Gases refrigerantes / isolantes / propelentes são substâncias químicas empregadas em sistemas frigoríficos como veículos térmicos na realização do ciclo de refrigeração, ou seja, são responsáveis pelas trocas térmicas, absorvendo calor de um espaço a ser refrigerado e transferíndo-o para o meio onde será dissipado, bem como agentes de expansão para espumas isolantes térmicas, além de gases propulsores para a liberação de líquidos vendidos nas embalagens do tipo aerossol.
OBSERVAÇÃO: Neste âmbito alguns termos específicos precisam ser esclarecidos:
-> Propelentes: Também chamado de propulsante, é definido como um material que pode ser usado para mover um objeto aplicando uma força, podendo ou não envolver uma reação química no processo. O material pode ser constituído de gás, líquido ou plasma e antes de uma reação química, um sólido. Exemplos de propelente são a gasolina, gás GLP e GNV, a nitrocelulose e a nitroglicerina;
-> PDO: Potencial de Destruição da camada de Ozônio;
-> PAG: Potencial de efeito estufa (não confundir com o óleo lubrificante misturado aos refrigerantes HFCs Poliglicol, que utiliza a mesma sigla PAG).
Os gases refrigerantes / isolantes / propelentes podem ser classificados por suas gerações e evolução no mercado.
Até a década de 1920, os refrigeradores usavam gases tóxicos como refrigerantes, incluindo Amônia, Dióxido de Enxofre e Clorometano. Após uma série de acidentes fatais envolvendo o vazamento de Clorometano de refrigeradores, iniciou-se um grande esforço de colaboração entre as empresas americanas Frigidaire, General Motors e DuPont para desenvolver uma alternativa mais segura e não tóxica. Thomas Midgley Jr., da GM, é creditado por sintetizar os primeiros clorofluorocarbonos.
Em 1930, a General Motors e a Du Pont formaram a Kinetic Chemical Company para produzir este novo produto, que recebeu a designação Freon e, em 1935, mais de oito milhões de refrigeradores utilizando R-12 foram vendidos pela Frigidaire e seus concorrentes. Em 1932, a Carrier começou a usar o R-11 no primeiro aparelho de ar condicionado doméstico independente do mundo, conhecido como "gabinete atmosférico".
Como os CFCs são em grande parte não tóxicos, eles rapidamente se tornaram o refrigerante preferido em grandes sistemas de ar condicionado. Os códigos de saúde pública nas cidades foram revistos para designar os clorofluorcarbonos como os únicos gases que poderiam ser utilizados como refrigerantes em edifícios públicos.
O crescimento dos CFCs continuou nas décadas seguintes, levando a um pico de vendas anuais de mais de 1 bilhão de dólares, com mais de um milhão de toneladas métricas sendo produzidas anualmente. Somente em 1974 foi descoberto por dois químicos da Universidade da Califórnia, o professor F. Sherwood Rowland e o Dr. Mario Molina, que o uso de clorofluorocarbonos estava causando uma redução significativa nas concentrações de Ozônio atmosférico. Isto deu início ao esforço ambiental que resultou na promulgação do Protocolo de Montreal.
Em 1978, os EUA proibiram o uso de CFCs em latas de aerossol, dando início a uma longa série de ações regulatórias contra o seu uso. Uma das principais patentes de fabricação dos Freons da DuPont (US3258500, de 1966) foi definida para expirar antes do previsto, já em 1979.
Em conjunto com outras empresas do segmento, a DuPont formou um grupo de lobby, a "Aliança para uma Política Responsável de CFC", para combater regulamentações de compostos que destroem a camada de Ozônio. Em 1986, a DuPont, com novas patentes em mãos, reverteu sua posição anterior e condenou publicamente os CFCs. Representantes da DuPont compareceram perante o Protocolo de Montreal dando apoio para que os CFCs fossem banidos em todo o mundo e declararam que seus novos HCFCs atenderiam à demanda mundial por refrigerantes.
Apesar dos chamados fluidos refrigerantes naturais estarem no foco atual das principais discussões em relação às tendências de utilização, a maior parte das aplicações comerciais atuais ainda envolvem fluidos refrigerantes fluorados, basta olhar para as especificações do seu freezer, ar condicionado doméstico ou do ar condicionado do carro e você verá a sigla "HFC".
Imagem 1 - Um Volvo FH 540 ano 2022
A segunda geração foi uma evolução dos CFCs, pois incluíam Hidrogênio na composição química. É o pouco falado HCFC, que perdeu espaço tal qual os CFCs devido ao dano ambiental gerado pela sua liberação indiscriminada na atmosfera. Lembre-se que, por exemplo, até sprays de desingripante, de limpa-contatos elétricos e de tintas usavam gases destruidores da camada de Ozônio como propelentes.
Hidrofluorocarbonos (HFCs) representam a terceira geração de fluidos refrigerantes fluorados. É uma classe que possui em sua composição Carbono, Hidrogênio e Flúor. A eliminação das moléculas de Cloro da estrutura dos CFCs e HCFCs elimina o PDO, tornado sua aplicação mais coerente do ponto de vista ambiental. Ainda assim, os HFCs apresentam alto potencial de aquecimento global (PAG) e sua aplicação contribui para o efeito estufa quando liberado para a atmosfera.
Dentre os HFCs mais utilizados atualmente no setor AVAC-R (Aquecimento, Ventilação, Ar-Condicionado & Refrigeração) nacional destacamos o R-134a, R-410A, R-407C e R-437A para aplicações de ar-condicionado (alta temperatura) e R-404A, R-410A, R-507, R-438A, R-407A, R-407F para aplicações de refrigeração em média e baixa temperatura.
Além do mais, aplicações comuns, como as já mencionadas latas de spray passaram a fazer uso de gases HCs, eliminando os problemas dos CFCs, todavia, tornando tais aplicações inflamáveis.
