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Sistemas de Refrigeração por Compressão Mecânica de

Vapor

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Aspectos Históricos e Ambientais

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Uso de Gelo NaturalUso de Gelo Natural• Utilização de gelo transportado

de regiões mais frias.

• Armazenamento de gelo doinverno para uso no verão.

• Obtenção de gelo durante noitesfrias, para uso durante o dia.

Greek wine cooler of 6th century B.C. found at Vulci, in central Italy.

Chinese refrigerator, built for the Emperor, Shih Huang Ti (221-207 B.C.). It was made from giant terra-cotta rings about 90 centimeters high and 1.70 meters in diameter, and went down 13 meters below ground level.

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Ice HousesIce Houses

Cullross, ScotlandCullross, Scotland

Monticello – Home of Thomas Jefferson – USAMonticello – Home of Thomas Jefferson – USA

Hatchford. EnglandHatchford. England

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• A comercialização de gelo em escala comercialdeve-se a Frederic Tudor que, em 1806, iniciou avenda de gelo extraído do rio Hudson.

• Um dos principais problemas da época era ainexistência de isolantes térmicos de qualidade,o que exigia que as ice houses fossemconstruídas com espessuras de parede da ordemde 1 metro. Frederic Tudor (1783-1864)

Uso de Gelo NaturalUso de Gelo Natural

Colheita de gelo

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• O comércio de gelo natural se expandiu rapidamente. Em 1879 haviam 35operações comerciais nos USA, 200 uma década mais tarde e 2000 em1909.

Uso de Gelo NaturalUso de Gelo Natural

• Em 1854, por exemplo, 156.000 toneladasde gelo natural foram exportadas do portode Boston.

• Por volta de 1890, o uso de gelo naturalcomeçou a declinar devido a poluição dasfontes de água. Isso facilitou a penetraçãono mercado de gelo produzidoartificialmente.

• No início do século XX as 10 maioresempresas da bolsa de valores de NYexploravam o gelo natural.

• O comércio de gelo natural ainda persistiupor um longo tempo após a introdução darefrigeração mecânica. Janeiro, 1914

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O Trabalho de PerkinsO Trabalho de Perkins• Durante os séculos XVIII e XIX várias pesquisas, voltadas para o segmento

de refrigeração, foram realizadas na Europa, notadamente na França e naInglaterra.

• Em 1755, Willian Cullen (1710-1790), professor da Universidade deEdimburgo, obteve gelo a partir da evaporação do éter. O processo deprodução de frio era descontinuo e não foi usado para qualquer propósitoprático.

• A primeira descrição completa de um equipamentode refrigeração, operando de maneira cíclica eutilizando éter como fluido refrigerante, foi feita porJacob Perkins, em 1834 (British Patent 6662).

Jacob Perkins(1766-1849)

• O trabalho de Perkins despertou pouco interesse.Não foi mencionado na literatura da época epermaneceu esquecido por aproximadamente 50anos, até que Bramwell descreveu o artigo para oJournal of the Royal Society of Arts.

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• O principal responsável por tornar oprincípio de refrigeração porcompressão mecânica em umequipamento real foi James Harrison.Não se sabe se Harrison conhecia ounão o trabalho de Perkins. Em 1856 e em1857 obteve, respectivamente, aspatentes britânicas 747 e 2362.

• Em 1862, durante uma exibiçãointernacional em Londres , oequipamento de Harrison,fabricado por Daniel Siebe eutilizando éter como fluidorefrigerante, foi apresentado àsociedade da época.

James Harrison (1816-1893)

O Trabalho de HarrisonO Trabalho de Harrison

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Ice BoxesIce Boxes• No início do século XX, os refrigeradores domésticos eram

essencialmente ice boxes, que dependiam do fornecimento quasediário de gelo de uma planta de refrigeração.

• Como desvantagens dessa forma de produção de frio podem sercitadas: reposição do gelo, drenagem e taxa de resfriamentovariável.

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• A disponibilidade de unidades seladas de refrigeração logo se tornou umarealidade. Entretanto todos os refrigerantes conhecidos, por volta de 1928,eram tóxicos, inflamáveis ou ambos. Acidentes, inclusive com mortes, eramcomuns.

Unidades SeladasUnidades Seladas

• New York times e outros jornais faziam campanha para eliminar osrefrigeradores domésticos, que até então utilizavam SO2 como refrigerante.Nessa época, 85% das famílias americanas que dispunham de eletricidadenão possuíam refrigeradores domésticos.

SO2

R-40

R-134

Frigidaire 1923

Brinde

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Fluidos RefrigerantesFluidos Refrigerantes

• Éter (temperatura de ebulição = 34oC) pressão de evaporação <<Patm (penetração de ar no sistema mistura explosiva). Pressão decondensação baixa não requer construção "pesada" no lado dealta.

