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REFRIGERAÇÃO INDUSTRIAL 1. INTRODUÇÃO Em geral, define-se refrigeração como o processo de redução de temperatura de um corpo. O surgimento de novas tecnologias de refrigeração tornou-se essencial para o desenvolvimento e a manutenção de uma gama de atividades industriais, dentre elas a indústria alimentícia em geral, os frigoríficos, a indústria de pescado, as fábricas de gelo, os laticínios e a indústria de bebidas. Os sistemas de refrigeração industriais atualmente utilizados em larga escala nesses e em outros setores econômicos fundamentam-se na capacidade de algumas substâncias, denominadas agentes refrigerantes, absorverem grande quantidade de calor quando am do estado líquido para o gasoso. As características desejáveis para um agente refrigerante são: • ser volátil ou capaz de se evaporar; • apresentar calor latente de vaporização elevado; • requerer o mínimo de potência para sua compressão à pressão de condensação; • apresentar temperatura crítica bem acima da temperatura de condensação; • ter pressões de evaporação e condensação razoáveis; • produzir o máximo possível de refrigeração para um dado volume de vapor; • ser estável, sem tendência a se decompor nas condições de funcionamento; • não apresentar efeitos prejudiciais sobre metais, lubrificantes e outros materiais utilizados nos demais componentes do sistema; • não ser combustível ou explosivo nas condições normais de funcionamento; • possibilitar que vazamentos sejam detectáveis por verificação simples; • ser inofensivo às pessoas; • ter um odor que revele a sua presença; • ter um custo razoável; • existir em abundância para seu emprego comercial. A amônia atende à quase totalidade desses requisitos, com ressalvas apenas para sua alta toxicidade e por tornar-se explosiva em concentrações de 15 a 30% em volume. Ademais, apresenta vantagens adicionais, como o fato de ser o único agente refrigerante natural ecologicamente correto, por não agredir a camada de ozônio, tampouco agravar o efeito estufa. Muito utilizada no ado, a amônia nunca esteve totalmente fora de uso no meio industrial, apesar de ter perdido espaço com a introdução dos clorofluorcarbonos (CFCs) no início dos anos 30. Atualmente, em virtude de suas propriedades termodinâmicas, assim como pelo fato de

ser barata, eficiente e seguras, se utilizada com as devidas precauções, tem se tornado a grande opção em termos de agente refrigerante, conquistando gradualmente novos nichos de mercado.

2. REVISÃO DE LITERATURA

2.1 Ciclos de refrigeração por compressão de vapor

Se um líquido for introduzido num vaso onde existe, inicialmente, um grau de vácuo e cujas paredes são mantidas a temperatura constante, ele se evaporará imediatamente. No processo, o calor latente de vaporização - ou seja, o calor necessário para a mudança do estado líquido para o estado vapor - é fornecido pelas paredes do vaso. O efeito de resfriamento resultante é o ponto de partida do ciclo de refrigeração. À medida que o líquido se evapora, a pressão dentro do vaso aumenta, até atingir, eventualmente, a pressão de saturação para a temperatura considerada. Depois disso, nenhuma quantidade de líquido evaporará, e, naturalmente, o efeito de resfriamento cessará. Qualquer quantidade adicional de líquido introduzido permanecerá neste estado, isto é, como líquido, no fundo do vaso. Se for removida parte do vapor do recipiente, conectando-o ao lado de sucção de uma bomba, a pressão tenderá a cair. O que provocará evaporação adicional do líquido. Neste aspecto, o processo de resfriamento pode ser considerado contínuo. E, para tal, necessita-se: de um fluido adequado, o refrigerante; um recipiente onde a vaporização e o resfriamento sejam realizados, chamado de “evaporador”; e um elemento para remoção do vapor, chamado de “compressor”. O sistema apresentado até agora não é prático, pois envolve um consumo contínuo de refrigerante. Para evitar este problema, é necessário converter o processo num ciclo. Para fazer o vapor retornar ao estado líquido, o mesmo deve ser resfriado e condensado. Usualmente, utiliza-se a água ou o ar como meio de resfriamento, os quais se encontram a uma temperatura substancialmente mais elevada do que a temperatura reinante no evaporador. A pressão de vapor correspondente à temperatura de condensação deve, portanto, ser bem mais elevada do que a pressão no evaporador. O aumento desejado de pressão é promovido pelo compressor. A liquefação do refrigerante é realizada num condensador, que é, essencialmente, um recipiente resfriado externamente pelo ar ou água. O gás refrigerante quente (superaquecido), com alta pressão, é conduzido do compressor para o condensador, onde é condensado. Resta agora completar o ciclo, o que pode ser feito pela inclusão de uma válvula ou outro dispositivo regulador, que será usado para injeção de líquido no evaporador. Este é um componente essencial de uma instalação de refrigeração e é chamado de “válvula de expansão”.