Imagem 2 - Aerossóis não mais fazem uso de CFCs ou HCFCs
A quarta geração de fluidos refrigerantes fluorados, as Hidrofluorolefinas (HFOs), são compostos orgânicos, formados por átomos de Carbono, Hidrogênio e Flúor, se diferem dos HFCs tradicionais por conterem dois átomos de Carbono ligados por uma dupla ligação. Como resultado desta dupla ligação, as haloolefinas podem reagir mais rapidamente quando liberadas na atmosfera, o que permite que sua decomposição se dê de forma mais rápida, e isso explica seu baixo PAG. Além disso, os HFOs também possuem PDO igual a zero, devido a ausência de átomos de Cloro em sua composição molecular:
Imagem 3 - Os HFOs oferecem capacidade similar às oferecidas pelos HFCs tradicionalmente utilizados no mercado AVAC-R e, em alguns casos, eficiência aprimorada
Idealmente, um fluido refrigerante deve apresentar características físico-químicas, termodinâmicas e de segurança que tornam o seu uso não somente adequado, mas também eficiente e seguro. A tabela seguinte 'dá um norte' e resume características relevantes que devem ser levadas em conta num material deste tipo.
Tabela 1 - Uma parte dessas características são um tanto utópicas. As vezes é possível conseguir uma e não a outra... veremos melhor isso adiante
Tudo começa pelos Hidrocarbonetos
Para entender melhor a posição do Ciclopentano, dos CFCs, HCFCs, HFCs e HFOs nessa cadeia de refrigeração, precisamos retornar no primeiro artigo da série sobre plásticos e borrachas, mais especificamente nos compostos orgânicos hidrocarbonetos (HCs). Para acessa-lo, basta CLICAR AQUI!
Neste artigo, vou listar apenas as moléculas de HCs que encontrei em sites de química e no Wikipedia:
→ Alcanos:
Tabela 2 - Várias das moléculas do grupo dos alcanos
→ Cicloalcanos:
Tabela 3 - Várias das moléculas do grupo dos Cicloalcanos
→ Alcenos:
Tabela 4 - Várias das moléculas do grupo dos alcenos
→ Alcinos: O mais famoso é o Etino (também chamado de Acetileno);
→ Alcadienos (também conhecidos como dienos ou diolefinas): Isopreno, Butadieno e Ciclopentadieno são os mais comuns;
→ Cicloalceno (também chamado de Ciclenos): Exemplos comuns são o Ciclopropeno, Ciclobuteno, Ciclopenteno e Ciclohexeno;
→ Aromáticos: Benzeno, Tolueno, Xileno, Naftaleno, Antraceno e Fenantreno são os mais comuns.
CURIOSIDADE: Benzeno, Tolueno e Xileno são conhecidos como “BTX”.
Como nos Alcanos mais simples, o Carbono nos CFCs liga-se com simetria tetraédrica. Como os átomos de Flúor e Cloro diferem muito em tamanho e carga efetiva do Hidrogênio e entre si, os CFCs derivados do Metano desviam-se da simetria tetraédrica perfeita.
As propriedades físicas dos CFCs e HCFCs podem ser ajustadas por mudanças no número e na identidade dos átomos de halogênio. Em geral, eles são voláteis, mas menos que seus Alcanos parentais. A diminuição da volatilidade é atribuída à polaridade molecular induzida pelos haletos, que traz interações intermoleculares. Assim, o metano ferve a -162 °C, enquanto os fluorometanos fervem entre -51,7 (CF2 H2) e -128 °C (CF 4). Os CFCs têm pontos de ebulição ainda mais elevados, pois o cloreto é ainda mais polarizável que o Flúor. Devido à sua polaridade, os CFCs são solventes úteis e os seus pontos de ebulição os tornam adequados como refrigerantes. Os CFCs são muito menos inflamáveis que o Metano, isto pois contêm menos ligações CH e, no caso dos cloretos e brometos, os halogenetos libertados extinguem os radicais livres que sustentam as chamas.
As densidades dos CFCs são superiores às dos Alcanos que os originam. Em geral, a densidade destes compostos correlaciona-se com o número de cloretos.
Os CFCs e HCFCs são geralmente produzidos por troca de halogênio a partir de Metanos e Etanos clorados. Abaixo, a síntese de clorodifluorometano a partir de clorofórmio:
HCCl 3 + 2 HF → HCF 2 Cl + 2 HCl
CURIOSIDADE: Bilhões de kgs de clorodifluorometano são produzidos anualmente como precursor do tetrafluoroetileno, o monômero que é convertido em PoliTetraFluorEtileno (PTFE), conhecido como Teflon.
Os gases isolantes muitas vezes são simples Hidrocarbonetos e podem ser utilizados em combinação com os refrigerantes em sistemas de refrigeração, permitindo um isolamento térmico do sistema em que são aplicados. É válido lembrar que gases refrigerantes também podem ser aplicados como isolantes.
Na década de 1960, o uso de clorofluorcarbonetos (CFC) como agente de expansão das espumas rígidas resultou no grande emprego desse material em isolamento térmico. Nos anos 1990, devido à preocupação com o meio ambiente, as indústrias renunciaram aos CFCs como propelente, considerados danosos à camada de Ozônio. Novos propelentes que não agridem o meio ambiente começaram a ser testados e aplicados, como por exemplo o Dióxido de Carbono (CO2) e o Ciclopentano (C5H10, um Cicloalcano).
Imagem 4 - Um velho freezer Electrolux H210 datado de 2004. Não há qualquer indicação de gás isolante no PU, o que nos leva a crer que seja algum tipo não inflamável, tal como o CO2
Atualmente, o gás propelente mais utilizado em refrigeração doméstica isolada por PU é o Ciclopentano, também referido como C-PENTANO.
