Mudanças climáticas ditam o ritmo dos avanços tecnológicos

Setor nevrálgico na cadeia produtiva, e cada vez mais exigida, a refrigeração industrial, particularmente nas áreas de alimentos e bebidas, tem se obrigado a buscar a renovação de tecnologias e procedimentos. A demanda mundial por alimentos é o motor central das mudanças. Mas há, também, fatores compulsórios, como a adequação à Emenda de Kigali e, mais recentemente, a crise hídrica e, consequentemente, energética.

Ricardo César dos Santos, gerente comercial da Mayekawa, afirma que os constantes avanços tecnológicos na indústria de alimentos e bebidas exige das empresas atualização permanente para manterem sua competitividade. “Facilitadores envolvendo automação, inteligência de sistemas e integração de informações, são desafios que precisam ser vencidos com o que há de melhor em tecnologia, engenharia e gestão, introduzindo assim a indústria 4.0.”

O gerente da Mayekawa alerta que a indústria deve estar atenta para a sustentabilidade ambiental. “As indústrias de bebidas, por exemplo, utilizam de forma considerável sistemas de refrigeração, vapor e de ar comprimido. Boa parte do consumo destas fábricas é em função destas utilidades. A Mayekawa realiza projetos sempre baseados na utilização de fluidos refrigerantes naturais e ecológicos, como é o caso, principalmente, da Amônia (NH3 – R717), do Dióxido de Carbono (CO2 – R744) e do Propano (C3H8 – R290), que têm como alvo a otimização do consumo energético, principalmente água e utilidades, redução de custos, aumento de produtividade e sustentabilidade, confiabilidade e durabilidade do sistema e dos equipamentos”.

: Celina Bacellar

: Claudio Silva

: Ricardo César dos Santos

Carlos Suffert, diretor da SPM Engenharia, esclarece que o mercado exige desenvolvimento constante nos sistemas de refrigeração industrial, buscando instalações cada vez mais eficientes, com alto desempenho energético e mais confiáveis, pois o sistema não pode parar mesmo em caso de eventuais falhas de equipamentos ou componentes, e com menor intervenção de operadores e mais seguras, principalmente com menor carga de refrigerante. “Claro que alguns usuários, motivados pela falta de planejamento ou por considerar apenas o Capex ao invés de balizar o investimento pelo Opex, ainda optam por sistemas tradicionais com NH3 recirculado ou refrigerantes halogenados em expansão direta. Mas temos visto que as grandes empresas e grupos brasileiros já escolhem arranjos mais eficientes.”

Dentre os avanços importantes no segmento, Suffert destaca a adoção de ventilação tipo booster, em grandes câmaras de estocagem, áreas de climatização industrial e, também, câmaras de resfriamento. “Esta tecnologia desvincula o resfriamento e desumidificação do ar com a sua distribuição, reduzindo a pressão dos evaporadores e permitindo que operem com velocidade variável, promovendo um considerável ganho de eficiência energética. Outra novidade são os evaporadores instalados no piso, ao invés de serem ‘pendurados’ no teto das câmaras; esta novidade diminui o custo da estrutura de teto e facilita enormemente o acesso à manutenção destes equipamentos. Não podemos esquecer do crescimento na utilização de sistemas indiretos com grupos resfriadores de líquidos compactos em paralelo e fluidos secundários monofásicos. Instalações com CO2 em cascata têm sido descartadas pela necessidade de alto investimento inicial e pelo baixíssimo desempenho energético, principalmente quando computados o período de operação ininterrupto destas instalações, diferença que pode chegar a 15%, dependendo do perfil da carga térmica.”

Outro que identifica avanços na refrigeração industrial é Márcio Vetorazo, gerente geral da Frio Brasil Refrigeração para a América do Sul. “Principalmente no sistema de controle da unidade de refrigeração, visando performance, principalmente economia de energia e economia de água de resfriamento, com controle de temperatura determinado. Novas construções mecânicas e desenvolvimento de materiais têm contribuído significativamente para se obter a melhor performance de operação.”

