Novas substâncias refrigerantes

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Materiais Inflamáveis & Combustíveis

Novas substâncias refrigerantes

Por Jesse Roman

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Congeladores que queimam

A eliminação progressiva de produtos químicos prejudiciais ao meio ambiente significa que a maior parte das geladeiras, congeladores e aparelhos de ar condicionado poderão em breve usar fluídos refrigerantes inflamáveis. Estamos preparados?

Como um pretendente cujo amor é rejeitado repetidamente, as indústrias da refrigeração e do ar condicionado não parecem poder encontrar um bom parceiro.  Enquanto a mecânica dessas tecnologias indispensáveis tem sido estável por décadas, as substâncias que circulam nos aparelhos absorvendo o calor e arrefecendo o ar – chamadas adequadamente refrigerantes – sempre encontram formas de arranjar confusão.

Uma quantidade de produtos refrigerantes foi provada e abandonada desde o início da refrigeração comercial faz mais de um século. Alguns eram demasiado tóxicos, outros demasiado inflamáveis; alguns não eram efetivos em alguns climas, e alguns eram muito maus para o ambiente. Cada vez que um defeito fatal era revelado, a indústria se mobilizava para encontrar um substituto. Agora o ciclo está começando de novo – esta vez com implicações potencialmente sérias para a proteção contra incêndio.

Em outubro passado, quase 200 países, incluindo os Estados Unidos, concordaram numa eliminação relativamente rápida dum grupo de compostos químicos chamados hidrofluorocarbonetos, ou HFC, que além de serem os refrigerantes mais usados no mundo nas últimas duas décadas, são gases com um poderoso efeito estufa cujo potencial para o aquecimento global supera em milhares de vezes o do dióxido de carbono. Por esse motivo, a Agência de Proteção Ambiental (EPA; da sigla em inglês), que é responsável pela eliminação, começou a fazer uma lista de certos gases refrigerantes HFC cujo uso não é aceitável. As datas de eliminação variam em função do produto e da aplicação, mas muitos HFC comuns usados na refrigeração de alimentos vendidos a varejo serão proibidos nos novos sistemas a partir do dia 1º de janeiro 2021, e nos sistemas de ar condicionado a partir de 2024.

Enquanto os pesquisadores procuram substitutos apropriados, as perspectivas são complicadas. “A verdade é que há um número limitado de compostos químicos que funcionam realmente como refrigerantes,” disse Bill Walter, pesquisador de engenharia na United Technologies e membro do conselho diretor da American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineers (ASHRAE), que publica códigos de segurança sobre as substâncias refrigerantes. “Cada vez que passamos um desses limiares, abandonamos uma série de produtos químicos e aqueles que ficam apresentam novos desafios.”

Em fevereiro, pesquisadores do Instituto Nacional de Normas e Tecnologia (NIST, da sigla em inglês), concluíram um estudo de vários anos para identificar os melhores candidatos para a refrigeração em substituição dos HFC nas aplicações de climatização. Todos os 27 fluidos testados com um baixo impacto no clima são pelo menos ligeiramente inflamáveis. “O fato é que não existem substitutos perfeitos ou fáceis para os atuais refrigerantes,” disse Mark McLinden, engenheiro químico do NIST. “Quando iniciamos o estudo, pensamos que seguramente devia haver outra coisa. Mas pelo que vimos, não é tão assim. Isso foi uma surpresa, um pouco desalentador.”

A não ser que encontremos de repente um refrigerante químico parecido com o unicórnio com propriedades ideais – eficiente, quimicamente estável, não tóxico, não inflamável e amigável com o meio ambiente  - algo deverá ceder, possivelmente certas restrições sobre o uso de refrigerantes inflamáveis.

Os painéis que elaboram os códigos de grupos como a ASHRAE e Underwriters Laboratories (UL), que ambos estabelecem normas para os refrigerantes e o equipamento que os usa, estão considerando aumentar as quantidades e tipos de refrigerantes inflamáveis que podem ser usados nos sistemas, abrindo a porta a um futuro onde bilhões de dispositivos, das unidades de ar condicionado aos sistemas industriais HVAC e às geladeiras domésticas, conterão substâncias inflamáveis.

“Isso está chegando, e está chegando tão rapidamente que é importante levar a questão para a comunidade de proteção contra incêndio,” disse Walter, co-organizador duma sessão de educação sobre o assunto na Conference and Expo 2017 da NFPA. “Não queremos que ninguém fique surpreendido quando apareçam propostas de mudança dos códigos.”