Imagem 5 - Um freezer Consul datado de 2024
O poliisocianato e o poliéter combinado na reação química sob a ação do catalisador para gerar Poliuretano libera muito calor. Neste momento, o agente espumante (Ciclopentano) pré-misturado no poliéter é continuamente vaporizado e o PUR é expandido para preencher a lacuna entre o invólucro e o revestimento interno do gabinete do freezer ou geladeira.
Se um freezer ou geladeira usa C-PENTANO como propelente para formar espuma (obviamente ele precisa se vaporizar em alta temperatura pro efeito acontecer), os sprays de espuma de PU que compramos em lojas de ferragens ou lojas de materiais de construção fazem uso de gases propelentes mais comuns, tais como Pentano (C5H12), Propano (C3H8) e Butano (C4H10), todos Hidrocarbonetos Alcanos, mas que também substituem os famigerados CFCs.
Complemento 1 - Um resumo das aplicações do "Normal Pentano"
Como podemos ver, a fabricação de Isopor, seja ele feito de Poliestireno ou Polipropileno pode usar o Pentano também.
A termodinâmica na refrigeração
Sistemas de refrigeração operam com gases refrigerantes condensando e se expandindo num sistema fechado (hermeticamente selado, pois qualquer vazamento significa perda de refrigerante e desempenho, além de se evitar a entrada de agentes degradantes, tal qual a umidade, que provoca oxidação) sem perda ou ganho de matéria, mas alterando seu volume, sua pressão e sua temperatura, tanto que tais equipamentos são caracterizados por uma região de baixa pressão (após válvula de expansão ou após um tubo capilar) e a região de alta pressão (que começa durante a passagem do gás pelo compressor).
Imagem 6 - São 110 g de gás R134a atingindo um pico de pressão de 1,43 MPa no condensador
Note que o freezer traz seu valores em PSIg, isto é, Pounds per Square Inch gauge, em português Libras por Polegada Quadrada manométrica. Se trata de uma pressão relativa à pressão atmosférica local (ignora-se a altitude). Sendo assim, 206 PSIg (1,43 MPa) é o limite de pressão acima da atmosférica na região do condensador, enquanto 0 PSIg é a pressão encontrada no evaporador. Já num aparelho de ar condicionado as pressões são muito mais elevadas, inclusive o evaporador trabalha muito acima da pressão atmosférica:
Imagem 7 - A carga de gás é de 1 kg, e o R410a chega aos 2,7 MPa no condensador
A questão aqui não é apenas a massa de gás, mas sim a área que o equipamento vai refrigerar e o projeto do evaporador e condensador, e isso significa que a pressão num freezer doméstico tende a ser menor que a pressão no ar condicionado do seu quarto ou no refrigerador de um container:
Imagem 8 - Uma unidade de refrigeração Carrier em um container SeaCube
A pressão máxima não é informada, entretanto, são 4,26 kg de gás R134a neste refrigerador embutido no container. Repare que a equivalência é de 5,54 toneladas de CO2, o suficiente pra imaginar que um vazamento de gás num trambolho destes colabora bastante pro efeito estufa.
Basta notar que o condensador da sua geladeira é uma 'mirrada' serpentina de metal sem ventilação forçada nem aletas pra melhorar a troca de calor, enquanto um ar condicionado usa uma concepção de radiador com ventilador acoplado.
Pra finalizar os exemplos, vamos voltar ao reservatório criogênico da Air Liquide mostrado no Capítulo 1. O sistema termoestático termina no processo de descarga do gás liquefeito. No mesmo implemento, há uma serpentina em liga de Alumínio que faz o papel de evaporador, isto é, através de uma válvula de reguladora (podemos equivaler a uma válvula de expansão), o material liquefeito é direcionado para este trocador de calor que eleva sua temperatura substancialmente, recuperando o estado gasoso do Oxigênio, Nitrogênio ou Argônio. Observe a plaqueta de especificações do evaporador:
Imagem 9 - Tal como num ar condicionado, a vazão exacerbada do produto pela serpentina irá provocar a formação de crostas de gelo na parte externa do evaporador
Calor latente e sensível
Os gases refrigerantes aplicados em sistemas de refrigeração tem elevado valor de calor latente de condensação e baixa temperatura de ebulição.
Quando o gás passa pelo condensador, perde calor para o meio externo, liquefazendo-se - ou seja, se torna líquido. Ao sair do condensador, um tubo capilar (com um diâmetro menor que a tubulação do evaporador) ou uma válvula de expansão provoca uma queda da pressão. Assim, o gás refrigerante, agora líquido, entra na serpentina do evaporador e se vaporiza, retirando calor dos arredores. A partir desse ponto, o ciclo se reinicia e o gás refrigerante é puxado outra vez para o compressor.
Em cada ciclo que ocorre no refrigerador, a quantidade de calor cedida para o ambiente externo através do condensador é igual à quantidade de calor retirada do ambiente interno através do evaporador, isso somado ao trabalho gerado pelo compressor.
Como a compressão de gás é efetuada de maneira extremamente rápida, podemos considerar que é uma transformação adiabática (temperatura e pressão se elevam, volume diminui, todavia, não há trocas de calor com o ambiente). No condensador, temos uma diminuição da temperatura do gás refrigerante, feita sob pressão constante.
Na válvula de expansão (ou tubo capilar), como já sabemos, a intenção é a de provocar uma nova transformação adiabática (diminui-se a pressão e a temperatura, o volume aumenta, todavia, não há trocas de calor com o ambiente). Por fim, no evaporador, o gás troca calor com a região externa à serpentina, em pressão e temperatura constantes - o que faz com que ele se expanda conforme vai se vaporizando.