Vetorazo aponta alguns avanços recentes:

– Sistemas de controle através de painel de controle,

– Instrumentos de controle, temperatura e pressão mais específicos,

– Monitoramento a distância através de programas de gerenciamentos das plantas,

– Uso de componentes de alta performance, principalmente motores elétricos,

– Trocadores de calor de alta eficiência, tipo casco-tubo, com uso de tubos ranhurados,

– Novas geometrias no conjunto de rotores para os turbos compressores,

– Sistemas de transmissão de rotação de alto rendimento.

Claudio Silva, Consultor de desenvolvimento de negócios de refrigeração industrial da Johnson Controls, destaca o sistema de fluido secundário utilizando chillers, além das unidades compressoras e controladores dedicados. Para ele, segurança, redução da carga de refrigerante, eficiência, controle e conectividade têm sido os motores dos avanços registrados.

“A utilização de unidades chillers com baixíssimas cargas de amônia permite que a instalação opere sem a necessidade de adicionar anticongelante para temperatura de até 1°C, utilizando compressores que podem chegar em até 4 vezes mais horas para a primeira abertura comparado com o que era praticado anteriormente em torno de 25.000 horas aproximadamente, gerando uma economia substancial em manutenções, além de controladores com lógicas avançadas para controle de VI (Variador de Volume), monitoramento de vibração, acesso remoto e compressores que se comunicam entre si sem a necessidade de uma automação central e com maior eficiência”, diz Silva.

Em relação ao futuro, Santos, da Mayekawa, vislumbra um sistema de refrigeração integrado a válvulas, sensores e controles automatizados, que possa tomar ações autônomas sobre o ponto ideal do sistema de refrigeração, com a mínima necessidade de um operador, alinhado à redução de fluido refrigerante natural e segurança ambiental e de operação. “Outro ponto é a introdução cada vez maior de sistemas indiretos e fluidos secundários que, além de permitir baixíssima carga de fluido refrigerante primário, proporcionam segurança operacional e instalação simples.”

Dentre os fluidos secundários e suas aplicações, o gerente da Mayekawa lista: para médias e altas temperaturas, etanol, propileno glicol e mono etileno glicol; para baixas temperaturas, CO2, acetato de potássio, formato de potássio e etanol. “Seguindo as tendências mundiais, as indústrias de refrigeração têm desenvolvido soluções de engenharia, utilizando fluidos refrigerantes naturais para um grande range de temperaturas em aquecimento e resfriamento. Os refrigerantes naturais mais utilizados nestas soluções são a Amônia (NH3 – R717), o Dióxido de Carbono (CO2 – R744) e o Propano (C3H8 – R290). A estes somam-se o ar e a água, que compõem o programa Mayekawa, Natural Five, que é a adoção de refrigerantes sustentáveis. Estes refrigerantes naturais são aplicados em aquecimento, secagem, fornecimento de água quente, ar-condicionado, resfriamento, refrigeração, congelamento e criogenia, em um range de temperaturas de 90 ℃ a -100 ℃.”

Suffert, por outro lado, aposta em instalações com menor carga de refrigerante, maior eficiência energética e menor dependência da intervenção do operador, como tendência. “Outro ponto que ganha importância na avaliação dos usuários é a facilidade para acesso à inspeção e manutenção dos equipamentos e componentes, por isso as alternativas de chillers compactos e evaporadores de piso ganham cada vez mais espaço no mercado.”

Alta performance e baixas cargas de refrigerante

“Quando falamos em refrigeração industrial, os chillers requerem especificações um pouco diferentes daquelas que encontramos nos chillers comerciais. Considerando tanto o local onde são instalados e, principalmente, a forma como vão funcionar: condições intermitentes de operação, processos em batelada, cargas parciais etc. É raro encontrar aplicações de chillers industriais com fluidos refrigerantes sintéticos. Este mercado é fortemente dominado pelos fluidos naturais – em destaque, a amônia. E aí, aparecem as opções de equipamentos de alta performance com baixas cargas de refrigerante. Os trocadores de calor mais eficientes e compactos são os grandes responsáveis por estas qualidades. Somam-se a isso os compressores com variador de volume (VI) automático, otimizando a performance do equipamento, mesmo em cargas parciais, e controladores dedicados”, diz Celina Bacellar da JCI.