Alternativas prometedoras e preocupantes

Embora o esforço oficial de eliminação progressiva dos HFC seja relativamente novo, o mundo não começa a partir de zero. A eliminação dos HFC está sendo considerada faz quase uma década e durante grande parte desse tempo a indústria de refrigeração esteve trabalhando no desenvolvimento de refrigerantes com um impacto menor no aquecimento global, disse Walter. A Europa esteve substituindo agressivamente os refrigerantes HFC durante anos para diminuir seu impacto sobre o aquecimento global e a EPA, através de seu programa Significant New Alternatives Policy, esteve investigando e certificando alternativas aceitáveis durante alguns anos.

Embora os substitutos definitivos dos refrigerantes para a maioria das aplicações ainda estejam em debate, dois grupos principais – os hidrocarbonetos como o propano, o isobutano e o propileno e um grupo de químicos sintéticos chamados hidrofluorolefinas ou HFO – são os principais candidatos. (O dióxido de carbono [CO2] é também utilizado em algumas situações, mas sua efetividade é limitada em climas quentes). O obstáculo é que os atuais códigos modelo restringem seriamente o uso tanto dos HFO como dos hidrocarbonetos devido a sua inflamabilidade.

O propano, uma substância altamente inflamável, é um refrigerante muito eficiente com um impacto ambiental baixo. Alguns no ramo da alimentação veem o propano como um salvador potencial que “poderia efetivamente eliminar as preocupações de cumprimento dos requisitos da EPA para o futuro previsível,” de acordo com a Emerson Climate Technologies, uma empresa comercial de consultoria sobre os sistemas HVAC. Os HFO, entretanto, são refrigerantes sintéticos levemente inflamáveis muito eficientes com um potencial para o aquecimento global muito mias baixo que os HFC. Os HFO poderiam ser usados numa série de aplicações de refrigeração, desde resfriadores de água, refrigeração doméstica e comercial, uma variedade de unidades de ar condicionado, entre outros.

Em termos de inflamabilidade, o propano e os HFO apresentam diferenças significativas. Embora alguns HFO sejam inflamáveis, “eles têm um limite inferior de inflamabilidade muito alto, então para que haja ignição o vazamento deve ser muito grande - e quando se inflamam não emitem muito calor e tendem a queimar muito lentamente,” disse Walter. “Estas são todas qualidades desejáveis num produto químico inflamável.” As propriedades dos HFO são tão únicas que a ASHRAE criou uma classificação relativamente nova chamada 2L para acomodá-los.

O sistema de classificação de segurança dos refrigerantes da ASHRAE está baseado na toxicidade e inflamabilidade – os refrigerantes não tóxicos são de classe A e os tóxicos são de classe B: os números 1,2 e 3 que seguem a classe indicam os níveis de inflamabilidade, desde não inflamável (1), baixa inflamabilidade (2) até inflamabilidade alta (3). A nova classificação 2L é reservada aos químicos como os HFO que são levemente inflamáveis, mas têm velocidades de propagação da chama muito mais baixas que os refrigerantes comuns de classe 2.

Os códigos modelo ainda não foram atualizados para reconhecer a nova classe 2L, então os HFO ainda são considerados refrigerantes de classe A2 pelas agências reguladoras, disse Walter. O propano, um hidrocarboneto usado também em grelhas a gás, tem a categoria A3, a classe de inflamabilidade mais alta. Os códigos atuais limitam seriamente o tamanho da carga – a quantidade de refrigerante usado no sistema – para os refrigerantes de ambas as classes A2 e A3, proibindo na prática seu uso na maioria das aplicações em grande escala. Por exemplo, a UL 471, Geladeiras e Congeladores Comerciais, limita o tamanho da carga a refrigerantes de classe A3 como o propano a 150 gramas, ou aproximadamente a metade duma chávena de líquido. Isso é suficiente para operar um pequeno refrigerador de bebidas nas caixas dum supermercado, mas não chega de modo algum à quantidade necessária para os grandes refrigeradores de portas de vidro nos setores de lacticínios ou congelados.

As indústrias que dependem da refrigeração estão muito interessadas no aumento dos limites desses refrigerantes mais amigáveis com o meio ambiente, apesar de serem mais inflamáveis. Algumas pessoas estão frustradas porque, enquanto a regulamentação ambiental obriga à mudança, os regulamentos de segurança limitam sua capacidade de tomar medidas para cumprir aquela regulamentação. Seja como for, alguns estão avançando como podem. 

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Em janeiro 2016, a empresa varejista Target, dos Estados Unidos, anunciou que começaria a transição para refrigerantes potencialmente menos adversos ao meio ambiente usados em equipamento autônomo de refrigeração novo ou de substituição em suas lojas. A companhia identificou o propano como a opção ideal por dois motivos: porque cumpre os futuros padrões ambientais, e porque os testes internos da Target mostraram que o propano é 50% mais eficiente como refrigerante do que os HFC, disse Paul Anderson, diretor de engenharia da Target, numa entrevista. A transição começou com pequenos refrigeradores autônomos a propano com cargas até 150 gramas, a quantidade máxima atualmente permitida pela EPA.

