09-Fluidos Refrigerantes

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Prof. Osvaldo J. Venturini – IEM/UNIFEI
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Fluidos Refrigerantes
Breve Histórico dos Refrigerantes – Início do Uso
1834: Refrigeração por compressão de vapor utilizando de éter etílico
1880- 1920: amônia, ácido sulfúrico, dióxido de carbono e propano
1930-1940: CFCs (R-12, R-11, R-114, R-113)
1950s: HCFCs (R-22, R-502)
1974: Teoria da destruição do Ozônio (Molina e Rowland)
1987: Protocolo de Montreal (início da substituição de CFCs e HCFCs)
1992: Convenção do Clima (UNFCC)
1997: Protocolo de Kyoto (redução das emissões de HFCs, PFCs, CO2,
SF6 , N2O, CH4)
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Fluidos Refrigerantes
Linha de tempo apresentando o desenvolvimento dos refrigerantes
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Fluidos Refrigerantes
• Hidrocarbonetos
• Hidrocarbonetos halogenados;
• Compostos inorgânicos;
• Misturas não azeotrópicas de
hidrocarbonetos halogenados;
• Misturas azeotrópicas de
hidrocarbonetos halogenados;
• Hidrofluorolefinas;
Podem ser classificados nas seguintes categorias:
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Fluidos Refrigerantes
Hidrocarbonetos halogenados
Os refrigerantes da família dos hidrocarbonetos halogenados se caracterizam
por possuírem átomos de flúor, cloro e eventualmente bromo
Assim, estes fluidos refrigerantes podem ser classificados em três grupos:
• Os derivados de hidrocarbonetos completamente halogenados, que não
apresentam nenhum átomo de hidrogênio, como os CFCs (com átomos de
cloro e flúor na moléculas).
• Hidrocarbonetos parcialmente halogenados, incluindo os HCFCs (com átomos
de hidrogênio, cloro e flúor na molécula).
• Hidrocarbonetos puros, CmHn.
Hidrocarbonetos puros
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Compostos Inorgânicos: Grupo ao qual correspondem os fluidos utilizados
desde os inicios da refrigeração por compressão mecânica do vapor.
Estes compostos são designados com o no 700 + peso molecular.
Desse grupo destacam-se a amônia NH3 (R-717) e o dióxido de carbono
CO2 (R-744), etc...
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Misturas Azeotrópicas: misturas de substâncias que não pode ser separada
em seus componentes por destilação.
Um azeótropo evapora e condensa como uma substância simples com
propriedades diferentes das de cada um de seus constituintes
Misturas Não Azeotrópicos: misturas que se comportam como uma mistura
binária, a concentração da fase vapor é distinta da fase líquido quando ambas
ocorrem em equilíbrio, a uma dada pressão e temperatura.
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T<T2 
 T>T2 
1 
2 
3 
4 
5 
6 
T 
Concentração 
Linha de 
condensação 
Linha de 
vaporização 
Vapor 
Superaquecido 
0 1 
T 
Concentração 0 1 
Condição 
azeotrópica 
Misturas Azeotrópicas e Não-Azeotrópicas
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Não-Azeotrópica Azeotrópica 
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Misturas Azeotrópicas
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Geralmente o ponto de ebulição resultante de uma mistura azeotrópica, é menor
ou igual ao do componente com o mais baixo ponto de ebulição.
Em sistemas com evaporador tipo "seco" ou de expansão direta, a mistura
completa se evapora antes de sair do evaporador.
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Vantagens Misturas Não Azeotrópicas
Fluidos Refrigerantes
• Maior disponibilidade (aumento da possibilidade de se encontrar fluidos
refrigerantes alternativos adequados para a substituição daqueles que estão
sendo eliminados).
• Permitir a otimização do desempenho através da variação da temperatura de
saturação e da diferença de composição das fases liquidas e vapor durante o
processo de mudança de fase.
• Pode levar a uma redução no diferencial de temperatura do ciclo, o que reduz
o trabalho de compressão para uma dada capacidade de refrigeração.
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Desvantagens Misturas Não Azeotrópicas
Fluidos Refrigerantes
• Durante o processo de carga do equipamento de refrigeração, ou numa
eventualidade de vazamento, a variação da composição pode reduzir o
desempenho do equipamento ou então tornar a mistura inflamável.
