O CO₂  tem se mostrado como excelente alternativa na refrigeração comercial. Dentre as razões para o seu avanço estão o preço baixo do fluido em comparação com os sintéticos tradicionais, a dispensa de recolhimento em caso de manutenção e a excelente eficiência energética, principalmente em regime de congelados, entre outras características.Além disso, está totalmente alinhado às determinações dos Protocolos de Montreal e Kyoto. Neste sentido, pode ser considerada uma solução de longo prazo. Motivos que o têm alçado a candidato preferencial para a substituição dos halogenados em sistemas de refrigeração na Europa e, de forma gradual, no Brasil.

Uma das suas aplicações mais promissoras são em sistemas transcríticos. Ciclos transcríticossão aqueles em que a pressão de descarga do compressor é superior à pressão crítica, tornando-o um refrigerante não condensável. Nesse caso, é utilizado apenas o R-744 no sistema, arrefecido acima do ponto crítico, sem mudança de fase no processo. Um grande obstáculo, quando utilizado em regiões que possuem altas temperaturas na maior parte do ano, é o fato de que isso diminui sua eficiência energética, deixando-a muito próxima dos sistemas convencionais e reduzindo o tempo de retorno do investimento.

“O mercado denominou um sistema de refrigeração comoCO₂Transcrítico como sendo aquele que possui apenas o CO₂ como fluido refrigerante. Isso não significa que este sistema sempre operará na condição transcrítica, pois, com temperaturas de ar externo adequadas, também poderá operar na condição subcrítica, atingindo melhores performances energéticas. O sistema definido como CO₂ Subcrítico é aquele que sempre opera na condição subcrítica, ou seja, é dependente de outro sistema de refrigeração, responsável por manter o controle da pressão de condensação sempre abaixo do ponto crítico, independentemente das condições do ar externo, também conhecido como sistema em cascata, onde se apresentam um lado de baixa (CO₂ Subcrítico) e um lado de alta, podendo ser representado por um sistema de expansão direta, ou indireta, com HFC, HFO, HC ou NH₃”, pondera Rogério Marson Rodrigues, Gerente de Gestão Industrial da Eletrofrio.

Marcelo Cola, especialista em refrigeração industrial da Danfoss, corrobora. “O sistema transcrítico é aquele que utiliza única e exclusivamente o CO₂ como fluido refrigerante em todas as etapas do circuito de refrigeração.Possui um conceito booster de dois estágios de compressão do CO₂, sendo o 1º estágio – em baixa temperatura (LT) e 2º estágio em média temperatura (MT).Esta é a principal diferença comparado a um sistema subcrítico o qual depende de um fluido auxiliar, (como fluidos sintéticos ou amônia) para realização da etapa de condensação do CO₂.”

Marson explica que uma das características mais importantes do CO₂ em um projeto de refrigeração, é o fato do ponto crítico dele, expresso na fórmula Tc = 31,1°C e Pc = 73,8 bar, estar dentro da faixa de operação do sistema.Ou seja, em condições específicas de temperatura do ar externo, o CO₂ estará na condição supercrítica, motivo pelo qual estes projetos são denominadostranscríticos.

Neste sentido, segundo Cola, “em um sistema transcrítico o CO₂ opera acima do ponto crítico (30,98⁰C – 72.7 barg) durante a etapa de compressão do 2º estágio (MT).É importante citar que o CO₂ deverá passar por uma etapa de superaquecimento através de um gás cooler antes de sua expansão a um reservatório de líquido, por onde ocorrerá o processo de condensação.Neste 2º estágio de compressão (MT), o sistema poderá operar à pressões entre 80 e 120 bar.O CO₂ é especialmente muito bem aplicado em sistemas de baixas temperaturas, podendo atingir níveis em até -50⁰C (temperatura ambiente), sua eficiência térmica é superior a qualquer outro tipo de fluido refrigerante.”

Variáveis, possibilidades e segurança do sistema

Sem dúvidas, é necessário levar em conta algumas variáveis quando da escolha do sistema. “A principal variável a ser considerada em um projeto de CO₂Transcrítico é a condição climática do local da instalação, pois a eficiência energética e os custos do investimento inicial estão diretamente relacionados à média anual da temperatura do ar externo. Outras variáveis a serem consideradas referem-se à disponibilidade de partes e peças de reposição no mercado local e a existência de técnicos capacitados para operação e manutenção”, alerta Marson.

“O projeto de um sistema com CO₂transcrítico, possui algumas variáveis importantes relacionadas aos parâmetros iniciais do circuito de refrigeração para o dimensionamento e otimização, escolha dos equipamentos e componentes visando a aplicação de materiais específicos para baixas temperaturas e altas pressões, requerendo atenção relacionada a segurança para garantir a confiabilidade do sistema.Também deve-se avaliar a viabilidade econômica com o custo do projeto e o retorno do investimento, considerando custos iniciais, operacionais, economia de energia e os benefícios ambientais”, complementa Cola.