“Não existe uma solução milagrosa quanto aos refrigerantes para os varejistas, mas precisamos o propano como um dos recursos da nossa caixa de ferramentas,” disse Anderson. “Queremos chegar às metas o mais cedo possível, porque você pode imaginar os custos de trocar os refrigerantes, uma e outra vez, passados poucos anos. Precisamos chegar a uma solução que seja a melhor para nossos empregados, os clientes e o meio ambiente.”

Embora haja agora 600 lojas Target com pequenos refrigeradores a base de gás propano, poderia haver muitas mais – incluindo algumas lojas menores que usem exclusivamente refrigerantes a base de propano – se não fosse pelas restrições sobre o tamanho das cargas para os refrigerantes de classe A2 e A3, disse Anderson. Para as lojas que usam exclusivamente refrigeração a base de propano, os limites do tamanho das cargas para a categoria A3 deveriam ser aumentados até 1 quilograma para acomodar aparelhos de refrigeração maiores, ele disse. As normas europeias permitem agora tamanhos de carga de até 1,5 quilogramas para refrigerantes inflamáveis em alguns casos.

Apesar da restrição dos limites de carga, o uso em maior escala dos refrigerantes a base de propano está começando a ser testado nos Estados Unidos. O ano passado, uma loja de 4.500 m2 da cadeia Whole Foods, na Califórnia, recebeu a autorização da EPA e das autoridades locais para testar o mercado com um sistema de refrigeração chamado “em cascata”, que usa uma combinação de propano e dióxido de carbono. Sete unidades de refrigeração de líquidos colocadas no teto do edifício contêm um total de aproximadamente 120 kg de propano, que nunca saem do teto. Em lugar disso o propano é usado para resfriar e condensar o CO2, que desce e viaja logo através do edifício refrigerando as geladeiras do supermercado. Ë um desenho usado já em toda a Europa. A amônia, outro refrigerante natural eficiente, também tem sido usada em refrigeradores nos tetos numa base de ensaio para os sistemas em cascata. Essas ações de Target, Whole Foods e outros indicam o grande interesse dos supermercados em avançar para o futuro dos refrigerantes, disse Keilly Witman, um consultor da refrigeração em supermercados que dirigiu durante anos um programa da EPA destinado a ajudar as mercearias a reduzir as perdas de refrigerantes.

“Você deve imaginar qual é a frustração dessas companhias, que não podem evitar o uso de refrigerantes, e devem pagar constantemente a transição dum produto mau para outro produto mau,” disse Witman. “Pela primeira vez na história da indústria alimentar, poderíamos ter refrigerantes que eliminariam definitivamente o problema ambiental. Isso nunca aconteceu antes.”

Pesquisa e testes

Com a pressão da EPA, da indústria e dos funcionários responsáveis pela segurança para encontrar uma solução segura e viável, a atividade avança rapidamente em muitas frentes à medida que a data para a eliminação dos HFC se aproxima.

A Target é um dos principais patrocinadores do projeto da Fundação de Pesquisa para a Proteção Contra Incêndio (FPRF, da sigla em inglês) que está analisando o risco de incêndio causado pelos refrigerantes a base de propano nos ambientes comerciais varejistas e nas cozinhas. O projeto, atualmente em curso de execução, inclui uma análise da documentação sobre pesquisas passadas, assim como simulações por computador e testes em escala real de refrigerantes de propano em diferentes circunstâncias. Os resultados poderiam ser publicados tão cedo como o mês de julho. O inteiro projeto desde o financiamento até os testes tem um cronograma acelerado, que reflete tanto o interesse como a importância da questão.

“Não fizemos nenhuma campanha de coleta de fundos, o que é muito raro – geralmente devemos pedir dinheiro para os projetos,” disse Casey Grant, diretor executivo da FPRF. “Mas a Target conseguiu outros apoios. Estivemos numa rampa de lançamento de foguetes tentando manter o ritmo”.

Vários projetos adicionais estão também em curso para testar os riscos potenciais da substituição de refrigerantes em diferentes cenários e para aprimorar o equipamento de refrigeração para eliminar pela engenharia alguns dos perigos potenciais, disse Walter.