• Em 1866, Franz Windhausen, em Berlim CO2 (dióxido de carbono).Pevap > Patm, mas Palta > 100 bar construção pesada. Substituição pornovos refrigerantes iniciou em 1955. Operação perto do ponto crítico menor eficiência. Temperatura crítica = 31oC.

• Em 1870 Carl Von Linde, em Munique Amônia (temperatura deebulição = -33,3oC). Pressão de condensação 15 bar. Toxidez.

• Raoult Pictet introduziu o dióxido de enxofre (SO2) (temperatura deebulição = -10oC), em Genebra, em 1874. Toxidez.

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• Em 1928, a Frigidarie solicitou a um grupo decientistas, liderados por Thomas Midgley, queidentificasse um refrigerante que não fosse tóxiconem inflamável. Em menos de duas semanas, afamília dos hidrocarbonetos halogenados (CFCs),forneceu a solução para o problema.

• Os CFCs eram conhecidos como compostosquímicos desde o século XIX, mas suaspropriedades como refrigerantes foraminvestigadas primeiramente por Thomas Midgley.

O Trabalho de MidgleyO Trabalho de Midgley

Thomas Midgley (1889-1944)

• A descoberta não foi anunciada ao público devido à histeria contrarefrigeradores, existente na época. Após dois anos de testes osCFC's foram apresentados ao público num encontro da SociedadeAmericana de Química.

• A produção comercial de CFC-12 (CCl2F2), iniciou em 1931 e a doCFC-11 (CCl3F) em 1932.

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• Durante aproximadamente 70 anos o CFC-12, como refrigerante, e oCFC-11, como agente expansor de espuma, reinaram absolutos nosegmentos de refrigeração doméstica e comercial leve.

O Reinado do CFC-12 e do CFC-11O Reinado do CFC-12 e do CFC-11

• O reinado desses fluidos começou adeclinar quando, em 1974, o Prof.Sherwood Rowland e o Dr. MarioMolina, associaram os CFC’s com aredução da camada de ozônio daestratosfera.

• A teoria de Rowland e Molina foicomprovada em 1985, com adescoberta de um buraco na camadade ozônio sobre a Antártida.

• O trabalho de Rowland e Molina foireconhecido com o prêmio Nobel deQuímica, em 1995.

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• Como conseqüência do Protocolo de Montreal(1987) a maioria das aplicação domésticas ecomerciais leves passou a adotar o HFC-134acomo refrigerante e o HCFC-141b como agenteexpansor de espuma.

O Reinado do HFC-134a e do HCFC-141bO Reinado do HFC-134a e do HCFC-141b

• Além de boas propriedades químicas e termodinâmicas, os HFCs nãosão tóxicos ou inflamáveis. Por outro lado possuem baixacompatibilidade química com os materiais do sistema, especialmentecom óleos minerais, o que exige a utilização de óleos ésteres (POEs ePAGs). Além disso tais fluidos são susceptíveis a presença decontaminantes no sistema.

• Mesmo com tais limitações o HFC-134a recebeu uma grande aceitaçãodo mercado.

HFC-134a

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Os Refrigerantes NaturaisOs Refrigerantes Naturais

• O reinado absoluto do HFC-134a/HFC-141b foi relativamente curto, pois logose percebeu que tais substâncias apesar de terem um efeito mínimo sobre acamada de ozônio, possuem um efeito marcante sobre o efeito estufa.

HC-600a

Ciclopentano

• A pressão pela utilização de fluidos refrigerantesnaturais foi imediata. Isobutano (HC-600a) no setor derefrigeração doméstica e propano (HC-290) e dióxido decarbono (CO2/R-744) no setor de refrigeração comercialleve.

• O HFC-141b foi rapidamente substituído pelociclopentano, na maioria das aplicações domésticas ecomerciais leves.

CO2/R-744

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• Em 2006, o Parlamento europeu baniu a utilização de compostos químicosa base de flúor (F-Gases), com GWP100 superior a 150, em novos tipos deveículos a partir de 2011.

Situação AtualSituação Atual

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Situação AtualSituação Atual

• A indústria automotiva está considerando dois candidatos principais: CO2e R-1234yf .

• Embora o CO2 tenha o apelo de refrigerante natural, existemconsiderações a respeito da complexidade do sistema, peso e aumento doconsumo de combustível

• O R-1234yf possui propriedades termodinâmicas similares ao R-134a, alémde ser estável e compatível com a maioria dos materiais. Seu GWP100 é de4. O tempo de residência na atmosfera é de apenas 11 dias.

• No dia 20/05/2010 a associação de fabricantes de veículos alemã, anunciouque iria adotar o R-1234yf, desistindo portando da sua escolha pelo CO2,anunciada em 2007

• No momento a indústria automobilística se encontra num impasse. O HFC-134a continua a ser usado enquanto se discute o que significa exatamenteum “novo tipo de veículo”.