Do ponto de vista termodinâmico, a primeira molécula base de HFO desenvolvida pela indústria química que deu origem às famílias de misturas de HFOs, possui características muito similares às do R-134a. O gráfico seguinte mostra o comportamento de pressão versus temperatura das moléculas R-134a e R-1234yf. Nota-se que na faixa de aplicação de -20 °C a 60 °C as curvas praticamente se sobrepõem, enfatizando a similaridade de comportamento termodinâmico.
Gráfico 1 - Comparação entre o R134a e o R1234yf
CURIOSIDADE: A tabela abaixo apresenta valores de características importantes de fluidos refrigerantes para o HFC R-134a e o HFO R-1234yf.
Tabela 5
Apesar da similaridade entre as características termodinâmicas, a estrutura da molécula de HFO resulta em PAG (GWP em inglês) 1300 vezes menor que o PAG do HFC. Desta forma, os HFOs se diferenciam dos HFCs pois, em sua forma pura, não contribuem para o aquecimento global, já que se degradam mais facilmente quando liberadas no meio ambiente.
Não somente as moléculas base de HFOs, como R-1234yf, R-1233zd ou 1336mzz-Z, fazem parte da quarta geração de fluidos refrigerantes fluorados. Esta geração passou a expandir à medida que foram desenvolvidas misturas destes HFOs com outros fluidos refrigerantes, tais como HFCs, R-290 ou R-744 (estes dois últimos considerados naturais). As misturas também possuem zero PDO e reduzido - ou até mesmo baixíssimo - PAG. Também oferecem segurança em relação a outras propostas altamente inflamáveis, como o R-290 e R-600a, já que possuem baixa ou nenhuma inflamabilidade. A família de misturas pode ser aplicada em diversos segmentos, entre eles automotivo e varejista, a fim de atender a demanda do mercado, tanto para produção de novos equipamentos quanto de retrofits (substituição do fluido refrigerante de equipamentos já em operação, o que viabiliza prolongar sua vida útil de acordo com as diretrizes das normas ambientais).
Se você parar pra pensar, verá que o botão no topo da lata de aerossol é uma válvula de expansão. Ao pressioná-la, o gás liquefeito sob alta pressão será liberado na atmosfera numa expansão adiabática, vaporizando-se, isto é, retornanado ao estado gasoso, e numa temperatura mais baixa que a ambiente, tal qual num ar condicionado ou refrigerador.
Imagem 10 - Estamos diante de uma válvula de expansão
Os dispositivos de expansão têm a função de controlar a quantidade de líquido através do evaporador, além de evitar que tais vapores sejam aspirados excessivamente quentes ou que chegue fluido refrigerante no estado líquido ao compressor. Os dispositivos comumente empregados são:
-> Tubo capilar;
-> Orifício graduado;
-> Válvula de expansão direta à pressão constante (válvula de expansão automática);
-> Válvula de expansão direta e superaquecimento constante (válvula de expansão termostática);
-> e válvulas eletrônicas.
O mais simples dispositivo de expansão é o tubo capilar, cuja função - tal qual os outros dispositivos - é a de reduzir a pressão do fluido refrigerante no estado líquido (em alta pressão) até a pressão de vaporização. No processo de passagem do fluido pelo capilar, uma parte do mesmo se transforma em vapor. Os capilares tem diâmetros que variam de 0,6 a 1,6 mm, e por isso a redução de pressão ocorre por atrito com as paredes da tubulação.
Para a determinação do comprimento do tubo capilar é importante observar o tipo de fluido utilizado, o diâmetro interno do capilar e a relação de pressões de condensação e de vaporização. Os tubos capilares são usados em sistemas de menor porte com capacidade de até 3TR (36.000 BTU/h) e possibilitam a equalização de pressão entre os lados de alta e baixa pressão quando o sistema é desligado, o que exige menor torque de partida do compressor. É por este motivo que geladeiras e freezers utilizam motores momofásicos sem a necessidade de um capacitor de partida / interrptor centrífugo (nem capacitor permanente). Mas existem casos e casos, como podemos ver no seguinte informativo da Embraco:
Complemento 2 - Sistemas com tubo capilar podem não precisar de um capacitor de partida
CURIOSIDADE: Para aprender mais sobre motores elétricos, CLIQUE AQUI!
Os refrigeradores e os freezers residenciais, condicionadores de ar e bebedouros são exemplos que usam tubo capilar como dispositivo de expansão. Na próxima imagem, uma ilustração para explicar como o comprimento da tubulação interfere na vazão de escoamento. Uma tubulação de 100 m terá muito mais queda de pressão que uma tubulação de 10 m. E quanto maior a redução de pressão entre a entrada e a saída, menor é a vazão saindo na parte da direita. O mesmo princípio vale para os tubos capilares. A vazão mássica de fluido refrigerante é afetada em decorrência do diâmetro interno e do comprimento total do tubo capilar.
Imagem 11 - Um válvula de vazão pode ser feita através de uma redução no diâmetro interno em um tubo
CURIOSIDADE: Nada impediria os projetistas de utilizarem uma válvula Tesla no design destes sistemas de refrigeração. A vantagem de ambos é a ausência de peças móveis e a regulação de fluxo pelo simples design da tubulação, como vemos neste vídeo do canal Lesics Português:
Vídeo 1 - Tubo capilar e válvula Tesla são exemplos de válvulas sem partes móveis e que não estancam por completo o fluído que circula por elas
Aliás, baterias reguladas por válvula podem implementar uma válvula Tesla para impedir a evaporação de eletrólito para a atmosfera, e neste caso, funcionando de forma contrária aos sistemas de refrigeração: Ao invés de gerar a evaporação do líquido por queda de pressão, a válvula gera a condensação do eletrólito evaporado para que o mesmo retorne por gravidade à respectiva pilha. Para saber mais sobre pilhas e baterias, comece CLICANDO AQUI
Um tubo capilar muito maior do que o adequado ou com diâmetro menor que o recomendado para uma determinada aplicação poderá ocasionar uma alimentação deficiente do evaporador com o acúmulo de fluido refrigerante no condensador, o que vai aumentar a pressão de descarga do compressor. Um capilar curto demais provoca um efeito contrário e pode terminar em golpe de líquido no compressor. Umidade, impurezas decorrentes do desgaste do compressor ou estrangulamento poderão ocasionar o entupimento total ou parcial do tubo capilar, impedindo que o fluido refrigerante circule.
