Transição para a Nova Geração de Refrigerantes de Baixo GWP em Condicionadores de Ar Industriais para Operação em Condições Severas e Altas Temperaturas, como em Siderúrgicas e Laminadores

Murat Yıldırım e Ahmet Kutsal Erdoğan

TMS Endüstriyel Soğutma Sanayi Ticaret A.Ş.

Definição e Desenvolvimento Histórico de Sistemas de Resfriamento

Incluindo sistemas de ar condicionado, os ciclos de compressão de vapor, que têm uma história de aproximadamente 200 anos, são amplamente usados ​​hoje para fins de ar condicionado. Com a ajuda do refrigerante usado no ciclo, o calor é extraído da área fria e transferido para a área quente. Dessa forma, o processo de resfriamento ocorre extraindo calor do ambiente quente.

Desenvolvimento de Sistemas de Resfriamento

Com o uso generalizado de ciclos de compressão de vapor, o uso de sistemas de resfriamento em todos os campos se tornou possível. Paralelamente aos condicionadores de ar utilizados para o conforto pessoal, projetos de ciclos de resfriamento personalizados também foram feitos em áreas industriais. Refrigerantes especiais foram desenvolvidos para os processos de resfriamento, especialmente para várias temperaturas ambientes. Enquanto o fluido de alta pressão é selecionado para dispositivos usados ​​em instalações como câmaras frias e freezers e capaz de resfriar em temperaturas abaixo de zero, refrigerantes de baixa pressão são preferidos para áreas de resfriamento em instalações como fundições e laminadores, onde as temperaturas ambientes às vezes atingem acima de 80 °C ~ 90 °C. Desta forma, o desempenho de resfriamento eficiente desejado é alcançado.

Na indústria de ferro e aço, uma das necessidades vitais é um resfriamento ininterrupto nas cabines do operador e salas elétricas localizadas nas pontes rolantes que trabalham em instalações como fundições. Os condicionadores de ar do tipo industrial, operando nessas áreas, precisam continuar o processo de resfriamento ininterruptamente. Para atingir isso, refrigerantes com baixas pressões operacionais, como R227ea, R236fa pertencentes ao grupo HFC, têm sido preferidos em projetos de ciclo de refrigeração até hoje. Os condicionadores de ar que usam o refrigerante R227ea podem operar em ambientes de trabalho de até 85 °C, enquanto o refrigerante R236fa permite o resfriamento ininterrupto em ambientes de trabalho de até 90 °C.

Se revisarmos a história do refrigerante, no início, substâncias naturais eram usadas como refrigerantes em diferentes áreas da indústria. No entanto, o fato de que a maioria dessas substâncias era inflamável e seus efeitos tóxicos retardaram o uso. Na década de 1930, o uso de sistemas de refrigeração se espalhou em escala global com o surgimento de refrigerantes sintéticos chamados clorofluorcarbono (CFC), incluindo o refrigerante R12. Isso foi seguido pelo desenvolvimento de refrigerantes hidroclorofluorcarbono (HCFC), incluindo o R22, que foi amplamente utilizado por um longo tempo.

Efeitos dos Sistemas de Resfriamento no Aquecimento Global

Embora os sistemas de resfriamento estejam se tornando rapidamente difundidos em todo o mundo, foi determinado que esses fluidos desempenham um papel na depleção da camada de ozônio. Para medir esse efeito com base no refrigerante, o potencial de depleção da camada de ozônio (ODP) foi definido e o valor ODP do refrigerante R-11 foi determinado como 1,0. A eficácia de outros refrigerantes na depleção da camada de ozônio foi calculada como equivalente. Embora os HCFCs sejam menos eficazes do que os CFCs, eles estão entre as substâncias que destroem a camada de ozônio. O Protocolo de Montreal foi adotado em setembro de 1987 sobre a proibição de produtos químicos destruidores da camada de ozônio, incluindo refrigerantes. A Turquia se tornou parte deste protocolo em 19 de dezembro de 1991.

