Dióxido de carbono (CO₂)

Mudanças de fase do CO2
Observe as mudanças de fase do CO2 registradas no Laboratório de P&D em Refrigeração da Danfoss e acompanhe a fascinante transição entre as fases sólida, líquida e vapor na câmara de pressão e o comportamento na região supercrítica.
Mudanças de fase do CO2

Propriedades gerais

Por suas propriedades termodinâmicas puras, o CO2 não é muito adequado como refrigerante. No entanto, o CO2 tem várias propriedades termofísicas únicas:

  • Excelente coeficiente de transferência de calor
  • Relativa insensibilidade a perdas de pressão
  • Viscosidade muito baixa

Em aplicações práticas, os sistemas de CO2 proporcionam um desempenho muito alto, e as principais razões são a melhor troca de calor, potência de bombeamento muito baixa quando o CO2 é usado como fluido secundário e, em climas frios, a possibilidade de operar com uma pressão de condensação muito baixa no inverno.

A eficiência de sistemas com CO2 depende mais da aplicação e do clima do que a dos outros refrigerantes. Para todos os refrigerantes, há um declínio na eficiência do sistema com o aumento das temperaturas de condensação, e o CO2 está entre os refrigerantes com a queda mais acentuada. As boas propriedades termofísicas do CO2 podem compensar até certo ponto, mas existe um limite.

O CO2 tem alto conteúdo energético em temperaturas mais altas, e, quando esse calor pode ser recuperado para aquecimento de água sanitária ou aplicação semelhante, a eficiência total do sistema torna-se muito alta.

Impacto ambiental

Do ponto de vista ambiental, o CO2 é um refrigerante muito atrativo, com zero potencial de depleção da camada de ozônio e um potencial de aquecimento global de 1. Trata-se de uma substância natural e abundante na atmosfera.

Pressão e temperatura

O CO2 é um refrigerante de alta pressão no qual altas pressões de operação são necessárias para uma operação eficiente. Durante os períodos de paralisação, a temperatura ambiente pode alcançar e exceder a temperatura crítica e a pressão pode exceder a pressão crítica. Consequentemente, os sistemas são normalmente concebidos para suportar pressões de até 90 bar, ou, às vezes, até equipados com uma pequena unidade condensadora para manter as pressões baixas.

Ao mesmo tempo, o CO2 tem uma baixa relação de pressão de compressão (20 a 50% menos que HFCs e amônia), o que melhora a eficiência volumétrica. Com temperaturas de evaporação na faixa de -55 °C a 0 °C, o desempenho volumétrico de CO2 é, por exemplo, de 4 a 12 vezes melhor que o da amônia, o que permite que compressores com volumes menores de varredura sejam usados.

O ponto triplo e o ponto crítico do CO2 são muito próximos da faixa de trabalho. O ponto crítico pode ser alcançado durante o funcionamento normal do sistema. Durante a manutenção de sistema, o ponto triplo pode ser atingido, conforme indicado pela formação de gelo seco quando as peças do sistema que contêm líquido são expostas à pressão atmosférica. Procedimentos especiais são necessários para evitar a formação de gelo seco durante a ventilação de serviço.

Interação com outros materiais

O CO2 não reage com metais comuns ou com componentes com Teflon®, PEEK ou neoprene. No entanto, ele se difunde em elastômeros e pode causar a dilatação com borracha butílica (IIR), borracha nitrílica (NBR) e materiais de etileno-propileno (EPDM).

A densidade do CO2 líquido é cerca de 1,5 vez a da amônia, resultando em maior carga mássica nos evaporadores, como grandes chillers de placas em grandes sistemas industriais. Uma maior densidade significa maior circulação de óleo, o que, por sua vez, exige separadores de óleo eficazes para sistemas industriais.

Eficiência de custos

O CO2 é um subproduto em diversos setores. Por isso, seu preço é baixo. No entanto, os sistemas de CO2 tendem a ser mais caros que os sistemas tradicionais devido a pressões mais altas (em sistemas transcríticos) ou maior complexidade (em sistemas transcríticos e sistemas subcríticos). A complexidade dos sistemas parece estar diminuindo com a entrada dos sistemas Booster, e com o aumento no número de instalações de CO2, o histórico mostra que o custo se aproxima do custo dos sistemas de referência usando HFCs.

Os grandes sistemas secundários de CO2, especialmente na refrigeração industrial, podem ter uma construção menos cara do que a de seus homólogos de glicol e, portanto, oferecem menores custos iniciais e de ciclo de vida.

Aplicações

Ao contrário da maioria dos outros refrigerantes, o CO2 é utilizado na prática em três diferentes ciclos de refrigeração:

  • Subcrítico (sistemas em cascata) 
  • Transcrítico (sistemas somente de CO2)
  • Fluido secundário (CO2 usado como salmoura volátil) 

A tecnologia utilizada depende da aplicação e da localização prevista do sistema. Existe uma variedade de aplicações onde o CO2 é atraente e já amplamente utilizado hoje em dia: 

  • Refrigeração industrial. O CO2 é geralmente usado em combinação com amônia, seja em sistemas em cascata ou como salmoura volátil 
  • Refrigeração para supermercados
  • Bombas de calor
  • Refrigeração de transporte

A Danfoss acredita que o CO2 será o principal refrigerante nos sistemas de refrigeração comercial do tipo multipack. A regulação de F gás é um claro incentivo nesse sentido. 

Os sistemas de CO2 também podem ser ampliados para abranger recuperação de calor. Em muitos casos, o investimento extra para obter o calor residual é insignificante, e vários casos já demonstraram isso.

Aplicações de CO₂ para supermercados e na refrigeração industrial

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