2.1.1Ciclo teórico de refrigeração por compressão de vapor

Um ciclo térmico real qualquer deveria ter para comparação o ciclo de Carnot, por ser este o ciclo de maior rendimento térmico possível. Entretanto, dadas as peculiaridades do ciclo de refrigeração por compressão de vapor, define-se um outro ciclo, que é chamado de “ciclo teórico”, no qual os processos são mais próximos aos do ciclo real e, portanto, torna-se mais fácil comparar o ciclo real com este ciclo teórico (existem vários ciclos termodinâmicos ideais), diferentes do ciclo de Carnot, como o ciclo ideal de Rankine, dos sistemas de potência a vapor, o ciclo padrão ar Otto, para os motores de combustão interna a gasolina e álcool, e o ciclo padrão ar Brayton, das turbinas a gás. Este ciclo teórico ideal terá melhor desempenho operando nas mesmas condições do ciclo real. A Figura 2.1 mostra um esquema básico de um sistema de refrigeração por compressão de vapor, com seus principais componentes, e o seu respectivo ciclo teórico construído sobre um diagrama de Mollier, no plano P-h. Os equipamentos esquematizados na Figura 1 representam, genericamente, qualquer dispositivo capaz de realizar os respectivos processos específicos indicados.

Figura 1: Ciclo teórico de refrigeração por compressão de vapor.

Os processos termodinâmicos que constituem o ciclo teórico nos respectivos equipamentos são:

- Processo 1.2. Ocorre no compressor, sendo um processo adiabático reversível e, portanto, isentrópico, como mostra a Figura 1. O refrigerante entra no compressor à pressão do evaporador (Po) e com título igual a 1 (x = 1). O refrigerante é então comprimido até atingir a pressão de condensação (Pc).Ao sair do compressor, está superaquecido à temperatura T2, que é maior que a temperatura de condensação TC. - Processo 2.3. Ocorre no condensador, sendo um processo de rejeição de calor, do refrigerante para o meio de resfriamento, à pressão constante. Neste processo o fluido frigorífico é resfriado da temperatura T2 até a temperatura de condensação, TC. A seguir, é condensado até se tornar líquido saturado na temperatura T3, que é igual à temperatura TC. - Processo 3.4. Ocorre no dispositivo de expansão, sendo uma expansão irreversível à entalpia constante (processo isentálpico), desde a pressão de condensação PC, e o líquido saturado (x = 0), até a pressão de vaporização (Po).Observe que o processo é irreversível e,portanto, a entropia do refrigerante na saída do dispositivo de expansão (s4) será maior que a entropia do refrigerante na sua entrada (s3). - Processo 4.1. Ocorre no evaporador, sendo um processo de transferência de calor à pressão constante (Po) e, conseqüentemente, à temperatura constante (To), desde vapor úmido (estado 4) até atingir o estado de vapor saturado seco (x = 1). Observe que o calor transferido ao refrigerante no evaporador não modifica a temperatura do refrigerante, mas somente muda sua qualidade (título).

2.1.2Ciclo real de compressão de vapor

As diferenças principais entre o ciclo real e o ciclo teórico estão mostradas na Figura 2. Uma da diferença está na queda de pressão nas linhas de descarga (líquido e de sucção), assim como no condensador e no evaporador. Estas perdas de carga, Pd e Ps, estão mostradas na Figura 2.

Figura 2. Diferença entre o ciclo teórico e o real de refrigeração.