Para evitar obstruções é fundamental a utilização de filtro secador com tela metálica, que impede a circulação de impurezas no sistema. Os sintomas do entupimento parcial de um tubo capilar são semelhantes à falta de gás ou à baixa capacidade do compressor.
Nos refrigeradores é muito comum que o tubo capilar fique enrolado na linha de sucção de tal forma a promover um ganho de calor para o fluido que entra no compressor e reduzir a temperatura do fluido subresfriado na saída do condensador. Essa configuração forma um trocador de calor com a linha de sucção e aumenta o desempenho do sistema, além de evitar a formação de gelo na linha de sucção, conforme mostrado abaixo:
Diagrama 1 - Trocador de calor entre tubo capilar e linha de sucção do compressor
Se por algum motivo for necessário substituir o tubo capitar por outro, é importante verificar as especificações técnicas do equipamento. Em decorrência do atrito, um tubo capilar com diâmetro menor que o original deverá ter um comprimento menor que o original para manter a mesma vazão mássica.
E inversamente, um tubo capilar mais grosso que o original deverá ter um comprimento maior.
Já a válvula de expansão termostática (VET) é uma implementação de base-mola-diafragma que também tem por função promover a expansão e regular o fluxo do fluido refrigerante, afim de garantir que ele se vaporize completamente no evaporador e, ainda, providencie um grau de superaquecimento constante à saída dele. Sua instalação é feita na entrada do evaporador e sua mola interna é controlada por um sensor de temperatura à gás.
A grosso modo, para facilitar o entendimento, vou fazer uma analogia com os coolers de computador. Pois bem, este sensor de temperatura à gás é como se fosse um heatpipe. O calor gerado em uma ponta do heatpipe vaporiza seu gás interno, que é conduzido para a outra extremidade - que está com menor temperatura - onde ele troca calor e volta ao estado líquido, sendo conduzido através de efeito capilar para a extremidade mais quente. Além do gás, os heatpipes dos coolers são preenchidos com pó de Cobre para permitir o efeito capilar.
CURIOSDIDADE: Além do refrigerante, o bulbo também contém um adsorvente sólido, como carvão ou sílica gel. O refrigerante adsorvido reage mais lentamente a mudanças de temperatura do que os bulbos de carga direta, e dá uma resposta mais lenta.
A VET possui um bulbo em uma das extremidades do heatpipe, enquanto a outra extremidade aciona a mola que fará o movimento do diafragma e assim permitirá maior ou menor passagem de líquido para expandir no evaporador.
O bulbo sensor deve ser fixado na saída da serpentina por abraçadeiras em uma superfície plana e limpa para evitar movimentos errados na válvula. O bulbo termostático deve ser totalmente isolado.
Diagrama 2 - Posicionamento da VET
O funcionamento de uma VET depende tanto da pressão do evaporador como da pressão de comando do bulbo termostático. O movimento do diafragma para baixo afasta a agulha, permitindo maior passagem do refrigerante. O movimento contrário reduz a passagem de líquido. O parafuso de ajuste garante que a pressão da mola seja aplicada na parte de baixo do diafragma da válvula (PM).
Quando o fluido refrigerante dentro do bulbo sensor tem sua temperatura aumentada sua pressão também sobe (PB). Ao se diminuir a pressão do evaporador (PE), o diafragma empurra a haste de regulagem para baixo, resultando em uma maior passagem do fluido:
Diagrama 3 - No diafragma temos PB = PM + PE.
Caso caia a temperatura do bulbo e tenha aumento na pressão do evaporador, o diafragma sobe, provocando um estrangulamento na passagem de líquido. Essa válvula permite uma alimentação adequada do evaporador, sob todas as condições de carga, sem o risco de inundação de fluido refrigerante líquido no compressor, provocando um calço hidráulico.
-> Se a carga térmica aumentar, aumentará o grau de superaquecimento e o orifício da válvula se abre.
-> Se a carga térmica diminuir, então diminuirá também o grau de superaquecimento e o orifício da válvula se fecha.
Podemos observar que o grau de superaquecimento é mantido constante, mas que a pressão e, consequentemente, a temperatura de evaporação, variam com as oscilações de carga térmica.
Este sistema já foi abolido do automóveis, já que para a sua manutenção, obviamente, precisa obrigatóriamente de acesso ao evaporador para remoção do bulbo, e isso pode significar a necessidade do desmantelamento de todo o painel do veículo. O componente aplicado atualmente é uma evolução da VET, chamada de TXV ou Válvula de expansão direta à pressão constante (válvula de expansão automática):
Imagem 12 - Uma válvula de expansão automática Egelhof TCDF-2D num caminhão DAF XF 105.510 datado de 2019
Por dentro ela é assim:
Diagrama 4 - compare a TXV com e VET e note as semelhanças
A válvula TXV identifica a temperatura e a pressão do gás que vem do evaporador atuando no diafragma (1) e movimentando o eixo (2), levantado-o ou abaixado-o contra a mola de ajuste (3), controlando assim a passagem do líquido para o evaporador (4).
