aula 3 - refrigerantes

Tema 03: Fluidos

Universidade Federal Rural do Semi-ÁridoDepart. de Ciências Amb. e Tecnológicas

Engenharia Mecânica

Refrigerantes

Disciplina: Máquinas Térmicas I – Refrigeração e Ar Condicionado

Prof. Daut Couras

Universidade Federal Rural do Semi-ÁridoMáq. Térm. I – Refrig. e Ar-condicionado

1. Fluidos Refrigerantes • Veículos térmicos na realização dos ciclos de

refrigeração;• Inicialmente: NH3, CO2, CH3Cl;• Temperaturas de -75ºC: N2O, C2H6 e propano;

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• Temperaturas de -75ºC: N2O, C2H6 e propano;• CFCs: hidrocarbonetos à base de flúor e cloro. Não

inflamáveis, explosivos ou corrosivos; extremamenteestáveis e muito pouco tóxicos.

• 1974: detectados problemas com CFCs. Compostosclorados poderiam migrar para a estratosfera edestruir moléculas de ozônio. Maiores responsáveispelo aparecimento do buraco na camada de ozônio.


1. Fluidos Refrigerantes • CFC – são moléculas formadas pelos elementos cloro,

flúor e carbono.(R11,R12,R502,etc.). Utilização: arcondicionado automotivo,refrigeraçãocomercial,refrigeração doméstica;

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comercial,refrigeração doméstica;• HCFC – alguns átomos de cloro são substituídos por

hidrogênio.(R22,R141b,etc.). Utilização: arcondicionado de janela, split, self, camârasfrigoríficas,etc.

• HFC – todos os átomos de cloro são substituídos porhidrogênio(R134a,R404a,R407C,etc.)


1. Fluidos Refrigerantes • Camada de ozônio: responsável pela filtragem dos

raios ultravioleta que, em quantidades elevadas, sãoprejudiciais ao meio ambiente e ser humano;

• Protocolo Montreal de 1986: determinou a substituição

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• Protocolo Montreal de 1986: determinou a substituiçãodos CFCs;

• Promoveu desenvolvimento de componentes eequipamentos eficientes;

• Surge a família dos hidroclorofluorcarbonetos(HCFCs) e refrigerantes naturais (CO2);

• Hidrofluorcarbonetos(HFCs): substituem a moléculade cloro por hidrogênio; não prejudiciais a camada deozônio;


1. Fluidos Refrigerantes • Uma molécula de R-12(CFC) apresenta uma vida útil

na atmosfera da ordem de 100anos;• CONAMA – RESOLUÇÃO 267 (14/09/2000): proibição

da utilização do CFC-11,CFC-12,além de outras

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da utilização do CFC-11,CFC-12,além de outrassubstâncias que agridem a camada de ozônio, eminstalações de ar condicionado central, instalaçõesfrigoríficas com compressores de potência unitáriasuperior a 100HP e em sistemas de ar condicionadoautomotivo;

• A partir de janeiro de 2001: proibido em refrigeradorese congeladores domésticos,e em todos os demaisequipamentos;


1. Fluidos Refrigerantes • As importações de CFC-12 sofreram as seguintes

reduções gradativas:• 2001 – 15%;• 2002 – 30%;

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• 2002 – 30%;• 2003 – 55%;• 2004 – 75%;• 2005 – 85%;• 2006 – 95%;• 2007 – 100%;

• As importações de CFC-11 com permissão do IBAMA.


1. Fluidos Refrigerantes • Datas previstas para a proibição dos CFC’s.

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1. Fluidos Refrigerantes • Efeito estufa:

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1. Fluidos Refrigerantes • Efeito estufa:

• A maioria dos compostos halogenados utilizadosem instalações frigoríficas, inclusive os substitutos,podem provocar o efeito estufa;

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podem provocar o efeito estufa;• Caracterização do nível de ação sobre a camada

de ozônio e do efeito estufa;• ODP(Ozone Depleting Potential): potencial

relativo ao R-11 de valor 1;• GWP(Global Warming Potential): potencial

relativo ao R-11 de valor 1.


2. Características dos Fluidos Refrigerantes

• Pressão de vaporização não muito baixa: evita

vácuo elevado no evaporador e um valor baixo da

eficiência volumétrica do compressor;

• Pressão de condensação não muito elevada:

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• Pressão de condensação não muito elevada:melhora o desempenho do compressor e favorece a

segurança da instalação;

• Calor latente de vaporização elevado: reduza vazão

necessária para uma dada capacidade de

refrigeração;



• Volume específico reduzido: especialmente na fase

vapor. Vazão em volume no compressor será

pequena e o tamanho da unidade de refrigeração será

menor;

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menor;

• COP elevado: custo de operação está relacionado;

• Condutibilidade térmica elevada: melhoria das

propriedades de transferência de calor;

• Baixa viscosidade na fase líquida e gasosa: perdas

de cargas serão menores;

• Não ser poluentes.