Outras diferenças são o sub-refriamento do refrigerante na saída do condensador (nem todos os sistemas são projetados com sub-refriamento) e o superaquecimento na sucção do compressor, sendo este também um processo importante, que tem a finalidade de evitar a entrada de líquido no compressor. Outro processo importante é o de compressão, que, no ciclo real é politrópico (s1 s2) e no processo teórico é isentrópico. Devido ao superaquecimento e ao processo politrópico de compressão, a temperatura de descarga do compressor (T2) pode ser muito elevada, tornando-se um problema para os óleos lubrificantes usados nos compressores frigoríficos. A temperatura de descarga não deve ser superior a 130ºC, o que, por vezes, exige o resfriamento forçado do cabeçote dos compressores, principalmente quando são utilizados os refrigerantes R717 e R22 (com baixas temperaturas de evaporação). Muitos outros problemas de ordem técnica, dependendo do sistema e de sua aplicação, podem introduzir diferenças significativas além das citadas.

2.2 Sistemas multipressão

O sistema multipressão é um sistema de refrigeração, por compressão de vapor, que possui dois ou mais níveis de baixa pressão. Entende-se por baixa pressão aquela reinante entre o dispositivo de expansão e da sucção do compressor. Um sistema multipressão pode ser encontrado, por exemplo, em uma indústria de laticínios, onde um evaporador opera a -35ºC para produzir sorvetes, enquanto outro evaporador opera a 2ºC para resfriar leite. Outro exemplo da aplicação de sistemas multipressão são os matadouros frigoríficos, onde existem câmaras de congelamento de carne bovina com temperaturas de vaporização da ordem de -35ºC e, entre outras, câmaras de desossa, onde a temperatura de vaporização é da ordem de +5ºC. Outra aplicação típica poderia ser um processo industrial no qual um arranjo de dois ou três estágios de compressão serve um evaporador com temperaturas abaixo de -20ºC. A Figura 3 mostra um sistema típico de refrigeração multipressão com dois estágios de compressão de vapor, utilizado em matadouro-frigorífico, cujo refrigerante é a amônia. Dois elementos que freqüentemente integram os sistemas multipressão são o separador de líquido e o separador-resfriador de líquido.

2.2.1 Vantagens do sistema multipressão

Em sistemas multipressão, a remoção e a recompressão do vapor produzido pela redução de pressão antes de se completar a expansão reduz a potência requerida pelo compressor, para uma mesma capacidade de refrigeração. A redução da vazão de refrigerante que circula pelo evaporador possibilita ainda a redução das dimensões das linhas de líquido que conectam o separador com o evaporador, bem como a linha de sucção do compressor. Por

último, pode-se dizer que, para uma mesma pressão de evaporação, os sistemas multipressão requerem menor capacidade (deslocamento volumétrico) do compressor.

Figura 3 - Sistema multipressão típico de matadouro-frigorífico (refrigerante: amônia)

O resfriamento intermediário reduz a temperatura do refrigerante na descarga do compressor no estágio de alta pressão. Temperaturas elevadas podem causar carbonização do óleo, formação de goma nas válvulas de issão, descarga do compressor e dificuldades de lubrificação em compressores alternativos. O resfriamento intermediário entre estágios de compressão também pode reduzir a potência requerida, pelo menos quando o refrigerante é a amônia. Para outros refrigerantes, a potência pode aumentar, porém a temperatura do fluido frigorífico na descarga do compressor será sempre menor. Uma vantagem adicional da utilização de múltiplos estágios de compressão é que se reduz a diferença de pressão em que trabalha o compressor, reduzindo-se assim o desgaste nas superfícies dos mancais. Qualquer decisão de se utilizar sistemas multipressão deve ser baseada em uma análise econômica. A redução na potência consumida precisa compensar o custo dos equipamentos adicionais para justificar tal investimento. Fatores como o refrigerante usado, o tipo do compressor (alternativo, parafuso, centrífugo, etc.) e a capacidade frigorífica do sistema também influenciam na decisão. Como exemplo pode-se citar que, considerando a amônia como

refrigerante, as temperaturas de vaporização mínimas praticáveis para compressores alternativos simples são de -30ºC; para duplo estágio de -50ºC; e para sistemas de três estágios de compressão as temperaturas de vaporização mínimas, de -70ºC, o que já fornece uma indicação do tipo de instalação que deverá ser utilizado.