Note que o bulbo e o tubo capilar foram eliminados, pois a saída do evaporador (diâmetro maior) é colocada em paralelo com a entrada (diâmetro menor), e entre as duas o conjunto base-mola-diafragma, que de acordo com a temperatura do vapor na saída controla a expansão do líquido na entrada do evaporador. Nos automóveis e caminhões a válvula TXV é colocada do lado de fora do habitáculo, no painel corta-fogo, facilitando seu acesso e manutenção através do cofre do motor.
Outro sistema aplicado em refrigeração é o orifício graduado, também chamado de tubo de expansão. Funciona tal como um tubo capilar, ou seja, faz-se um controle do fluxo de fluido refrigerante através de um orifício fixo, que pode ter de 1 a 2 mm de diâmetro, a depender do sistema.
Ao se expandir, o fluido refrigerante no estado líquido sob alta pressão se transforma em névoa, e ao ser superaquecido pelo evaporador entra em estado de vapor. Diferente da TXV e da VET, este dispositivo não garante o superaquecimento do gás que retorna ao compressor, já que não há regulação do fluxo na entrada do evaporador, por isso sua semelhança com o tubo capilar. Como o orifício graduado é aplicado em sistemas de refrigeração mais 'parrudos', necessita-se neste caso, a utilização de um acumulador de sucção como proteção do compressor contra possíveis golpes de líquido.
É neste acumulador que ocorre uma parte do controle do fluxo de fluido refrigerante no sistema, pois quanto menos calor dentro do habitáculo, menos calor no acumulador, e o fluido refrigerante dentro dele diminui a sua evaporação, mantendo o nível de líquido alto dentro do mesmo e, consequentemente, ficando baixa a pressão na entrada do compressor, que automaticamente diminui fluxo de refrigerante e pressão.
Quando a carga térmica dentro do habitáculo estiver alta, o superaquecimento do refrigerante é alto, sendo assim no acumulador encontraremos uma temperatura favorável de evaporação para o líquido refrigerante, mantendo ele com nível baixo e com uma pressão mais alta, elevando o rendimento do compressor.
A substituição do tubo de expansão normalmente é fácil, pois ele fica localizado dentro da tubulação, próximo da entrada do evaporador. Além do mais, deve-se respeitar a cor deste tubo quando for substituir, pois cada um deles tem uma calibração diferente do orifício fixo.
Imagem 13 - Note que não há componentes internos, é como se fosse um tubo capilar: sem qualquer regulagem dinâmica
O acumulador, que está entre a saída do evaporador e a entrada do compressor também possui um filtro secador integrado. Quando o ar condicionado incorpora uma válvula TXV ou VET, há apenas um filtro secador posicionado entre a unidade condensadora e a unidade evaporadora, ou então integrado ao condensador, como é comum em automóveis atuais.
Na imagem abaixo, vemos a região do tubo onde fica o orifício graduado e o acumulador / filtro secador:
Imagem 14 - O tubo graduado nem sempre fica próximo do evaporador. Aqui ele se situa debaixo do farol dianteiro direito. Se trata de um Ford Focus MK 1.5 fabricado em 2006
Na imagem acima, temos:
-> 1. Acumulador / Filtro secador, posicionado antes do compressor;
-> 2. Região do tubo onde se encontra o orifício graduado. Perceba a emenda do tubo. Após esta região, o gás liquefeito se expande, absorvendo calor e vaporizando novamente;
-> 3. Pressostato posicionado na saída do condensador, antes do orifício graduado, ou seja, monitora a região de alta pressão do circuito de refrigeração. A saída do evaporador possui um pressostato monitorando a baixa pressão.
Várias informações complementares ao que já foi visto até aqui são apresentadas na sequência.
Mas como identificar?
De acordo com um acordo internacional, os refrigerantes são representados pela letra R (como em Refrigerantes) seguida por um número de dois ou três dígitos e, em alguns casos, uma ou duas letras. A designação Rxyz é determinada pela composição química da molécula, conforme descrito abaixo.
As séries do metano, etano e propano
Aqui, o "x" dá o número de átomos de carbono na fórmula química, menos um.
-> x = 0: É a série do metano, mas o 0 é ignorado para esses compostos. Exemplos são R12 e R22.
-> x = 1: São os membros da série do etano, como R114, R124 e R134a.
-> x = 2: É a série do propano, por exemplo, R290.
Para estes grupos, "y" descreve o número de átomos de hidrogénio mais um, e "z" descreve o número de átomos de flúor.
Misturas zeotrópicas e azeotrópicas
-> x = 4 refere-se a misturas zeotrópicas. Os componentes da mistura têm pontos de ebulição diferentes e, portanto, a mistura refrigerante apresenta um deslizamento de temperatura. R407A e R407C são exemplos de tais refrigerantes;
-> x = 5 refere-se a misturas azeotrópicas. Estes agem como substâncias homogêneas com um ponto de ebulição específico e, portanto, não deslizam. R502 e R507 são exemplos de misturas azeotrópicas.
Aqui, "y" e "z" são números ordinais.
Altos compostos orgânicos
-> x = 6 significa que a composição é orgânica, por exemplo, butano, R600, e isobuteno, R600a. Este grupo possui vários subgrupos, por exemplo, Hidrocarbonetos, compostos de Oxigênio, compostos Sulfúricos e compostos de Nitrogênio.
Os subgrupos receberam diferentes séries numéricas dentro do grupo principal, então "y" e "z" descrevem o subgrupo e a ordem dentro do subgrupo.
Compostos inorgânicos
-> x = 7 refere-se a compostos inorgânicos, como amônia, R717, água, R718 e R744 (Dióxido de Carbono).
Neste grupo, "y" e "z" são a massa molar.
Compostos orgânicos insaturados
-> x = 11 significa compostos de etano insaturados, como R1150 (etileno).