2. Características dos Fluidos Refrigerantes • Baixa constante dielétrica, grande resistência

elétrica e característica de não corrosão dosmateriais isolantes elétricos: especialmente

importantes para ciclos com compressores

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importantes para ciclos com compressores

herméticos;

• Estáveis e inertes: não reagir e nem corroer os

materiais metálicos da instalação;

• Não devem ser tóxicos ou estimulantes: riscos de

vazamentos;

• Não devem ser inflamáveis ou explosivos: risco de

incêndio ou explosão.


2. Características dos Fluidos Refrigerantes • Devem ser de detecção fácil qdo houver

vazamentos: principalmente em instalações de

grande porte para evitar a perda completa da carga

de refrigerante da instalação;

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de refrigerante da instalação;

• Devem ser de preços moderados e facilmentedisponíveis: associado ao seu preço. O custo

elevado torna o uso impraticável;

• Temperatura de fusão inferior a -40ºC etemperatura crítica superior a 80ºC: evitar

temperaturas próximas as faixas de operação;


2. Características dos Fluidos Refrigerantes • Conforme NIST(National Institute of Standards):

• Temperatura de fusão inferior a -40ºC etemperatura crítica superior a 80ºC: evitar


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• Pressão de saturação a 80ºC inferior a 50MPa:eliminação de fluidos excessivamente voláteis;

• 51 compostos: 15 hidrocarbonetos, 5 compostos

oxigenados(éteres e aldeídos,etc.), 5 compostos

nitrogenados(NH3,metilamina,etc.), 3 compostos

de enxofre(SO2,etc.), 19 hidrocarbonetos

hidrogenados (R21,R22,R11,etc.).


2. Características dos Fluidos Refrigerantes • Classificação geral:

• Hidrocarbonetos halogenados;• Misturas não azeotrópicas de hidrocarbonetos

halogenados;

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halogenados;• Misturas azeotrópicas de hidrocarbonetos

halogenados;• Compostos orgânicos;• Compostos inorgânicos.



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2. Características dos Fluidos Refrigerantes • Numeração de acordo com ASHRAE 34-1992:

• Máximo de 4 algarismos;• O 1º algarismo da direita indica o número de

átomos de flúor na molécula;

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átomos de flúor na molécula;• O 2º algarismo indica o número de hidrogênio mais

1;• O 3º algarismo indica o número de átomos de

carbono menos 1;• O 4º algarismo a partir da direita é utilizado para

designar compostos derivados de hidrocarbonetosnão saturados.



• Numeração de acordo com ASHRAE 34-1992:• O primeiro algarismo nulo a partir da esquerda, por

convenção, não é escrito(Ex: R12);• Os isômeros são designados pelos sufixos “a”, “b”,

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• Os isômeros são designados pelos sufixos “a”, “b”,“c”, etc. em ordem crescente de assimetriaespacial(Ex: R134a);• Isômeros: são compostos com a mesma

fórmula molecular, mas com arranjos atômicosdiferentes; portanto com propriedadesdiferentes.



• Misturas azeotrópicas e não azeotrópicas:• Azeótropo: mistura de duas ou mais substâncias que,

a uma certa composição, possui um ponto de ebuliçãoconstante e fixo, como se fosse uma substância pura,

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constante e fixo, como se fosse uma substância pura,não podendo, por isso, seus componentes seremseparados por processo de destilação simples.

• Não Azeótropo: não tem uma temperatura fixa devaporização e de condensação para cada pressão.Sua temperatura de início de condensação é diferenteda temperatura de início de vaporização, sendo queesta varia com a concentração.



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2. Características dos Fluidos Refrigerantes • Família dos hidrocarbonetos halogenados: moléculas com

átomos dos halogênios flúor, cloro e eventualmente bromo,além de carbono e hidrogênio. São compostos orgânicosobtidos pela substituição de pelo menos um átomo dehidrogênio de um hidrocarboneto por átomo de halogênio (por

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hidrogênio de um hidrocarboneto por átomo de halogênio (porisso, compostos derivados), reação essa, denominadahalogenação.• Hidrocarbonetos puros(CH);• Derivados de hidrocarbonetos completamente halogenados,

que não apresentam átomos de hidrogênios(CFCs);• Hidrocarbonetos parcialmente halogenados(HCFCs,HFcs).