• Existe uma degradação da transferência de calor durante o processo de
mudança de fase
• Resistência adicional à transferência de massa no processo de
condensação, devido ao acumulo do componente mais volátil na interface
liquido-vapor, reduzindo os coeficientes de transferência de calor e massa
• “Glide” pode gerar desequilíbrio de carga no evaporador
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Designação e classificação (ASHRAE 34) 
• CFC (Clorofluorcarbonos)
• HCFC (Hidroclorofluorcarbonos)
• HFC (Hidrofluorcarbonos)
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Designação segundo a norma ASHRAE 34
(C-1) (H+1) (F)
Número de átomos de flúor 
Número de átomos de hidrogênio mais 1 
Número de átomos de carbono menos 1 
Compostos derivados de hidrocarbonetos não saturados
(nº de ligações insaturadas)
Hidrocarbonetos halogenados e outros
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(C-1) (H+1) (F)
Nº de átomos de flúor 
Nº de átomos de hidrogênio mais 1 
Nº de átomos de carbono menos 1 
Compostos derivados de hidrocarbonetos não saturados
2 2C Cl FR12
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Designação segundo a norma ASHRAE 34-1992 
210-
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(C-1) (H+1) (F)
Nº de átomos de flúor 
Nº de átomos de hidrogênio mais 1 
Nº de átomos de carbono menos 1 
Compostos derivados de hidrocarbonetos não saturados
Fluidos Refrigerantes
Designação segundo a norma ASHRAE 34-1992 
431-R134a C2H2 F4
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Designação numérica dos Hidroflúorolefinas
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Hidrofluorolefina
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Hidrofluorolefina
• HFOs são ZERO ODP e
praticamente ZERO GWP,
contribuem de forma
sustentável para a proteção
do meio ambiente;
• HFOs são substâncias não
inflamáveis;
• Disponibilidade de produto
ainda é limitada;
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• Série 400: misturas não azeotrópicas
R407c, R410a, R-449a, R454c (potencial substituto amônia)
• Série 500: misturas azeotrópicas
R502, R507, etc
• Série 600: hidrocarbonetos (alguns). 
R600 (butano)
• Série 700: compostos inorgânicos.
R717 (amônia), R718 (água), R744 (CO2)
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Designação segundo a norma ASHRAE 34-1992
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Características desejáveis de um refrigerante
• Pressão de vaporização não muito baixa ou pressões acima da atmosférica
(em caso de vazamento o ar não entra no sistema);
• Pressão de condensação não muito elevada (para evitar equipamentos
robustos);
Temperaturas para
PO = 1 bar e PC = 23 bar
Pressão de condensação
(TC = 50 Celsius)
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Características desejáveis de um refrigerante 
• Calor latente de vaporização elevado;
• Volume específico reduzido (exceto compressores centrífugos
• Coeficiente de performance elevado;
• Temperatura de descarga não muito elevada;
TC = 40 Celsius
TO = -13 Celsius
Superaquecimento = 10 oC
Eficiência Isentrópica = 0,7
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Compatibilidade com materiais:
• Amônia: reage com cobre ou latão;
• Halogenados:
• Reagem com zinco e ligas de alumínio contento mais de 2% de magnésio.
• Atacam certas borrachas (Buna N, Buna S, Natural);
• Compatível com o óleo lubrificante do compressor
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Características desejáveis de um refrigerante 
• Condutividade térmica elevada;
• Baixa viscosidade na fase líquida e gasosa ;
• Não devem ser poluentes;
• Devem ser de detecção fácil quando houver vazamentos ;
• Devem ter preços moderados e ser facilmente disponíveis;
• Não devem ser tóxicos ou excessivamenteestimulantes;
• Não devem ser inflamáveis ou explosivos;
• Ter miscibilidade com óleo lubrificante (facilidade de retorno do óleo ao
compressor);
• Não deve atacar o óleo;
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Características desejáveis de um refrigerante 
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Classificação dos Refrigerantes Quanto ao Nível de Toxicidade e
Inflamabilidade (ASHRAE 34-2013)
• Toxicidade
• Classe A - Compostos cuja toxicidade não foi identificada
• Classe B - Foram identificadas evidências de toxicidade
• Flamabilidade
• Classe 1 – Não se observa propagação de chama em ar
• Classe 2 – Limite inferior de inflamabilidade (L.I.I.) superior a 0,10 kg/m3
(23 oC e 101,325 kPa).
Subclasse 2L: velocidade de chama < 0,1 m/s (23 oC e 101,325 kPa).
• Classe 3 – Inflamabilidade elevada. L.I.I. inferior ou igual a 0,10 kg/m3
(23 oC e 101,325 kPa).
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Fluidos Refrigerantes
Classificação dos Refrigerantes Quanto ao Nível de Toxicidade e Inflamabilidade 
(ASHRAE 34-2013)
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O uso de fluidos refrigerantes inflamáveis (A2 e A3) em equipamentos que
foram projetados para trabalhar apenas com substâncias não inflamáveis
(A1) pode levar a graves acidentes
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Fluidos Refrigerantes
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TWA (8 horas) Refrigerant Concentration Limit
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Destruição da Camada de Ozônio
• 1974, foram detectados problemas relacionados aos CFCs
• Compostos clorados migram para a estratosfera e destroem as moléculas de
ozônio
• Os CFCs são os maiores responsáveis pelo aparecimento do buraco na
camada de ozônio sobre a Antártica
• A camada de ozônio é responsável pela filtragem dos raios ultravioleta que, em
quantidades elevadas, são prejudiciais ao meio ambiente e ao ser humano:
• Doenças de pele (queimaduras, câncer, etc)
• Envelhecimento precoce, etc...