Para eliminar esse efeito negativo, o grupo Hidrofluorocarbono (HFC) foi desenvolvido como uma alternativa na década de 1990. O ODP do grupo HFC é zero. Todos os refrigerantes comumente usados ​​hoje em dia, como R134a, R410a, R407c, R404a, pertencem a este grupo. Com o uso de HFCs, a camada de ozônio foi melhorada, mas o problema do aquecimento global, também chamado de efeito estufa, surgiu com este grupo de fluidos. A maioria dos produtos químicos de fluorocarbono está no grupo definido como gases de efeito estufa. Embora os HFCs tenham usos diferentes, de acordo com dados de 2012, aproximadamente 80% do uso total é no setor de ar condicionado (HVAC). [2]

Para avaliar os efeitos dos refrigerantes no aquecimento global, surgiu o conceito de Potencial de Aquecimento Global (Global Warming Potential – GWP). O GWP é uma medida dos efeitos relativos do aquecimento global de diferentes gases. O GWP indica a quantidade de calor retido por 1 tonelada de um refrigerante em um determinado período de tempo, em relação à quantidade de calor retido por 1 tonelada de gás dióxido de carbono (CO2). Aqui, o valor do GWP do gás CO2 é definido como 1,0. Considerando que o valor do GWP do refrigerante R236fa é 9810, o efeito do refrigerante R236fa no aquecimento global é 9810 vezes maior que o gás CO2.

O valor, expresso em toneladas de equivalente de CO2, é a quantidade ponderada pelo GWP de um refrigerante e é a massa do refrigerante multiplicada pelo valor do GWP.

Equivalente de CO2 = massa (toneladas) x GWP [2]

Por exemplo, calculando para 50 kg de refrigerante R236fa usado em um ar condicionado;

Equivalente de CO2 = 0,05 (toneladas) x 9810

Equivalente de CO2 para este dispositivo serão 490,5 toneladas.

Estudos foram realizados em todo o mundo para controlar a emissão de gases de efeito estufa que causam o aquecimento global e limitar seu uso dentro de um calendário. Seguindo o Protocolo de Montreal do qual 196 países fazem parte, o Acordo de Paris foi assinado em 12 de dezembro de 2015 e aberto para assinatura. Mais tarde, a 28ª Reunião dos Apoiadores do Protocolo de Montreal foi realizada em Kigali, capital de Ruanda, de 10 a 14 de outubro de 2016, e em 15 de outubro de 2016, a Emenda de Kigali entrou em vigor em 1º de janeiro de 2019, com a ratificação da emenda por 65 participantes do protocolo. Embora os gases fluorados com efeito estufa (HFC) não prejudiquem a camada de ozônio, seu efeito no aquecimento global pode chegar a até 23 mil vezes o do dióxido de carbono. Com a Emenda de Kigali, prevê-se que as emissões desses gases sejam reduzidas em 80 Gigaton-dióxido de carbono equivalente até o final do calendário aprovado. [8]

A Figura 1 mostra o cronograma para limitar o uso de HFC.

Figura – 1 Emenda de Kigali, Cronograma de Redução de HFC [2]

Os países do Grupo A5 são definidos no Artigo 5 do Protocolo de Montreal. As partes que se enquadram na definição dada no Artigo 5 do Protocolo de Montreal são geralmente países em desenvolvimento econômico. As partes que não são países do Artigo 5 (não-A5) ou não atendem à definição dada no Artigo 5 do Protocolo de Montreal são geralmente países economicamente desenvolvidos. [9]

Dentro da estrutura deste calendário, o objetivo é reduzir a pegada de carbono reduzindo as cotas determinadas a cada ano. [6] Neste calendário, 4 categorias foram determinadas de acordo com os grupos de países. A categoria A5 abrange os países em desenvolvimento. Na categoria não-A5, há os países desenvolvidos (A2). A Turquia está entre os países em desenvolvimento no Grupo A51.

Como parte da Emenda de Kigali, o uso de gases HFC será reduzido em 85% até 2047. Dessa forma, o objetivo é reduzir o aquecimento global em 0,4 °C ~ 0,5 °C e mantê-lo em níveis de 1,5 °C.

De acordo com a publicação do regulamento F-Gas e da legislação da UE, em 1º de janeiro de 2020, a produção de sistemas de resfriamento usando refrigerantes com potencial de aquecimento global (GWP) de mais de 2500 foi proibida e permitida apenas para fins de manutenção. É permitido usá-lo para operações de serviço. Os usos de carga de fluido para fins de serviço também são limitados a 40 toneladas de CO2 equivalente. [5] Até 2030, o uso de novos refrigerantes para manutenção ou recarga será completamente proibido.