3. Propriedades físicas • As pressões exercidas podem ser o fator determinante

na seleção do refrigerante;• Refrigerantes de baixa pressão podem ser

inadequados em aplicações de baixa temperatura deevaporação, devido a possibilidade de ocorrência de

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evaporação, devido a possibilidade de ocorrência depressões inferiores a atmosférica;

• Aplicações de baixas temperaturas de evaporação:R404a, R502 e R13;

• Temperatura de evaporação mais elevada(-20º a 0ºC):R12 e R134a;

• R404a substitui o R502 em aplicações comerciais debaixa T0 e o R134a(HFC) substitui o R12.


3. Propriedades físicas • As pressões exercidas por um refrigerante estão

associadas a sua pressão crítica;• Qto maior a sua pressão crítica, menos volátil é o

fluido;• Pressões críticas mais elevadas apresentam pontos

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• Pressões críticas mais elevadas apresentam pontosde fusão e ebulição normal superiores;

• As temperaturas T0 e TC constituem parâmetros quedeterminam o tipo de refrigerante adequado àinstalação;• Baixas T0 : baixas temperaturas críticas;• Altas T0 : elevadas temperaturas críticas.


3. Propriedades físicas

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4. Características de desempenho• O desempenho pode ser determinante em termos de

consumo de energia,tamanho do compressor entre outrosaspectos;

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5. Aspectos relacionados à segurança • A segurança na utilização e no manuseio de

refrigerantes está relacionada a 4 aspectos básicos:• Toxicidade;• Potencial cancerígeno;• Potencial mutagênico;

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• Potencial mutagênico;• Inflamabilidade.

• ASHRAE 34-92 classifica os refrigerantes de acordocom seu nível de toxicidade e inflamabilidade. Cadarefrigerante recebe uma designação composta por doiscaracteres alfa numéricos.


5. Aspectos relacionados à segurança

• Dependendo do grau de toxicidade para concentraçõesabaixo de 400ppm, os compostos são classificados emdois grupos:

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dois grupos:• Classe A – Compostos cuja toxicidade não foi

identificada;• Classe B – Foram identificadas evidências de

toxicidade;



• Quanto ao nível de flamabilidade os refrigerantes sãoclassificados em três grupos:• Classe 1 – Não se observa propagação de chama

em ar a 18ºC e 101,325kPa;

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em ar a 18ºC e 101,325kPa;• Classe 2 – Limite inferior de inflamabilidade(LII)

superior a 0,10kg/m³ a 21ºC e 101,325kPa, PoderCalorífico inferior a 19.000kj/kg;

• Classe 3 – Inflamabilidade elevada, caracterizando-se por LII inferior ou igual a 0,10kg/m³ a 21ºC e101,325kPa, Poder Calorífico superior a19.000kJ/kg.



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• Recomenda-se o manuseio cuidadoso de todosfluídos refrigerantes, pois mesmo os halogenados,que são considerados os mais seguros, podem serperigosos em altas concentrações.


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perigosos em altas concentrações.• No caso dos hidrocarbonetos, por serem

combustíveis, recomenda-se seu uso em instalaçõespreparadas para evitar chamas e faíscas. Entre osrefrigerantes industriais, a amônia é o mais tóxico,apresentando limites de inflamabilidade intermediáriosentre os halogenados e os hidrocarbonetos.


• O refrigerante entra em contato com diversosmateriais(metais,plásticos,elastômeros,vernizes e opróprio óleo de lubrificação é importante que ele sejaestável e inerte de modo a não causar problemas decorrosão, expansão, entre outros.

6. Compatibilidade com materiais

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corrosão, expansão, entre outros.• Refrigerantes halogenados podem ser usados com a

maioria dos metais mais comuns,como aço,ferrofundido,latão,cobre,etc. Não é recomendável o uso demagnésio,zinco e ligas de alumínio com mais de 2%de magnésio;

• Amônia não utilizar com Cu, Latão ou outras ligas deCu.


• Elastômeros à base de neoprene tem seu volumesignificativamente aumentado na presença dos HFCs;

6. Compatibilidade com materiais

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significativamente aumentado na presença dos HFCs;

• Recomendável realizar um teste de compatibilidadeentre o plástico e o refrigerante antes do uso.


• A umidade poderá combinar em vários graus com a maioriados refrigerantes comumente usados,causando a formação decompostos altamente corrosivos(usualmente ácidos) quereagirão com óleo lubrificante e com outros materiais nossistema,incluindo metais.

7. Efeito da Umidade

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sistema,incluindo metais.