• https://cetesb.sp.gov.br/prozonesp/
• https://www.mma.gov.br/clima/protecao-da-camada-de-ozonio/acoes-brasileiras-para-protecao-da-
camada-de-ozonio/programa-brasileiro-de-eliminacao-dos-hcfcs-pbh
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Destruição da Camada de Ozônio
Fluidos Refrigerantes
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Fluidos Refrigerantes
Caracterização do nível de ação dos refrigerantes em relação a camada de
ozônio e ao efeito estufa
• Pot. de Destruição da Camada de Ozônio (Ozone Depleting Potential  ODP)
O potencial de destruição dessa camada que um determinado composto
apresenta em relação ao refrigerante R11, ao qual é atribuído o valor 1
• Pot. de Aquecimento Global (Global Warming Potential  GWP)
É relativo ao efeito estufa direto causado pelo refrigerante R11, ao qual é
atribuído arbitrariamente o valor 1
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Processo Natural
Formação do O3: 322 OOOOOUVO  (colisão)
Destruição do O3: 22323 OOOOOOUVO  (colisão)
Resultado Líquido: camada de ozônio
Destruição da Camada de Ozônio (ação dos CFC’s)
2
2
2
OO(colisão)
O(colisão)
OO(colisão)



ClCl
ClCl
ClClCl
3
3
O
OO
O...BAUVCFC
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Destruição da Camada de Ozônio
• Em 1987 o Protocolo de Montreal determinou a substituição dos CFCs
provocando uma verdadeira revolução na indústria frigorífica
• As importações de CFC-12 sofreram reduções gradativas em peso, da
seguinte forma (CONAMA – 2000):
- 15% em 2001 - 30% em 2002; - 55% em de 2003; 
- 75% em 2004; - 85% em de 2005; - 95% em 2006; 
- 100% em 2007.
• Há certa tendência de adoção da amônia em instalações industriais de
construção recente,
• Refrigerantes como CO2, têm sido cogitados pela comunidade científica e
industrial.
Substituindo o R134a na Europa
• O prob. da camada de ozônio tem se composto com o prob. do efeito estufa
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Destruição da Camada de Ozônio
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Destruição da Camada de Ozônio
Fluidos Refrigerantes
Programa Brasileiro de Eliminação de HCFCs (PBH)
https://www.mma.gov.br/clima/protecao-da-camada-de-ozonio/acoes-brasileiras-para-protecao-da-camada-de-
ozonio/programa-brasileiro-de-eliminacao-dos-hcfcs-pbh
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Retrofit de Refrigerante: o que é ???
• Retrofit de Refrigerantes é a tecnica de adequação de um equipamento de
refrigeração ou AC, originalmente projetado para utilização de um CFC ou
HCHC, para um fluido refrigerante ecologicamente correto.
• O retrofit é uma solução prática com adequado custo x benefício e
operacionalmente aceitável.
• Um ponto importante é não deixar o desempenho do equipamento de lado;
Algumas vantagens do Retrofit, são:
• Pode ser planejado;
• Adapta-se aos seus recursos financeiros;
• Pode ser feito em etapas;
• Pode reduzir consumo de energia;
• Reduz custos de operação;
• Reduz custos de manutenção;
• Adapta-se à legislação.
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O que é necessário para se fazer um Retrofit de Qualidade
• A performance dos novos refrigerantes deve ser bastante similar aos dos
refrigerantes que eles substituem;
• Fluido refrigerante deve trabalhar em uma faixa de pressão e temperatura,
onde a Temperatura de descarga não exceda à Temperatura limite de
descarga do compressor;
• As pressões máximas não devem ser maiores do que os limites atuais
aceitáveis no sistema (tubulações/compressores tem que suportar a pressão);
• Deve ser mantida a compatibilidade de materiais entre os novos refrigerantes
(elastômeros, vedações, o'rings etc), materiais de construção do compressor e
componentes do sistema (Cobre, Aço, Alumínio e etc);
• Deve-se também garantir a compatibilidade do fluido refrigerante com o óleo
lubrificante presente no sistema (Óleo Mineral, Poliol Ester, Alquil Benzeno);
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RETROFIT
• Equipamentos com mais de 20 anos: bons candidatos para substituição
• Estão próximos do final de sua vida útil.
• Equipamentos novos são muito mais eficientes do que equipamentos com
20 ou 30 anos (0,8 – 1,0 kW/ton para 0,50 - 0,60 kW/ton).
• Equipamentos com até 10 anos: bons candidatos para conversão (“retrofit”):
• Possuem mais da metade de sua vida útil.
• Projeto mais recente já incorpora melhorias para o aumento de eficiência.
• Equipamentos com 10 a 20 anos de uso.
• Decisões mais difíceis uma vez que os equipamentos aqui ainda possuem
vários anos de vida útil mas são de projeto mais antigo.
Obs.: proprietários e usuários devem levar em consideração os aspectos mais
amplos do problema, e efetuar uma análise detalhada
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Passo a passo para um Retrofit
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PARA CHILLERS - PARAFUSO
Atuais (2016) Em desenvolvimento