Novo R 290 

Propriedades termodinâmicas do R290

A maioria dos hidrocarbonetos tem características relativamente favoráveis enquanto refrigerantes, entretanto, seu elevado grau de inflamabilidade deve ser levado em consideração. O conhecimento adequado e o respeito às normas de segurança são pré-requisitos para a construção e operação dos sistemas de refrigeração ao lidar com esses refrigerantes pertencentes ao grupo A3 (não tóxicos, porém inflamáveis). 
Com o aumento das discussões ambientais, os sistemas com hidrocarbonetos têm ganhado relevância. Os HC’s não têm nenhum potencial de destruição da camada de ozônio (ODP), possuem insignificante potencial de aquecimento global (GWP) e têm ao mesmo tempo propriedades termodinâmicas muito favoráveis. Além disso, possuem boa compatibilidade com os materiais usuais e óleos lubrificantes, podendo ser aplicados com os compressores herméticos e semi-herméticos. Com todas essas características positivas, os HC’s são uma ótima alternativa aos refrigerantes livres de cloro (HFC’s). Embora os HFC’s não destruam a camada de ozônio, sua contribuição para o aquecimento global é significativa. Em comparação com os HFC’s, a inflamabilidade dos HC’s é, de fato, a principal desvantagem. É necessário uma atenção especial às normas de segurança, começando pelo projeto, construção e operação o que termina por limitar sua aplicação.

Características do R290

As propriedades físicas e químicas do R290 são:

- Substância natural, livre de halogêneos, zero potencial de destruição da camada de ozônio e desprezível potencial de aquecimento global (GWP = 3).

- Baixa toxidade (Limite de Exposição Aceitável - AEL = 1000 ppm).

- Explosivo: limites de ignição entre 1,7 e 10,9 % do volume no ar. As normas de segurança devem ser observadas.

- O R290 não é crítico quando em contato com metais e elastômeros usuais. O Zinco e as ligas com porções de magnésio acima de 2% devem ser evitadas.

- O R290 tem uma solubilidade extraordinariamente elevada com os lubrificantes convencionais e óleos éster. Esta característica é naturalmente desejável para a circulação do óleo no sistema. Entretanto, pode resultar em uma diminuição considerável da viscosidade do óleo no compressor, principalmente com a baixa temperatura do óleo e elevada pressão de sucção. Além disso, há um efeito forte de desgaseificação no cárter e espaços de lubrificação que é, entre outras coisas, devido à enorme mudança de volume com a evaporação do R290. Isto resulta em grande arraste do óleo (espumação), reduzindo seu rendimento e acarretando num desgaste maior das partes móveis.

Medidas necessárias:

- Necessidade de viscosidade básica mais elevada do óleo, por exemplo, VG 68 para aplicações de A/C. O óleo Polialfaolifina (SHC226E) é recomendado para MT (capacidade de refrigeração para média temperatura) e LT (capacidade de refrigeração para baixa temperatura), pois tem menor solubilidade, menor pressão de vapor e viscosidade uniforme sobre a temperatura.

- Carga mínima de refrigerante.

- Resistência do cárter generosamente dimensionada.

- Sob o risco de elevada pressão de sucção, durante o ciclo de parada, é preciso realizar o recolhimento do refrigerante.

- Suficiente superaquecimento na sucção (deverá ficar > 20K), preferivelmente com um trocador de calor (linha sucção / linha líquido).

- Segurança contra “operação úmida” durante a partida e operação (válvula da expansão com controle estável e, se possível, usar acumulador de sucção).

Como os hidrocarbonetos são bons solventes para sedimentar a graxa e o óleo na tubulação, grandes quantidades de contaminantes podem ser removidas , retornando ao compressor e aos controles.

Algumas medidas são necessárias:

- Limpeza máxima – a tubulação e os componentes devem ficar completamente limpos, a soldagem deve ser realizada com um gás de proteção.

- Seguir a norma DIN 8964 ou normas compatíveis, nos procedimentos de limpeza.

- Para grandes sistemas usar filtro na sucção para limpeza, juntamente com tubulação de aço.

