utilizadas por supermercados por exemplo). Com um potencial de redução do ozono nulo (ODD) e um GWP muito baixo ou nulo, os fluidos refrigerantes naturais são considerados uma excelente alternativa quando em comparação aos fluidos refrigerantes sintéticos (como os CFC, que são gases hidrocarbonetos, os HFC ou os HCFC), uma vez que são menos poluentes para a nossa atmosfera e meio ambiente.

No passado, o dióxido de carbono foi particularmente utilizado como fluido refrigerante em sistemas de refrigeração até aos anos 40, devido às suas características não tóxicas e não inflamáveis, podendo ser utilizado em segurança. No entanto, as elevadas pressões de trabalho provocaram o seu abandono a favor dos fluidos refrigerantes sintéticos.

Ao longo dos últimos anos, as restrições progressivas à utilização de fluidos refrigerantes sintéticos com o objetivo de limitar a destruição da camada de ozono (Montreal, 1987) e de limitar a libertação de gases com efeito de estufa na atmosfera (Quioto, 1999), juntamente com o desenvolvimento de componentes fiáveis e adaptados ao funcionamento a altas pressões, voltaram a propor o dióxido de carbono como um dos fluidos refrigerantes naturais mais interessantes, que deverá ser a solução mais utilizada pelos industriais do setor da refrigeração no futuro.

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Propriedades gerais e caraterísticas do CO2

O CO2 tem várias propriedades termodinâmicas únicas, que o tornam o fluido refrigerante ideal.

  • Ótimo coeficiente de transferência de calor,
  • Elevado conteúdo energético,
  • Pouca sensibilidade às perdas de pressão,
  • Viscosidade extremamente baixa.

Nas aplicações práticas, a vantagem dos sistemas de CO2 é proporcionarem desempenhos muito elevados. As principais razões são:

  • Permuta térmica superior,
  • Dimensões dos tubos reduzida,
  • Redução da potência de bombagem quando o CO2 é utilizado como fluido secundário,
  • Aumento da recuperação total de calor.

Para todos os fluidos refrigerantes, a eficiência do sistema diminui com o aumento da temperatura de condensação. As temperaturas de condensação elevadas são frequentemente consideradas um fator limitativo para a utilização de CO2. No entanto, as propriedades termofísicas inerentes ao CO2 e a utilização de energia de expansão com ejetores podem ajudar a compensar este fator.

Sistemas de Refrigeração com CO2

Os sistemas de refrigeração com CO2 têm opções de recuperação de calor que podem ajudar a preparar o seu negócio para o futuro. O CO2 e o seu elevado conteúdo energético, que continua a escalar a temperaturas mais elevadas, podem ser recuperados, aumentando a eficiência energética global do sistema.

Quando um fluido de arrefecimento (ar ou água) está disponível a uma temperatura inferior a 20°C, o dióxido de carbono pode ser utilizado como qualquer outro refrigerante, funcionando num ciclo subcrítico. Naturalmente, o diferente nível de pressão requer componentes e arranjos de instalações adequados. Quando o fluido de arrefecimento disponível tem temperaturas acima de 20 °C, é necessário operar de acordo com um ciclo chamado transcrítico.

É, portanto, a baixa temperatura crítica do CO2 que impossibilita o seu funcionamento no mercado de forma tradicional.

Transcrítico e Subcrítico

Na aplicação de CO2, o sistema é chamado de sistema transcrítico porque parte do refrigerante opera acima do ponto crítico e parte opera abaixo do ponto crítico. Subcrítico, supercrítico e transcrítico descrevem as pressões e temperaturas de operação de um sistema de refrigeração em relação ao ponto crítico. Um sistema de refrigeração “normal” típico é um sistema subcrítico porque tudo acontece abaixo do ponto crítico. Num sistema supercrítico, todos os componentes funcionam a pressões e temperaturas acima do ponto crítico.
Um sistema supercrítico funciona com a compressão e expansão de gás sem qualquer mudança de estado. Toda a transferência de calor ocorre através da mudança de temperatura do gás (efeito sensível).

Um circuito transcrítico funciona tanto acima como abaixo do ponto crítico. O calor é absorvido num evaporador onde o líquido se evapora em gás, mas a libertação de calor ocorre acima do ponto crítico, pelo que não há condensação no que normalmente seria considerado o condensador. O fluido refrigerante não se condensa novamente em líquido até que a pressão seja reduzida.

A temperatura crítica de um refrigerante é a temperatura acima da qual o refrigerante não pode ser liquefeito, independentemente da pressão sobre o vapor do refrigerante.

Suponhamos que a temperatura crítica de um determinado refrigerante é baixa. O ciclo será então:

  • O compressor comprime o vapor de refrigerante até à pressão do condensador.
  • À medida que a pressão aumenta, a temperatura do refrigerante aumenta.
  • Agora, se a temperatura crítica do refrigerante for baixa, a temperatura do fluido de arrefecimento (ar ou água) pode exceder a temperatura crítica.
  • Se isto acontecer, o refrigerante não se liquefaz no condensador.
  • Por conseguinte, o refrigerante permanecerá no estado gasoso e expandir-se-á como vapor.
  • Após a expansão, continuará no estado gasoso, entrando assim no evaporador.
  • Uma vez que o refrigerante já se encontra na fase gasosa, não absorverá o calor do evaporador e o efeito de arrefecimento será muito reduzido.
  • Isto irá aumentar o consumo de energia.
  • Isto não acontecerá se a temperatura crítica do refrigerante for elevada porque a temperatura após a compressão ainda estará abaixo da temperatura crítica e o vapor passará a líquido no condensador.

O CO2 em sistemas de cascata subcrítico é o refrigerante utilizado para a fase de baixa temperatura (sucção do compressor a -30°C/-35°C). O calor libertado na condensação do CO2 é absorvido pelo refrigerante da fase de média temperatura.

O dióxido de carbono (CO2 R744) é natural, não tem qualquer efeito na camada de ozono, é barato, incolor, inodoro e não apresenta níveis de toxicidade. Pode ser utilizado diretamente como refrigerante, quer a alta temperatura de condensação (transcrítico), com alta pressão de descarga, acima de 1100 psi, quer a baixa temperatura de condensação (subcrítico). O transcrítico é utilizado principalmente em compressores semi-herméticos.

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