• Consequencias: danos para válvulas, vedações, mancais,paredes do cilindro, etc.; Causar deterioração do óleolubrificante; Entupir válvulas e passagens de óleo, arranharsuperfícies de bronze; Corrosão causa falha da válvula docompressor e avaria no isolamento do enrolamento do motor;


• Não é possível um sistema de refrigeração totalmente livre deumidade;

• O nível de umidade mínima depende da natureza dorefrigerante, da qualidade do óleo lubrificante, e dastemperaturas de operação do sistema(principal: descarga do


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temperaturas de operação do sistema(principal: descarga docompressor);

• A umidade pode existir como água livre ou em solução com orefrigerante;

• Água livre: pode congelar no orifício da válvula deexpansão(refrigeração intermitente);

• Os congelamentos são quase sempre uma indicação de que oteor de umidade do sistema está acima do nível mínimo queproduzirá corrosão;


• A ausência de congelamento não pode ser considerada comoevidência de que a umidade está a baixo do nível;

• Sistemas de alta temperatura são mais sujeitos a corrosão:qtde de umidade que passa despercebida por tempos maiores;

• Sistemas de baixa temperatura a corrosão é mínima;


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• Sistemas de baixa temperatura a corrosão é mínima;• Os vários refrigerantes diferem muito quanto a umidade;

• Hidrocarbonos: absorvem pouca ou quase nenhumaunidade;

• Amônia: possui afinidade com a água e portanto é capaz deabsorver umidade em qtdes tão grandes que a água livre éraramente encontrada. A combinação água-amônia produzum alcalino forte(água amoníaca) que ataca metais nãoferrosos;


• Refrigerantes halocarbonados: hidrolisam levemente e,portanto, formam qtdes pequenas de ácidos ou outros


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compostos corrosivos. Não ocorrerá corrosão desde que onível de umidade seja controlada, óleo de lubrificação sejade alta qualidade e as temperaturas de descargarazoavelmente baixa;


• Óleo requerido para lubrificação do compressor é contido nacaixa da manivela onde está sujeito ao contato com orefrigerante;

• Refrigerante deve ser química e fisicamente estável napresença do óleo;

8. Relação Refrigerante-Óleo

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presença do óleo;• Dióxido de enxofre e halocarbonos reagem em larga escala;• Sob condições normais a maioria reagem suavemente com

pequenas consequencias. Desde que seja um óleo de altaqualidade e o sistema esteja realmente limpo;

• Os contaminadores (ar e umidade) ocasionam reações com orefrigerante e o óleo que pode provocar decomposição do óleo,formação de ácidos corrosivos. As temperaturas de descargasaceleram este processo;


• Óleos com concentração alta de hidrocarbonetos nãosaturados favorecem depósitos de carbonáceos sobre aválvula de descarga e pistões e no cabeçote do compressor elinha de descarga;

• R-22: temperatura de descarga alta ocasiona na falha do óleo,

8. Relação Refrigerante-Óleo

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• R-22: temperatura de descarga alta ocasiona na falha do óleo,combustão das bobinas do motor é um problema comum comunidades herméticas;

• Halocarbonos: causam cobreagem nas tampas, pistões,paredes do cilindro, superfícies de apoio e válvulas. Umidade emá qualidade de óleos favorecem;

• Cobre não é usada com amônia.


• Influencia no projeto do compressor, tubulação de refrigerante,etc.;

• Pode diluir o óleo na caixa de manivelas e reduzir aviscosidade, alterando as qualidades de lubrificação. Usar óleocom viscosidade inicial mais alta;

9. Miscibilidade do Óleo

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com viscosidade inicial mais alta;• Três grupos:

• Miscíveis com óleo em todas as proporções sob condiçõesencontradas no sistema;

• Miscíveis sob condições normalmente encontradas naseção da condensação, mas separados do óleo sob ascondições normalmente encontradas na seção doevaporador;

• Não são de qqr modo miscíveis com óleo;


• O óleo tende a aderir e a formar uma película sobre asuperfície dos tubos do condensador e evaporador;

• Com pequenas exceções o refrigerante entrará em contatocom óleo do compressor é necessário fazer a separação nadescarga do compressor;

9. Miscibilidade do Óleo

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descarga do compressor;• Qdo o fluido e o óleo são miscíveis necessita de um bom

projeto na tubulação de sucção do compressor;• Instalação de um separador de óleo ou sifão na linha de

descarga entre o compressor e o condensador em qqr sistemaonde o retorno de óleo é inadequado e/ou onde a qtde de óleoem circulação é excessiva. Especialmente para o caso defluidos refrigerantes não-miscíveis;

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