Níveis da pressão e os valores de capacidade de refrigeração volumétrica do R290 são similares ao R22

O R290, com alto nível de pureza, não contém nenhum elemento com tendência a formação de ácido e, consequentemente, é menos crítico em relação às reações químicas. Entretanto, o alto índice de umidade deve ser evitado, do contrário existe o perigo de ocorrer cristalização. Com alta pressão e baixa temperatura a hidratação do gás também pode ocorrer na fase líquida. líquido. Evitar, o quanto possível, qualquer mistura de aditivo no refrigerante e a presença de gases inertes.

As medidas necessárias para a prevenção de tais problemas são:

- Usar o propano com qualidade “2.5” ou compatível.

- Instalar filtro secador generosamente dimensionado e com projeto e dimensões de acordo com as instruções dos fabricantes.

- Instalar visor de líquido com indicador de umidade que forneça uma indicação definida do estado de “desidratação” do R290 (< 50 ppm).

- Para testar vazamentos com alta pressão, usar preferencialmente o nitrogênio seco. Se for utilizar ar seco, o compressor deve ser isolado durante este procedimento (as válvulas de serviço deverão permanecer fechadas).

- Usar bomba de vácuo de duplo estágio (é necessário 1,5 mbar de vácuo mínimo) e com grandes conexões de acesso.

- Manter as válvulas de serviço do compressor fechadas até o último processo de evacuação.

Propriedades termodinâmicas do R290

O R290 tem propriedades termodinâmicas favoráveis e requer menor energia de compressão como nas tabelas 1 e 2.

Os níveis da pressão e os valores de capacidade de refrigeração volumétrica são similares ao R22. Entretanto, há uma grande diferença na entalpia, densidade, fluxo de massa e no exponente isoentrópico de compressão (temperaturas de operação), como:

- Elevada entalpia de evaporação (-10/40°C, aproximadamente 1,7 vezes maior do que R22).

- Baixo fluxo de massa do refrigerante (aproximadamente 55 a 60% em comparação ao R22).

- Menor densidade do líquido e vapor (baseados nas taxas de fluxo) causam baixas perdas de carga na tubulação e trocadores de calor.

- Bons valores de transferência térmica, entre outras coisas, devido à ebulição intensiva e boa solubilidade com o óleo (fina película de óleo).

- Baixíssima temperatura do gás de descarga e do óleo (exponente isentrópico de compressão do R290 = 1,14 / R22 = 1,18), o que acaba causando o risco de uma elevada diluição do óleo no refrigerante, com baixo superaquecimento do gás de sucção e/ou operação com baixas taxas de compressão.

- Elevada entalpia de superaquecimento em relação à mudança de volume (com o aumento do superaquecimento a capacidade volumétrica de refrigeração também aumenta).

O uso de compressores semi-herméticos com R290 nos sistemas fechados está sujeito às normas de proteção contra explosão para zona de perigo 2

Recomendação de projeto e segurança

- Dimensões da linha de líquido idênticas às do R22 (maior fluxo de volume do líquido, porém com menor perda de carga, como na Tabela 3).

- Potencial para uma mínima carga de refrigerante (aproximadamente 40 a 60% da carga do R22), com possibilidade de redução dos diâmetros das linhas de sucção e descarga, bem como reduzidas seções transversais dos trocadores de calor.

- Necessidade de ajuste dos trocadores de calor, distribuição de líquido, comprimento de tubulação e dispositivo de expansão.

- Recomenda-se o uso de trocadores de calor entre a linha de líquido e sucção (aumento da capacidade, COP, redução da solubilidade do refrigerante no óleo através de temperaturas de operação mais elevadas).

Tecnologia dos compressores

O uso de compressores semi-herméticos com R290 nos sistemas fechados está sujeito às normas de proteção contra explosão para zona de perigo 2.

(Comentário: Para compressores abertos, as normas para zona 1 são normalmente empregadas. Isto requer equipamento de proteção individual e componentes elétricos à prova de explosão.)

Projeto técnico

Os compressores semi-herméticos podem ser fornecidos de acordo com requerimentos necessários. Comparados com os modelos standards, são necessários cuidados específicos, envolvendo o projeto elétrico e dispositivos de proteção e carga de óleo para compressores com motor versão “1”. Ao contrário dos compressores para refrigerantes não inflamáveis, a letra P é acrescentada na nomenclatura desses compressores.

