Mistura de refrigerantes

O uso de misturas de refrigerantes é explorado há bastante tempo, existindo inclusive diversas misturas encontradas comercialmente e que são incluídas na designação da ASHRAE. É o caso das séries R400 e R500, sendo a primeira relativa às misturas zeotrópicas e quase azeotrópicas e a segunda reservada para as azeotrópicas. Ao combinar mais de um fluido é possível obter um refrigerante com propriedades intermediárias em relação aos componentes puros, o que é especialmente útil na busca de substitutos para os já consagrados refrigerantes halogenados.

Como relatado no tópico 2.2.2, nas pesquisas de substitutos diretos (drop

in) para os refrigerantes halogenados é frequente o estudo de misturas de

refrigerantes. O que se busca é modular as propriedades da mistura variando sua composição, de forma a obter o desempenho mais próximo possível em relação ao refrigerante a ser substituído para que as alterações necessárias no equipamento existente sejam mínimas.

Propriedades das misturas

As misturas azeotrópicas são aquelas que não podem ser separadas em seus componentes puros por simples destilação. Elas não apresentam variação de temperatura nas mudanças de fase e se comportam como uma substância pura. Existem misturas de refrigerantes azeotrópicas binárias e ternárias, sendo que as últimas, apesar de mais raras, oferecem maior flexibilidade na seleção das propriedades desejadas (MOHANRAJ; MURALEEDHARAN; JAYARAJ, 2010). As misturas quase azeotrópicas têm propriedades parecidas, apresentando uma pequena variação de temperatura durante a mudança de fase (entre 0,2 e 0,6 °C). No entanto, para este tipo de mistura existe a possibilidade de vazamento

preferencial do componente mais volátil, levando à alteração da composição do refrigerante.

A maior parte das misturas de refrigerantes é zeotrópica. Esse tipo de mistura apresenta composições diferentes do líquido e do vapor em equilíbrio e sua mudança de fase à pressão constante ocorre com variação da temperatura e dessas composições. Além da possibilidade de ajustar as propriedades desejadas do refrigerante através da combinação de seus componentes, esse tipo de mistura oferece ainda um maior potencial de eficiência energética e modulação da capacidade do sistema de refrigeração. Sua principal desvantagem está relacionada à possibilidade de vazamento preferencial do componente mais volátil (MOHANRAJ; MURALEEDHARAN; JAYARAJ, 2010).

Usualmente a comparação entre ciclos é feita fixando-se a temperatura de evaporação e a de condensação. Porém, com a variação de temperatura ocorrida durantes estes processos para as misturas zeotrópicas, não há uma só temperatura possível de ser adotada. Para comparar o desempenho de uma mistura de refrigerantes com o de outra ou com um refrigerante puro é necessário escolher quais os pontos dos processos de mudança de fase serão fixados e usados como referência. McLinden e Radermarcher apresentam quatro opções para esta comparação, sendo que cada uma delas leva a diferentes resultados para o COP (MCLINDEN; RADERMACHER, 1987). Os autores apontam que os resultados comparativos são determinados pela escolha dos pontos de temperatura fixada e por esse motivo propõem uma comparação mais justa entre fluidos puros e misturas através da definição de outros parâmetros do sistema.

Com o uso de misturas zeotrópicas é possível buscar uma maior aproximação do ciclo de refrigeração de Lorenz, descrito no tópico 2.1.2. Ao tornar a variação de temperatura do refrigerante semelhante à variação ocorrida no fluido refrigerado (utilizando um trocador de calor contracorrente) a diferença média de temperatura pode ser diminuída sem alteração na diferença mínima. Isso faz com que a geração de entropia no processo de troca térmica diminua, reduzindo a irreversibilidade do ciclo e contribuindo para sua eficiência energética (MOHANRAJ; MURALEEDHARAN; JAYARAJ, 2010).

Outra forma de obter benefícios da variação da temperatura de ebulição da mistura de refrigerantes foi proposta por Lorenz e Meutzner em 1975, com aplicação em sistemas de refrigeração com duas temperaturas, como os refrigeradores domésticos com um compartimento de freezer. Convencionalmente, com o uso de refrigerantes puros, a mesma temperatura de evaporação deve atender aos dois compartimentos de temperaturas diferentes (geladeira e freezer). Dessa forma, a diferença de temperatura entre o refrigerante e a geladeira é muito grande e maior que o necessário para a troca térmica, resultando em grande geração de entropia. Os autores propuseram que seja utilizada uma mistura de refrigerantes e dois evaporadores em série, um para cada compartimento. Com esta configuração, a evaporação majoritária do componente mais volátil, a temperaturas mais baixas, propicia a refrigeração do freezer, enquanto a etapa final da evaporação, a maiores temperaturas, retira calor do compartimento de geladeira. Assim a diferença média de temperatura no evaporador é menor, o que reduz a geração de entropia e as irreversibilidades do sistema.

Quando se trata da operação de FTVI com mistura de refrigerantes há ainda mais possibilidades de variação no sistema, uma vez que a separação de parte da carga de refrigerante no tanque flash altera a composição da mistura que irá passar pela segunda etapa de expansão e pelo evaporador. Como o intervalo de temperatura em que a evaporação da mistura ocorre depende da composição da mistura, uma maior ou menor retirada de vapor no tanque flash altera não só a capacidade de refrigeração do sistema, mas o perfil de temperatura no evaporador. As consequências dessa alteração para a flexibilidade de operação e o desempenho do sistema de modo geral foram ainda pouco estudados, não foram encontrados muitos trabalhos explorando ciclos com injeção de vapor e mistura de refrigerantes, em especial de HC.

Para compreensão do sistema estudado apresentou-se uma fundamentação teórica a respeito de ciclos de refrigeração e de aspectos centrais a respeito do uso de hidrocarbonetos e gás carbônico como refrigerantes, bem como o potencial oferecido pelo uso de misturas de fluidos em sistemas de refrigeração.

Restam ainda as considerações sobre o estudo de caso considerado para o sistema de refrigeração estudado – na seção 2.3.