Vetorazo, da Frio Brasil, vislumbra um futuro em que os equipamentos de grande porte, para células de refrigeração e aquecimento, tipo district cooling e district heating, ganharão espaço. Dentre os avanços já observados, destaca o sistema de controle através de painel de controle eletrônico, utilização de sensores eletrônicos de pressão e temperatura, válvulas eletrônicas e ajustes que proporcionam o uso específico de alta eficiência, visando o melhor rendimento com economia de energia.

“Na construção mecânica também houve grande evolução, com desenvolvimento de novos programas para análise da geometria dos componentes possibilitando associar dimensionamento, geometria e uso de novos materiais para se obter a melhor aplicação com melhor performance. No nosso caso, turbos compressores centrífugos, utilizando programa de cálculos de geometria, com análise das superfícies através de elementos finitos e com novos métodos de fabricação, proporcionaram um ganho excelente de performance, principalmente com a fabricação e uso do rotor, que era fabricado em aço fundido e hoje é usinado a partir de elemento forjado, com melhoria de resistência e durabilidade”, explica Vetorazo.

O leque de alternativas ultrapassa o ambiente de grandes instalações. “Houve um tempo em que a amônia era usada apenas para sistemas de refrigeração industrial em grande escala. Nossa tecnologia de amônia de baixa carga significa que se pode aproveitar os benefícios da amônia de forma segura e eficiente com a utilização de sistemas de refrigeração de pequena e média capacidade”, afirma Ricardo Santos.

A Mayekawa, segundo seu gerente comercial, oferece ampla gama de Unidades Resfriadoras de Líquido (URL), que utilizam a amônia como fluido refrigerante natural. “Nossos equipamentos fornecem alternativas de alta eficiência energética, podendo ser aplicados para retrofit de instalações que utilizam fluidos refrigerantes sintéticos. Os chillers Mayekawa também podem ser desenvolvidos em sistema carenado, para instalação sob intempéries, construídos em estruturas metálicas robustas, gabinete de aço-carbono com pintura eletrostática e isolamento termoacústico, proporcionando um equipamento silencioso, atendendo a câmaras frigoríficas (resfriamento ou congelamento) em setores de logística. As unidades com baixa carga de amônia podem ter quatro configurações básicas: sistema LPR (Low Pressure Receiver), sistema combinado (Shell and Plate), sistema expansão direta e sistema chiller microcanal. A escolha da configuração adequada depende do processo a ser resfriado”, completa.

Silva, da Johnson, defende o que ele considera como um dos grandes avanços, o controle do volume interno variável (VI) que, aliado a um controlador com essa lógica embarcada, permite ao compressor trabalhar de forma totalmente automática, eliminando a intervenção manual com o objetivo de obter o melhor volume de compressão interna e, consequentemente, o melhor COP. “Qualquer mudança na temperatura ambiente do dia para a noite, ou do verão para o inverno, mudará a pressão de descarga, assim como qualquer mudança na temperatura de evaporação mudará o nível de pressão de sucção. Por exemplo, a cada 1°C a menos na temperatura de condensação pode-se ter uma redução de 1% a 4% no consumo elétrico do motor, dependendo do regime de operação. Para compressores que operam em mais de um regime, por exemplo reservas, não se perde nenhum tempo para recalibrar o sistema para a nova condição de trabalho, basta somente um toque na tela do controlador.”

O gerente geral da Frio Brasil complementa: “o avanço da tecnologia digital, novos métodos de fabricação e desenvolvimento de novos materiais, proporcionaram o desenvolvimento de compressores de alto rendimento e, num futuro próximo, o uso de sistemas de mancais magnéticos para aplicação industrial em compressores de grande capacidade frigorifica. Outro fator importante é o controle da capacidade destes compressores, no nosso caso temos o conjunto IGV (inlet guide vanes), que faz o controle de forma pontual, sem desperdício de energia.”

Não se observam apenas mudanças motivadas pelos avanços tecnológicos, mas também de ordem econômica e cultural. “No tangente aos compressores do tipo aberto (industrial), aplicados aos sistemas de refrigeração industrial, nota-se o predomínio da substituição de compressores alternativos por compressores parafuso, de média a alta capacidade. Tal cenário é um reflexo do crescimento das indústrias brasileiras. Ou seja: os compressores alternativos no Brasil estão em fase de transição e cada vez menos utilizados, diante do cenário de crescimento das indústrias que, cada vez mais, ampliam suas capacidades de produção. Assim, este tipo de compressor não se torna vantajoso e, portanto, parte-se para a aquisição de compressores parafuso”, diz Santos.