2.2.2 Separador de líquido

A Figura 3 mostra esquematicamente um separador de líquido e sua localização no sistema, bem como os processos termodinâmicos e os estados do refrigerante num diagrama P x h. O estado do refrigerante no ponto 2 pode ser representado por uma mistura de refrigerante no estado de líquido saturado com refrigerante no estado de vapor saturado, ambos na mesma pressão do ponto 2. Para estas condições, o vapor saturado não tem efeito frigorífico. Assim, seria vantajoso utilizar um sistema para diminuir a quantidade de refrigerante que chega ao evaporador e que não possui efeito frigorífico, isto é, refrigerante na forma de vapor. Isto pode ser feito expandindo-se o liquido saturado de 1 até 3. Em seguida, o líquido é separado do vapor, o qual deve ser recomprimido até uma pressão igual a do ponto 1 (pressão de condensação).Por sua vez, o líquido separado (estado 4) é expandido até a pressão do estado 5.Deve-se observar que expandir o líquido do estado 4 até o 5 é mais vantajoso, pois de 5 para 2 há efeito frigorífico; isto é, o título do refrigerante (quantidade de vapor) no estado 5 é menor do que no estado 2.

2.2.2.1 Separador-resfriador de líquido

O separador de líquido e resfriador, também conhecido como separador-resfriador de líquido, é, basicamente, igual ao separador de líquido simples, tendo, adicionalmente, um trocador de calor, do tipo serpentina, instalado em seu interior, o qual irá possibilitar o subresfriamento de outra linha de refrigerante. A Figura 4 mostra, esquematicamente, um separador-resfriador de líquido e os estado do refrigerante num diagrama P x h. Neste sistema, pode-se sub-resfriar parte do refrigerante que sai do condensador, antes de provocar sua expansão.

Figura 3 - Esquema de um separador de líquido

Figura 4 - Esquema de um separador de líquido e resfriador (separador-resfriador)

2.3 Resfriamento entre estágios

O resfriamento entre estágios (resfriamento intermediário) em compressores de dois estágios de compressão e instalações que não utilizam separador de líquido também é muito utilizado, sendo que pode proporcionar redução de potência consumida, além de resultar em temperaturas mais baixas do refrigerante no estágio de alta pressão (descarga do compressor de alta). A Figura 5 mostra, esquematicamente, um sistema com resfriamento entre estágios dotado de trocador de calor que pode ser resfriado a água ou ar, bem como os diagramas P x v e P x h para o processo de compressão. Para sistemas de dois estágios de compressão, considerando que a substância de trabalho (refrigerante) tem comportamento de gás ideal, pode-se mostrar que para se obter o trabalho mínimo de compressão,quando o resfriamento entre estágios é completo

e com trocador de calor, a pressão intermediária (pressão entre os dois estágios de compressão) é dada por:

Para sistemas frigoríficos, em geral, o resfriamento intermediário não pode ser realizado completamente por um agente externo (água ou ar), devido aos baixos níveis de temperatura que deveriam ser alcançados na pressão intermediária. Assim, utiliza-se, normalmente, uma parcela do próprio refrigerante, expandido até a pressão intermediária, para realizar o resfriamento do fluído que deixa o compressor de baixa pressão. Conseqüentemente, para os sistemas e substâncias reais o valor da pressão intermediária que resulta na máxima eficiência do sistema é um pouco superior ao valor dado pela equação acima.

2.4 Ciclos de compressão de vapor multipressão

O separador de líquido mostrado no sistema frigorífico da Figura 6 apresenta desvantagens práticas na sua operação. O refrigerante na fase líquida dentro do tanque de expansão está saturado à pressão intermediaria. Se o evaporador do sistema frigorífico estiver fisicamente posicionado acima do separador de líquido ou se houver qualquer transferência de calor entre o separador de líquido e a válvula de expansão, algum líquido irá evaporar antes de chegar na válvula de expansão, o que, como se sabe, prejudica sua eficiência. Além deste fato, a operação da válvula de expansão pode-se tornar deficiente, devido ao pequeno diferencial de pressão sobre ela. A Figura 7 mostra, esquematicamente, um ciclo multipressão largamente utilizado em sistemas de refrigeração que utilizam como refrigerante a amônia. Este sistema utiliza um separador-resfriador de líquido,que sub-resfria o refrigerante antes de este chegar à válvula de expansão, eliminando a desvantagem apresentada no caso anterior. Além disso, a diferença de pressão através da válvula é muito maior neste caso, pois o líquido na entrada da válvula, teoricamente, está na pressão de condensação, ao invés da pressão intermediária. Entretanto, o uso do separador-resfriador de líquido resulta em um coeficiente de desempenho ligeiramente menor do que no caso da utilização do separador de líquido simples, uma vez que não é possível resfriar o líquido até a temperatura de saturação no tanque.