Lubricantes

Em virtude da alta solubilidade do R290 nos lubrificantes tradicionais, os compressores com R290 são carregados com óleo Polialfaolifina (PAO) com menor solubilidade, menor pressão de vapor e viscosidade uniforme sobre a temperatura. Os óleos PAO (SHC226E) são standard para a versão “P“ dos compressores com HC’s. O uso de óleos equivalentes é possível, mas é necessário consultar o fabricante do compressor.
Com relação ao comportamento da solubilidade, requerimentos particulares são necessários para o projeto, operação e controle do compressor e do sistema. Recomenda-se um superaquecimento do gás de sucção mínimo de 20K com o óleo SHC226E.

Comportamento do rendimento

A capacidade frigorífica e o COP são bem similares com os dados do R22. Entretanto, o superaquecimento da sucção com o R290 tem essencialmente uma maior influência (Tabela 4a e 4b).

Em outras palavras: o R290 se beneficia com a capacidade e eficiência através do superaquecimento útil; o uso de um trocador de calor entre a linha de sucção e líquido é uma vantagem. Os limites de aplicação são exibidos na Tabela 5.

Requerimentos técnicos de segurança e recomendação geral

As informações seguintes são baseadas nas normas alemãs. As normas específicas de cada país também devem ser respeitadas.

Para o projeto, operação e manutenção dos sistemas frigoríficos com refrigerantes inflamáveis (Grupo A3), normas especiais de segurança são aplicadas. Essas normas regulam, entre outras coisas, os dispositivos especiais de proteção contra pressão excessiva e características especiais no projeto e arranjo do equipamento elétrico.  Entretanto, cuidados são necessários em caso de vazamento do refrigerante, devendo-se prever sistema de exaustão de modo que nenhuma mistura explosiva possa ocorrer.  As regulamentações de projeto estão determinadas nas normas EN378 / VBG20 / DIN 7003 / DIN VDE 0165 / VDE 0100.

Nas normas atuais, um acordo separado deve estar em conformidade entre o instalador e o operador do sistema. De acordo com o projeto e a carga de refrigerante, poderá ser necessária uma autorização individual dos órgãos competentes. Além disso, o projetista do sistema deve ser certificado para lidar com os refrigerantes inflamáveis; também é necessário treinamento qualificado para os operadores.

Compressor e acessórios

A descrição seguinte cobre somente as características essenciais do equipamento que se aplicam às normas de segurança; além disso, as normas acima mencionadas são válidas.

- Caixa elétrica, alívio de partida, de capacidade, resistência do cárter e ventilador adicional são componentes fabricados de acordo com a classe de proteção IP 54 ou maior e atendem às normas requeridas da “Zona 2”.

- O dispositivo de proteção INT 69VS é fornecido separadamente e deve ser instalado no quadro de comando elétrico fechado.

Atenção: O dispositivo de proteção deve ser conectado de acordo com o diagrama elétrico; os cabos do comando elétrico do PTC entre os terminais 1/2 (INT69VS) e o 3/4 (flange elétrica do compressor), ou cabo torcido, devem ser protegidos (shieldado) pois apresentam perigo de indutância; a incorporação de um dispositivo de proteção do gás de descarga (se usado) deve ser conectado em série com os terminais 3/4.

- Os únicos pressostatos de óleo que podem ser usados devem atender pelo menos a à classe de proteção IP 54. Em caso de proteção insuficiente, um pressostato de segurança pode ser instalado no circuito de segurança (de acordo com a norma EN 50020). Neste caso o mesmo deverá deve ser instalado no painel de comando elétrico.

Pressão diferencial............................................... 0.7 bar

Retardo de tempo .....................................................  90 segundos

(Comentário: O Sistema de monitoramento de óleo eletrônico (OMS) não está atualmente disponível para aplicações com R290)

- De acordo com a norma VBG20 e DIN 7003 uma válvula de segurança deverá ser instalada individualmente em cada compressor quando a carga de refrigerante exceder 2,5 kg (em conjunto com os pressostatos de segurança). Os compressores projetados para o uso com R290 são equipados de série com uma válvula de segurança. Paralelamente, uma válvula de segurança poderá ser instalada externamente.

- O compressor deve ter um logotipo claramente marcado mostrando “Atenção ao Perigo de Fogo” (B.3.2. /ISO 3864). Esta marcação também deve permanecer no compressor se houver a necessidade do mesmo retornar ao fabricante. Os compressores originalmente fornecidos para o uso com R290 já são etiquetados (recebem a letra P).