O sistema possibilita diversas possibilidades em sua aplicação. “As arquiteturas de projeto com CO₂Transcrítico são bem variadas, podendo apresentar soluções para atender, além dos sistemas de refrigeração tradicionais, média e baixa temperatura, também ao sistema de ar-condicionado, ou alta temperatura. As três temperaturas sendo atendidas por um único equipamento. Ainda pode-se incorporar ao equipamento um sistema de reaproveitamento de calor, promovendo o aquecimento de água para finalidades diversas, como aquecimento de ambientes, controle de umidade, banheiros, higienização, entre outras”, agrega o executivo da Eletrofrio.

Dadas as altas pressões de trabalho do CO₂, algumas questões devem ser observadas na fase de projeto no sentidode garantir a segurança do sistema. “O projeto deve dar atenção a fatores importantes, como o selecionamento de componentes e materiais certificados e específicos para o range de pressão máxima de trabalho e seguir normas e regulamentações aplicadas aos sistemas de CO₂.Deve, ainda, prever dispositivos e proteções de segurança, como válvulas de segurança, retenções de alívio, dispositivos de intertravamento e monitoramento, além do auxílio de um sistema interligado a um condensador de CO₂ auxiliar para manter as pressões baixas em eventuais paradas, devendo estes possuir intertravamento de acionamento através de gerador auxiliar de energia”, recomenda o técnico da Danfoss.

Rogério Marson Rodrigues explica que as pressões de operação de um sistema de CO₂Transcrítico, sob as condições climáticas brasileiras, podem chegar a 95 bar, motivo pelo qual o lado de alta deste sistema é dimensionado para pressões de até 120 bar. “O mercado dispõe de materiais e componentes adequados para estas condições de trabalho, mas, o que difere um sistema de CO₂, transcrítico ou subcrítico, quando comparado a sistemas de refrigeração com fluidos refrigerantes tradicionais, é a presença de válvulas de segurança em diversas partes do circuito de refrigeração, garantindo que, caso haja a falta de energia elétrica e isto provoque a parada do sistema, a elevação de pressão do CO₂, em função da troca de calor com o ambiente externo, não rompa o limite de pressão dos componentes, compressores e tubulações.”

Vantagens do sistema transcrítico

Marson aponta, ainda, algumas vantagens adicionais para a opção por um sistema do tipo. “Além de atender todas as demandas do Protocolo de Montreal e Emenda de Kigali, e bem provavelmente qualquer outro acordo futuro que vise a conservação do meio ambiente, um sistema de CO₂Transcrítico pode ser muito eficiente energeticamente, bem mais do que muitas alternativas hoje disponíveis, porém, a eficiência está diretamente relacionada às condições climáticas do local da instalação.”

“Ele poderá ser vantajoso especialmente quando aplicado em sistemas de média e alta temperaturas, acima de -10 ºC. Neste caso, poderá ter significantes ganhos relacionados a eficiência energética (COP).A questão ambiental também representa grande vantagem, pela sua colaboração com a redução de emissão de gases responsáveis pelo efeito estufa (fluidos sintéticos), usualmente ainda aplicados em algumas instalações com CO2 subcrítico”, agrega Cola.

Marcelo Cola aponta diversas possibilidades de configurações para um sistema transcrítico. A figura 1 exemplifica o que poder o mais adequado quando a instalação requer dois níveis de evaporação, considerando um sistema muito usual em redes de supermercados, através de expansão seca do CO₂. “Neste caso, o 1º estágio se refere à baixa temperatura (LT) e o 2º estágio à média temperatura (MT)”, explica.

Figura 1

Para elevar o desempenho e uma instalação com CO₂transcritico, deve-se direcionar especial atenção na aplicação de sistemas de controles de válvulas e especificação de trocadores que possuam eficiência térmica para melhor aproveitamento de troca de calor, segundo Cola.

“Porém é muito importante abordar a aplicação do componente ejector, que possui maior representação nos resultados de eficiência em um sistema transcrítico. Os ejectors são aplicados no ponto onde é injetada a pressão no reservatório de líquido para realização do processo de condensação (Figura 2). Este componente pode proporcionar redução de custos de energia na ordem de 11%, e elevar a eficiência do sistema em torno de 20%, dependendo do projeto e condições de temperatura ambiente local”, alerta Marcelo Cola.

Figura 2

“A instalação de sistemas transcríticos em locais com temperaturas médias anuais baixas, como nos países do norte europeu, simplifica o projeto de um equipamento eficiente em função de trabalhar, predominantemente, na condição subcrítica. Já a instalação em países tropicais ou equatoriais, exige-se tecnologias que façam com que, mesmo na condição transcrítica, o sistema, ainda assim, atinja índices de eficiência satisfatórios, como os projetos de compressão paralela, injeção de líquido e vapor”, conclui Marson.