-> x = 12 significa compostos de propano insaturados, como R1270 (propileno).
Os "y" e "z" são iguais aos das séries do etano e do propano.
Pra finalizar o tópico, a última letra, se houver, no número de designação significa coisas diferentes:
-> Letras minúsculas descrevem a estrutura da molécula. Por exemplo, R600 é butano e R600a é isobutano. Esses dois compostos têm a mesma fórmula química, mas arranjos espaciais diferentes e, portanto, possuem propriedades ligeiramente diferentes.
-> Letras maiúsculas descrevem proporções específicas de mistura de diferentes componentes. Por exemplo, R407 AE são misturas dos refrigerantes R32 (20%), R125 (40%) e R134a (40%), enquanto o R407C consiste em R32 (23%), R125 (25%) e R134a (52%).
Devemos lembrar da inflamabilidade e da toxidade dos gases supracitados, que podem tornar até as resinas em que são aplicados como agentes espumantes mais inflamáveis ainda!
À medida que o PAG é reduzido, a estabilidade também é reduzida e, portanto, os refrigerantes tornam-se inflamáveis. Muitos dos novos fluidos refrigerantes de baixo PAG são “levemente inflamáveis” ou “2L”, conforme classificado pela ISO 817 e ANSI/ASHRAE Standard 34 (ISO 2014, ASHRAE 2008). Estes fluidos são definidos como refrigerantes que têm velocidade de propagação de chama inferior a 10 cm/s e calor de combustão inferior a 19.000 kJ/kg. Portanto, embora a classe A2L seja inflamável, as substâncias dessa classe são mais difíceis de inflamar e, caso potenciais eventos de queima ocorram, são menos severos do que os refrigerantes classe 2 ou classe 3, conforme a próxima tabela.
Além de baixa velocidade de queima e baixo calor de combustão, esses refrigerantes exibem alta energia mínima de ignição (MIE), o que implica na dificuldade de inflamar. Os valores MIE típicos para refrigerantes de 2L são de duas a quatro ordens de grandeza maiores que os mesmos valores para refrigerantes da classe 3. Atualmente, tanto HFOs puros como R-1234yf e R-1234zd são classificados como A2L, bem como algumas misturas de baixíssimo PAG como R-454C, R-455A e R-454B.
Tabela 6 - Exemplo de como os gases propelentes podem ser inflamáveis e tóxicos
Azeotrópicos e não azeotrópicos
Os refrigerantes não azeotrópicos são misturas de dois ou mais tipos de fluidos refrigerantes em que os componentes têm diferentes temperaturas de saturação no mesmo nível de pressão. Quando um refrigerante não azeotrópico entra em um condensador, o componente menos volátil condensa primeiro. À medida que a concentração desse refrigerante pouco volátil diminui, a temperatura da mistura refrigerante restante também diminui, aproximando-se da temperatura de saturação do segundo refrigerante menos volátil e assim por diante.
Em um condensador operando com refrigerantes não azeotrópicos, existem três temperaturas de interesse especial: o ponto de orvalho (a temperatura de condensação mais alta, isto é, todo o líquido evaporou e o superaquecimento começa), a temperatura média de condensação e o ponto de bolha (a temperatura - relacionada à pressão - em que a ebulição começa), que é alcançado pouco antes de todo o refrigerante se tornar liquefeito. Estas temperaturas e o ponto médio são variáveis importantes para o dimensionamento adequado de sistemas que utilizarão misturas. Muitas vezes as misturas de HFOs são ligeiramente rebaixadas pelo fato de terem o glide, que precisa ser levado em consideração durante o projeto do sistema. Entretanto, lidar com isso não é algo novo para projetistas, uma vez que soluções como R-407C, já difundidas, possuem glide comparável ao de misturas como R-448A e R-449A. Substâncias puras, ou misturas azeotrópicas independente da classe em que se enquadram, não apresentam glide, o que facilita sua aplicação.
CURIOSIDADE: Glide é o "deslizamento", isto é, a diferença nos pontos de ebulição e condensação dos diferentes gases da mistura.
Tanto os HFOs puros, quanto as misturas de HFOs, apresentam compatibilidade química diferente da compatibilidade química dos HFCs de forma isolada. HFOs puros são mais sensíveis à presença de umidade no sistema, além de serem somente compatíveis com lubrificantes do tipo POE e PAG. Entretanto, o efeito da presença limitada a baixas concentrações de HFOs em misturas com HFCs, como as da classe não inflamável, interfere pouco em sua compatibilidade com os componentes internos do sistema. É por isso que hoje já encontramos a maior parte de componentes e dispositivos de refrigeração homologados para uso com misturas da classe não inflamável de HFOs e, assim, tais misturas podem ser aplicadas em retrofits que considerem somente a substituição do lubrificante e do fluido refrigerante. Entretanto, não somente pela questão de inflamabilidade, mas também devido a compatibilidade química, a indústria vem pouco a pouco desenvolendo uma gama para a aplicação com HFOs puros e misturas de HFOs da classe levemente inflamável (A2L). Isso, pois, não somente o design, mas também a compatiblidade interna de dispositivos e componentes, precisa ser assegurada.
CURIOSIDADE: Existe a tendência em se pensar que o menor PAG possível oferecerá a melhor eficiência possível, entretanto, nem sempre essa correlação é verdadeira. HFOs puros apresentam curva termodinâmica distinta das misturas de HFO e, portanto, são fluidos que apresentam relação entre pressão e temperatura, densidade e entalpias não equivalentes para um mesmo ponto. Assim, o deslocamento volumétrico requerido para entregar a mesma capacidade poderá variar, o que indica diferentes aplicações para cada um dos produtos.