Os compressores parafuso, segundo o gerente da Mayekawa, permitem a redução na quantidade de equipamentos, maior intervalo de manutenção e excelente performance energética. Além disso, trazem outros avanços, como menor nível de ruído, uso de inversor de frequência, com o aumento da eficiência energética, maior rotação, adoção de mancais deslizantes hidrodinâmicos aplicados em conjunto com bomba de lubrificação forçada, o que garante maior suporte para as cargas radiais e prolongamento da vida útil. Durabilidade de materiais e avanços em manutenção preventiva e preditiva, com um acompanhamento criterioso dos intervalos de manutenção, e melhoria no perfil e relação de engrenamento dos rotores, são outras das vantagens apontadas.

Trocadores de calor

Ponto sensível em qualquer instalação de refrigeração, os trocadores de calor podem conferir maior eficiência ao sistema. Na refrigeração industrial os tipos mais comuns são o casco-tubo, placas brasadas e microcanais. “Os casco-tubo são indicados para operar como condensador a água, pois geralmente recebem a água de uma torre de resfriamento (circuito aberto). Por conta disso, é necessário que o condensador possibilite limpeza e manutenção para aumentar a vida útil do equipamento. Nossa linha de condensadores casco-tubo conta com a tecnologia de tubos truffim, que proporciona maior turbulência e aumento na área de troca, sendo muito utilizados na área de alimentos e bebidas”, diz Luan Máximo, engenheiro de vendas da Apema.

“Os microcanais”, continua Máximo, “são aplicados como condensadores a ar, onde não há necessidade de uma torre de resfriamento para condensação do gás refrigerante. Podem operar em caminhões de carga fria, por exemplo, onde seria impossível a instalação de uma torre. Por conta de sua tecnologia de alumínio brasado, são mais leves e compactos que os demais condensadores e com custo mais baixo.”

“Os trocadores de placas brasadas são melhor aplicados para operar como evaporadores, devido sua performance, custo, tamanho e peso, se comparados ao casco e tubos. Podem operar em outras funções, porém não recomendamos que sejam utilizados com fluido de circuito aberto, como, por exemplo, operar como condensador utilizando água de torre. Não é possível fazer manutenção nesse tipo de trocador de calor”, completa o engenheiro da Apema.

: Carlos Suffert

: Luan Máximo

Vetorazo explica que o maior avanço nos trocadores de calor tipo casco-tubo está no desenvolvimento de tubos de alta performance, com aletas externas e ranhuras internas, o que possibilitou uma redução da espessura dos tubos e aumento significativo do coeficiente de troca térmica. “Esta condição proporcionou um ganho de performance, com redução no dimensionamento dos trocadores de calor, e economia de material. Houve, também, o desenvolvimento de novos programas de dimensionamento para o casco e o espelho, que possibilitou de forma segura o dimensionamento dos vasos, com redução das espessuras das chapas atendendo a todas as normas de segurança.”

Também em relação aos condensadores as opções são várias, a depender do tipo de instalação. “Condensadores tipo evaporativo ainda são muito utilizados, principalmente em plantas com NH3. Nas instalações menores onde o refrigerante aplicado é halogenado, a condensação à ar ainda é muito utilizado. Mas condensadores tipo placas, a água, estão ganhando espaço no mercado, principalmente por diminuírem a carga de refrigerante e manterem o regime de condensação semelhante à condensação evaporativa. Os condensadores tipo dry cooler ainda apresentam uma aplicação reduzida, pois, se por um lado este tipo de equipamento reduz a carga de refrigerante primário, por outro, normalmente aumenta a temperatura de condensação e diminui a eficiência energética”, diz Suffert.

Fluidos refrigerantes: a resposta da indústria

No capítulo fluidos refrigerantes, a indústria não encontra dilemas significativos. “As grandes plantas normalmente já utilizam como refrigerante primário a amônia, que apresenta GWP=0, além das excelentes características termodinâmicas que conferem a melhor opção em termos de eficiência energética. Então, o problema não passa pelo tipo de refrigerante, mas sim pela quantidade de refrigerante no sistema. Por outro lado, as instalações de pequeno, e algumas de médio, porte que utilizam refrigerantes halogenados ainda estão se adaptando à nova realidade. As opções disponíveis são por halogenados de última geração, com baixo GWP, mas alto custo, desempenho energético inferior, glide de temperatura na mudança de fase e classificação como “levemente inflamável”, ou refrigerantes tipo hidrocarbonetos, com excelentes caraterísticas termodinâmicas, inclusive performance térmica, mas inflamáveis. A escolha nem sempre é fácil”, diz Suffert.