Devido às grandes cargas de refrigerantes exigidas no frio alimentar dos supermercados, a aplicação do propano limita-se ao circuito primário no sistema de resfriamento indireto

Instalação e manutenção

A instalação e a manutenção dos sistemas com R290 devem somente ser realizadas pelos técnicos autorizados, que são certificados para lidar com os refrigerantes inflamáveis.

A seguinte lista resume as diretrizes essenciais:

- Durante o trabalho interno (sala máquinas / container) o sistema de ventilação do recinto deve ser acionado.

- A tubulação e as conexões devem preferivelmente ser soldadas.

- Evitar o quanto possível o uso de tubos capilares.

- As mangueiras não-metálicas são inadmissíveis.

- A tubulação deve ser inspecionada no que diz respeito às vibrações anormais (perigo de ruptura). Se necessário, medidas adicionais de proteção devem ser tomadas.

- A soldagem deve ser realizada juntamente com um gás de proteção (nitrogênio seco). O uso de R290 como um gás de proteção é problemático na prática e, portanto, não é recomendado.

- As válvulas de expansão devem ser especificamente projetadas para R290. O uso das válvulas para R22 é possível, mas com maiores temperaturas de evaporação, pois pode ocorrer superaquecimento insuficiente. Um ajuste do superaquecimento deve então ser necessário.

(Atenção: A temperatura mínima do gás de descarga deverá ficar pelo menos 20 K (tentar obter 30 K) sobre a temperatura de condensação)

- Para o teste de vazamento e os testes de alta pressão, o uso de nitrogênio seco é preferível. Se o ar seco for usado para o teste, o compressor deverá ser isolado durante este procedimento (manter as válvulas de serviço fechadas).

- Devido à baixa densidade do R290 líquido, sua carga máxima de refrigerante fica menor do que a do R22 e R502.  Carga máxima (95% a 50°C) por 1 dm³ volume:

R22 / R502 → 1,03 kg

R290 → 0,43 kg

- O sistema e o compressor devem ter etiquetas com os avisos necessários.

- Uma inspeção regular dos dispositivos de segurança (mínimo uma vez por ano) é essencial.

- Durante os serviços de reparos, o R290 pode ser removido e usado outra vez, contanto que nenhum gás inerte ou outros contaminantes estejam presentes no sistema. Antes da recarrega, o sistema deve ser purgado com nitrogênio, devendo ser instalado um novo filtro secador, além do procedimento de evacuação.

- A purga do R290 através do sistema somente poderá ser realizada sob as precauções necessárias de segurança.

- Os filtros secadores usados contêm quantidades residuais de R290 (inflamável), sendo necessário fazer a remoção com nitrogênio e descartá-los de maneira apropriada.

- Troca de óleo: na pressão atmosférica e temperatura ambiente haverá ainda quantidades residuais de R290 diluídas no óleo (mistura combustível no óleo). A troca deve ser somente realizada com o óleo aquecido e redução da pressão pela evacuação, seguida pela purga com nitrogênio.

- Para o transporte de gases inflamáveis, as normas especiais são aplicadas.

Exemplo de aplicação do propano nas instalações de frio alimentar dos supermercados

Devido às grandes cargas de refrigerantes exigidas no frio alimentar dos supermercados, a aplicação do propano limita-se ao uso de sistema de resfriamento indireto. Esse tipo de sistema tem várias aplicações e uma grande finalidade que é a de reduzir a carga de fluido refrigerante do circuito primário, deixando-o numa unidade compacta, onde o principal equipamento do sistema indireto passa a ser o chiller. Assim, o fluido refrigerante primário (propano) fica confinado a uma área especifica que pode ser uma sala de máquinas (container), ou central de água gelada, ou seja, uma central de resfriamento única. Com isso, o circuito secundário, que irá fazer o resfriamento dos processos, ou dos ambientes, passa a operar com um fluido secundário e a instalação fica mais simples, pois só é necessária uma bomba e tubulações.

Na Figura 1 o R290 (propano) é somente utilizado nos estágios de alta pressão (circuito primário). Enquanto que, nos evaporadores de resfriados MT (média temperatura) circula o glicol a -4°C e nos evaporadores de baixa temperatura circula o tifoxity a -22°C. As fotos 2, 3, 4 e 5 exemplificam a instalação com propano no Supermercado Zafari.

Gomes