Ligando este tópico com o próximo, observe o seguinte trecho de um datasheet da Linde Portugal:
Complemento 3 - Note que as diferenças entre CFCs e HFCs não permite os misturar, entretanto, há retrocompatibilidade
Óleo lubrificante no gás refrigerante
O óleo mineral é o lubrificante do compressor usado com CFCs e HCFCs.
Devido às diferentes propriedades dos HFCs, o óleo mineral não pode ser combinado com ele. O oposto se confirma, isto é, óleos sintéticos podem ser aplicados em sistemas com CFC ou HCFC, como vemos na seguinte imagem:
Imagem 15 - Um compressor Tecumseh numa geladeira Prosdócimo / Electrolux datada de 1996
Por algum tempo, a Tecumseh utilizou óleo sintético à base de hidrocarbonetos aromáticos alquilados, tal qual alquilbenzeno, misturado ao gás R12 (CFC) para o funcionamento de seus compressores herméticos. Veja abaixo a FISPQ de um fluído sintético alquilato:
Tal óleo pode ser aplicado em fluidos CFC, HCFC (R12, R22, R502, R401a, R401b, R403a, R403b, R408a, R409a, R409b e R407), bem como o famoso HFC R134a.
Pouco se houve falar de alquilatos em refrigeração doméstica atualmente, e isto provavelmente se deve ao fato de que compostos benzênicos são considerados cancerígenos.
Por exemplo, a miscibilidade e a solubilidade do HFC e do óleo mineral diferem daquelas do óleo mineral e dos CFCs ou HCFCs. Se HFCs e óleos minerais fossem usados juntos, tanto o retorno do óleo ao compressor quanto a transferência de calor no evaporador e no condensador seriam prejudicados.
Para alcançar uma miscibilidade aceitável entre o refrigerante e o lubrificante, óleos poliolester (POEs) são normalmente usados com HFCs. Éteres polivinílicos também estão sendo introduzidos em algumas aplicações. Em sistemas de ar condicionado automotivo, o poliglicol (PAG) é usado pela maioria dos fabricantes, mas alguns fabricantes recomendam POE para retrofits.
Os POEs são muito higroscópicos e, portanto, absorverão água se tiverem oportunidade. Independente do lubrificante aplicado, se 'entrar' muita umidade no óleo, existe o risco de formação de ácido, que pode atacar os componentes do sistema. Os óleos poliolester usados com as novas alternativas de refrigerante também parecem ter um efeito de limpeza, e isso poderia levar a um possível problema em sistemas convertidos (retrofitados). Os depósitos dissolvem-se e acumulam-se na válvula de expansão, com o consequente bloqueio do fluxo de refrigerante. A instalação de um filtro secador adequado e eficiente na linha de líquido pode evitar tanto a umidade quanto impurezas sólidas.
Ao converter um sistema existente para HFCs, o óleo mineral é removido e substituído por óleo poliolester. Se sobrar muito óleo mineral no sistema após a conversão, ele poderá se depositar no evaporador e prejudicar a transferência de calor em ebulição.
Uma mistura refrigerante consiste em dois ou mais componentes. A extensão em que estes se dissolvem no óleo do compressor varia de acordo com os diferentes componentes. Em sistemas onde a carga de refrigerante é pequena em comparação com o volume de óleo, esta diferença na solubilidade pode causar problemas. Por exemplo, se uma mistura tiver uma pequena percentagem de um componente que se dissolve mais facilmente no óleo do que os outros componentes, isso influenciará as propriedades físicas e, portanto, o desempenho do sistema.
Lembre-se dos aerossóis de desengripante e de graxa de Lítio. O propelente e o óleo mineral (ou óleo de Lítio) liquefeitos se misturam no frasco e são liberados juntos ao pressionar a válvula de expansão.
Esta publicação tem como função unir vários conteúdos sobre física e química publicados no blog. A finalidade geral é mostrar como tudo está interligado. Perceba:
-> No primeiro capítulo da série sobre Polímeros e Elastômeros, os Hidrocarbonetos são listados como compostos orgânicos. Eles são derivados do petróleo, e ao serem processados podem dar origem tanto à polímeros (como é o caso do PoliTetraFluorEtileno), borrachas (como é o caso do Polibutileno), à óleos lubrificantes sintéticos aromáticos ou naftênicos, quanto à gases aplicados em refrigeração, isolamento térmico e propulsão.
-> Apesar da origem ser a mesma, óleos lubrificantes minerais (derivados do petróleo) apenas 'combinam' com gases CFC e HCFC. Somente óleos lubrificantes sintéticos - sejam eles alquilatos, polioésteres ou poliglicóis - são compatíveis com praticamente todos os tipos de gases refrigerantes.
-> Apesar de gases não serem os melhores condutores de calor, quando aplicados num sistema de refrigeração, se tornam protagonistas da troca de calor, todavia, quando aplicados em polímeros acabam reforçando ainda mais a propriedade de isolamento térmico do material, e isso vimos no Capítulo 1, sobre termostática e termodinâmica.
Caso tenha ficado algum "ponto solto", alguma discordância, erros de digitação e caso esteja faltando alguma coisa, ou você queira trazer sugestões ao blog, entre em contato pelo hardwarecentrallr@gmail.com.
FONTES e CRÉDITOS:
Texto: Leonardo Ritter.
Imagens, gráficos e desenhos: Leonardo Ritter; Google Imagens.
Fontes: Mundo Educação; Brasil Escola; Embraco / NIDEC; Manual do freezer Electrolux H210; site jesuegraciliano.wordpress.com; site Oficina Brasil; site www.engenhariaearquitetura.com.br; site www.swep.net/refrigerant-handbook/glossary/; Google Patents; Datasheets de produtos da Linde e da Air Liquide; Wikipedia (somente artigos com fontes verificadas!).
Última atualização: 08 de Setembro de 2024.
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