Emenda de Kigali e Turquia

Em nosso país, a emenda de Kigali foi submetida à Grande Assembleia Nacional da Turquia em 25 de maio de 2019 e foi adotada em 4 de março de 2021. Com a regulamentação do F-Gas, que entrou em vigor no início de 2020, nosso país também entrou neste caminho. Finalmente, a Turquia assinou o Acordo Climático de Paris em 7 de outubro de 2021. [4]

Com a Emenda de Kigali, novos fluidos alternativos foram necessários no campo dos refrigerantes, com a restrição de HFCs após CFCs e HCFCs. Novos estudos de desenvolvimento alternativo continuam em duas categorias. Na primeira categoria, alternativas de fluidos naturais como CO2 (R744), Propano (R290), amônia (R717), que eram conhecidas antes, são estudadas. Na segunda categoria, há refrigerantes no grupo das Hidrofluoroolefinas (HFO), que são chamados de refrigerantes ecologicamente corretos de nova geração. Os mais conhecidos são os refrigerantes R1234yf e R1234ze. Esses fluidos foram desenvolvidos como uma alternativa ao R134a, que é um dos fluidos mais usados ​​no atual grupo HFC. [3] Os valores de GWP desses fluidos, que são considerados alternativas, são muito baixos quando comparados aos fluidos do grupo HFC. Se você quiser comparar o exemplo, a Tabela 1 pode ser examinada:

Tabela – 1 Valores de GWP para vários refrigerantes

Fluidos naturais têm limitações importantes, especialmente em termos de condições de ambiente de trabalho e serviço. Sua característica altamente inflamável, como R290 (propano), limita a quantidade de uso no ar condicionado. Novamente, quando a temperatura ambiente está acima de 20°C, os sistemas de CO2 operam no modo transcrítico, que é definido como um sistema de resfriamento cujo evaporador opera abaixo da temperatura crítica e seu condensador opera acima da temperatura crítica.

Embora os fluidos alternativos (HFO) recentemente desenvolvidos tenham um baixo impacto no aquecimento global, suas classes inflamáveis ​​e tóxicas são maiores do que o grupo HFC, o que dificulta seu uso. Para eliminar essas características negativas, novos refrigerantes são desenvolvidos pela mistura de fluidos do grupo HFO e HFC em certas proporções. Essas novas misturas de fluidos estão sendo desenvolvidas para uso no ciclo de compressão de vapor. Assim, fluidos com classes inflamáveis ​​A3 e A2, definidas pela ASHREA e vistas na Figura 2, mudam para a classe segura classificada como A2L e A1.

Figura 2 Classes ASHRAE para Inflamabilidade e Toxicidade

Por exemplo; Em vez de usar o refrigerante R1234yf pertencente ao grupo HFO diretamente, como uma alternativa ao R134a, que é amplamente utilizado em sistemas de resfriamento industrial, como resfriadores, o refrigerante R513a pertencente à classe inflamável A1 foi desenvolvido. É uma mistura azetrópica obtida com uma mistura de 56% R1234yf e 44% R134a. O gráfico de pressão-entalpia (p-H) e o desempenho de resfriamento são muito próximos do R134a. Por outro lado, considerando que o valor do GWP é 631, o efeito do fluido R513a no aquecimento global foi melhorado em aproximadamente 55% em comparação ao R134a. Esses desenvolvimentos contribuem positivamente para o ciclo de vida do produto extremamente importante e o descarte do produto do ponto de vista ambiental.

As propriedades termodinâmicas semelhantes de fluidos de mistura desenvolvidos alternativamente e fluidos HFC permitem conversões de refrigerantes a baixo custo em condicionadores de ar existentes.

O uso de refrigerantes R227ea (GWP: 3220) e R236fa (GWP: 9810) em condicionadores de ar usados ​​para resfriamento em ambientes de trabalho de alta temperatura foi proibido na Europa, de acordo com o regulamento F-Gas. A produção e importação de novos dispositivos usando esses fluidos são proibidas dentro das fronteiras da Europa. Além disso, novas sanções são introduzidas em relação aos refrigerantes existentes, que são amplamente utilizados em condicionadores de ar. Por exemplo, para o refrigerante R134a (GWP: 1430), que é um dos mais amplamente utilizados em condicionadores de ar industriais, um imposto adicional de 1.095,38 coroas norueguesas (aproximadamente 2.000 TL) por kg começou a ser cobrado na Noruega. O valor do imposto aumenta de acordo com o valor do GWP do refrigerante, chegando a mais de 10.000 coroas norueguesas por kg. Aplicações semelhantes foram iniciadas em muitos outros países europeus. Por esse motivo, refrigerantes alternativos de nova geração com baixo GWP foram desenvolvidos. Nesse contexto, uma transição para fluidos alternativos não inflamáveis ​​pode ser possível. Os principais novos refrigerantes alternativos que podem ser usados ​​são:

• R513a (56% R1234yf / 44% R134a – GWP: 631) – em vez de R134a
• R450a (58% R1234ze / 42% R134a – GWP: 605) – em vez de R227ea
• R515b (91,1% R1234ze / 8,9% R227ea – GWP: 293) – em vez de R227ea e R236fa

O processo de transição continua na Turquia. Estima-se que essa transição será acelerada com a Emenda de Kigali e os regulamentos de gases fluorados adotados anteriormente, e o Acordo Climático de Paris assinado em outubro de 2021. Em particular, 2024 será considerado o início para o Grupo 1 A5 incluído no calendário de mitigação de HFC da Emenda de Kigali. Além disso, o processo de transição foi acelerado, na Turquia, com o “Regulamento sobre Gases Fluorados de Efeito Estufa” publicado em 29 de junho de 2022. Refrigeradores e freezers comerciais (equipamentos hermeticamente fechados) contendo hidrofluorocarbonetos com um GWP de 2500 ou mais (equipamentos hermeticamente fechados) a partir de 1/1/2025 e refrigeradores e freezers comerciais contendo hidrofluorocarbonetos com um GWP de 150 ou mais (equipamentos hermeticamente fechados) a partir de 1/1/2029, serão proibidos.

A TMS Industrial Refrigeration Inc. iniciou estudos de refrigerantes de baixo GWP em 2019. Como resultado dos estudos de P&D, nossa linha de produtos, que são os resfriadores de cabine de guindaste da série VKS, foi adotada. Nos resfriadores de cabine de guindaste da série VKS, especialmente projetados de acordo com as duras condições de trabalho das usinas de ferro e aço, foram usados ​​refrigerantes R134a, R227ea e R236fa. Os projetos alternativos para a nova geração de refrigerantes de baixo GWP foram concluídos e novas gamas de produtos foram introduzidas. (Figura 3) A TMS Industrial Refrigeration Inc. oferece condicionadores de ar nos quais os refrigerantes R513a, R450a ou R515b são usados ​​como uma alternativa para seus clientes, de acordo com a temperatura do ambiente de trabalho. Neste contexto, desde 2020, produtos com refrigerantes com baixos valores de GWP foram produzidos para diferentes países do mundo, especialmente para países europeus.

Figura – 3 resfriadores de cabine de pontes rolantes da marca TMS projetados para condições de trabalho severas (alta temperatura e ambiente corrosivo)

É previsto que a transição para refrigerantes de nova geração será muito rápida em um futuro próximo devido às regulamentações e acordos dos quais nosso país é parte e à crescente conscientização ambiental.

References:

• Danfoss – Refrigerant options now and in the future (Ağustos 2018)
• gov.tr – Kigali Değişikliği Bilgi Notu
• Yıldız, R. Yıldırım “R134a’ya Alternatif Bir Soğutucu Akışkan (R513A) Kullanan Buhar Sıkıştırmalı Soğutma Sistemlerinin Enerji ve Çevresel Analizi” Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 8 (2020) 1817-1828
• Paris İklim Anlaşması – Resmi Gazete 7 Ekim 2021 Sayı: 31621 (Mükerrer)
• “Refrigeration and freezer equipment: Changes to refrigerant gases that can be used” gov.uk/environment-agency
• Doç. Semra Cerit Mazlum “Küresel İklim Politikaları” Ankara, 2019
• Şen, “Turkish Draft F-Gas Regulation to Implement Kigali Amendment”, https://turkishlawblog.com/read/article/269/turkish-draft-f-gas-regulation-to-implement-kigali-amendment
• “Türkiye Kigali Değişikliğini onayladı” https://yesilekonomi.com/turkiye-kigali-degisikligini-onayladi/
• https://tr.frwiki.wiki/wiki/Protocole_de_Montr%C3%A9al