“Vemos que a indústria tem respondido à substituição dos fluidos com alto GWP de maneira gradativa, à medida que se percebe que estes fluidos pouco a pouco se tornam menos atrativos financeiramente. Dessa forma, somos procurados justamente porque oferecemos excelência na performance com sustentabilidade, através de quatro pilares: eficiência energética, robustez dos equipamentos e materiais, fluidos refrigerantes naturais e ambientalmente seguro”, diz Santos.

Celina Bacellar, da Johnson, lembra que a refrigeração industrial, “historicamente e ainda nos dias de hoje”, é fortemente baseada nos fluidos refrigerantes naturais. A amônia domina a maior parte das instalações, mas há espaço para o uso bem-sucedido de CO₂ em baixas temperaturas e até os hidrocarbonetos, desde que com baixas cargas. Neste segmento, os antigos equipamentos que empregavam R22 vêm sendo rapidamente substituídos, considerando-se que o phase out dos HCFCs está agendado para 2040 nos países em desenvolvimento. Mas essa eliminação já vem acontecendo, fortemente apoiada pelos países desenvolvidos. Os HFCs, como os comumente empregados R134a, R507C, R404A, também são fluidos de alto GWP e já estão na mira da Emenda de Kigali (ao Protocolo de Kioto). Suas datas de redução e phase out já foram estipuladas e tendem a ser cada vez mais antecipadas. Entretanto, quando falamos nos fluidos sintéticos, não há um substituto imediato para estes fluidos condenados. Assim, voltamos ao começo da história da refrigeração, adotando práticas mais seguras para o uso dos refrigerantes naturais – por meio de cuidados de instalação, manutenção e segurança.”

Ainda de acordo com Bacellar, a escolha do fluido refrigerante mais adequado a cada tipo de instalação ou equipamento é resultado da combinação de diversos fatores. “A amônia é tão dominante no mercado industrial, graças às boas características que lhe concedem ótima eficiência energética em ampla faixa de condições de operação, e das suas excelentes características ambientais como GWP e ODP zero. Vale lembrar que, recentemente, a amônia foi reclassificada pela ASHRAE 34 como um fluido parte do grupo de segurança B2L – o que significa que é um fluido de baixa ou nenhuma inflamabilidade.”

“Além dos fluidos naturais, há outras opções, mas a escolha deve ser determinada por um balanço de fatores. Por exemplo, a disponibilidade comercial na região onde o equipamento ou a instalação será realizada. E a que custo? Não somente pensando no fluido refrigerante, mas também no óleo sintético de lubrificação que será empregado. Eficiência energética é outro ponto que deve ser avaliado. Dependendo das condições de operação, do clima da região, o fluido pode não ser o mais adequado, pensando em altas pressões de descarga e baixas temperaturas de evaporação. Tudo isso pode levar à necessidade de um dimensionamento de vasos de pressão de maiores espessuras ou materiais mais caros. E, ao decidir pelo uso de qualquer fluido, é preciso considerar as normas vigentes e os requisitos básicos de segurança e manutenção”, continua a gerente da Johnson.

E é ela quem conclui: “é certo que as regulamentações se tornarão mais rígidas em um curto espaço de tempo. Os fluidos sintéticos atuais e aqueles que ainda apresentam GWP > 100, certamente, não terão vida longa a médio e longo prazo. Instalações e equipamentos que funcionam com refrigerantes com um GWP mais alto, terão que atender a requisitos muito mais rígidos em termos de estanqueidade e monitoramento em um futuro bem próximo. Isso torna o uso destes refrigerantes sintéticos cada vez menos atraente devido aos custos envolvidos, diminuindo a desvantagem competitiva para aplicações com refrigerantes naturais. E, assim, limitações aos refrigerantes naturais vão desaparecendo, face às novas regulamentações e cuidados exigidos em todas as instalações industriais.”