A ASHRAE, o Departamento de Energia dos Estados Unidos, o Instituto de Climatização, Aquecimento e Refrigeração e o California Air Resource Board puseram juntos 5,6 milhões de dólares para financiar sete programas de pesquisa de “alta prioridade” que deverão ser concluídos este ano. Os projetos vão examinar muitos aspetos do problema, incluindo fontes de ignição potenciais no equipamento ou na sua proximidade; possíveis lugares de concentração do refrigerante inflamável em caso de vazamento; sensores para detectar as fugas antes que a concentração alcance o limite inferior de inflamabilidade, a avaliação de risco em vários cenários em caso de ignição dum refrigerante; diretrizes para o manuseio dos refrigerantes inflamáveis e a manutenção e instalação do equipamento e a avaliação duma base adequada para por limites à quantidade e tipos de refrigerantes inflamáveis que podem ser usados em certas aplicações e equipamento.

Ao mesmo tempo, os fabricantes estão trabalhando para aprimorar a eficiência do equipamento e reduzir as quantidades globais de carga requeridas, o que reduziria de fato o risco potencial.

Todo esse trabalho deverá finalmente proporcionar informação para a ASHRAE 15, Norma de Segurança para Sistemas de Refrigeração, que é a referência na maioria dos códigos modelo e nas normas relevantes sobre produtos do UL. Essas mudanças dos códigos e normas poderiam ter lugar tão cedo como finais de 2017 ou início de 2018.

É provável que não sejam necessárias grandes mudanças dos documentos da NFPA para lidar com as mudanças relativas aos refrigerantes, disse Guy Colonna, diretor de divisão da NFPA.

“Não lidamos com os refrigerantes como materiais classificados de forma separada como o faz a ASHRAE, então nossos códigos e normas sofrem menor impacto por essas mudanças no processo de adoção de substâncias diferentes,” ele disse. “O enfoque principal de nossos documentos sobre produto químicos perigosos se relaciona com o armazenamento, o manuseio e o uso no contexto da proteção contra incêndio.”

Em outras palavras, os códigos relevantes da NFPA já lidam com a questão geral da segurança e proteção contra incêndio para esses potenciais substitutos dos refrigerantes. Lidar especificamente com a proteção contra incêndio para essas substâncias quando usadas em aplicações de refrigeração não faz parte do escopo dos códigos e normas da NFPA.

Os códigos e normas relevantes da NFPA – NFPA 55, Gases Comprimidos e Fluidos Criogênicos; A NFPA 58, Gás Liquefeito de Petróleo e a NFPA 30, Líquidos Combustíveis e Inflamáveis – contudo, podem ter um papel indireto. Por exemplo, se as empresas que lidam com sistemas HVAC começarem a armazenar grandes quantidades de gases ou líquidos inflamáveis, os códigos e normas da NFPA poderão obrigá-las a tomar medidas de proteção adicionais ou diferentes, disse Colonna.

Embora ninguém possa dizer ainda exatamente o que acontecerá à medida que o processo de eliminação dos HFC avance, é quase seguro que apareçam em breve mudanças dos códigos permitindo maiores quantidades de refrigerantes inflamáveis.

“Penso que podemos afirmar que o tamanho de carga para os refrigerantes de classe 2L aumentará provavelmente até certo ponto”, disse Walter. “Um refrigerante não inflamável seria obviamente preferível, mas o próximo passo é ir para um desses refrigerantes de classe 2L e aplicar requisitos de segurança adequados ao equipamento. Estamos tranquilos quanto ao uso seguro dos L2 e estamos trabalhando duro nas normas para que isso possa acontecer.”

Walter, como outros na indústria da segurança, é muito mais cauteloso e inseguro quanto ao aumento dos limites dos refrigerantes de classe 3 como o propano. Se isso acontecer – um grande se – será provavelmente um pequeno aumento, ele disse.

Os varejistas como a Target compreendem essa cautela. Eles também estão muito interessados em descobrir aquilo que será permitido.

“Colocamos a segurança dos visitantes e empregados acima de tudo. Então queremos avançar com cuidado, estar seguros que se realizem os testes e compreender todos os riscos relacionados,” disse Anderson, da Target. “Este é o motivo pelo qual começamos esta parceria com a Fundação de Pesquisa e a NFPA.”

UMA NOVA GERAÇÃO

Os riscos ambientais associados aos hidrofluorocarbonetos levaram a tomar medidas para eliminar progressivamente os químicos usados como refrigerantes na próxima década. Mas os produtos propostos para substituí-los acarretam seus próprios riscos, incluindo a inflamabilidade.

EFEITO PROPAGADOR

Os novos requisitos para refrigerantes afetarão também uma variedade de aplicações de aquecimento, ventilação e climatização.

1,6 bilhões

A estimativa de novas unidades de ar condicionado que serão instaladas globalmente até 2050, de acordo com um estudo do Berkeley National Laboratory. Espera-se que a maior parte do aumento tenha lugar em países em desenvolvimento com climas quentes onde a renda e a população aumentam.

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