Figura 5 - Comparação entre compressão em estágio único e dois estágios

Figura 6 - Esquema de um sistema multipressão com separador de líquido e trocador de calor economizador

Figura 7 - Esquema de um sistema multipressão com separador-resfriador de líquido e trocador de calor economizador

Na Figura 8 é mostrado um esquema de um sistema multipressão de dois estágios de compressão, apropriado para utilização do refrigerante R22, e o respectivo ciclo termodinâmico num diagrama P x h. O vapor descarregado pelo compressor de baixa pressão não é resfriado separadamente por um trocador de calor, e sim pela mistura com o refrigerante saturado do separador-resfriador de líquido. Neste caso, o separador-resfriador de líquido é tipicamente do tipo não inundado. Ao invés da válvula de bóia, como mostrado na Figura 7 e na Figura 8, usase uma válvula de expansão termostática no separador-resfriador de líquido. O bulbo remoto desta válvula de expansão está instalado na linha de sucção do compressor de alta pressão, num ponto após a mistura das duas correntes de fluído.

Figura 8 - Esquema de um sistema multipressão típico para utilização com R22

Os sistemas indicados na Figura 7 e na Figura 8 são freqüentemente utilizados para aplicações industriais e comerciais. A indústria alimentícia, a indústria de gelo e as câmaras frigoríficas de baixa temperatura são normalmente resfriadas desta maneira. Os refrigerantes R12, R22 e R134a são utilizados em sistemas do tipo mostrado na Figura 8 para câmara de teste de baixa temperatura e câmaras de controle ambiental. Os sistemas multipressão são bastante flexíveis em suas aplicações. Um ou mais evaporadores podem operar à pressão intermediária, além do evaporador de baixa temperatura, como mostrado na Figura 3. Com a utilização de válvulas de controle de pressão pode-se ainda trabalhar com evaporadores operando em outras temperaturas.

3. COMPRESSORES

3.1 Introdução Compressores podem ser definidos como estruturas mecânicas industriais destinadas, essencialmente, a elevar a energia utilizável de gases, pelo aumento de sua pressão. A compressão de um gás pode ser feita adiabaticamente ou com transferência de calor, dependendo da finalidade para a qual o gás está sendo comprimido; se o mesmo vai ser usado em um motor ou em um processo de combustão, a compressão adiabática é desejável a fim de se obter a maior energia disponível (exergia) no gás após o processo de compressão. Em muitas aplicações, no entanto, o gás é armazenado em um tanque para ser empregado posteriormente. Durante o processo de armazenagem há perda de calor para a atmosfera e quando o gás for usado estará praticamente à temperatura ambiente. Neste caso, a compressão com transmissão de calor é mais vantajosa. Gases comprimidos armazenados à temperatura ambiente são empregados para diversas finalidades; os exemplos mais comuns são o uso de ar comprimido em ferramentas pneumáticas, para controle pneumático de máquinas ou processos, como veículo de transporte de partículas sólidas (transporte pneumático), como propelente para tintas e vernizes, para limpeza industrial (puro ou em emulsão com água e detergentes), etc.

3.2 - Definições de eficiências para compressores A avaliação do desempenho de um compressor normalmente é realizada através do conceito de eficiência. Este conceito permite comparar o desempenho de diferentes compressores realizando uma mesma tarefa ou para comparar o desempenho de uma mesma máquina operando em diferentes condições. Várias são as definições possíveis para o conceito de eficiência. Tradicionalmente são adotadas as definições de eficiência isentrópica (sc), eficiência isotérmica (it) e eficiência

politrópica (pc). A primeira é empregada basicamente para compressores axiais e centrífugos operando sem resfriamento. A segunda é adotada para compressores a pistão operando com resfriamento. A terceira é adotada como critério de avaliação de quanto que o processo real se afasta do politrópico devido a perdas e atritos internos. As equações a seguir mostram cada uma das definições acima citadas:

SC =

WS WC

(1)

IC =

WIT WC

(2)

PC =

WP WC

(3)

onde Wc representa o trabalho de eixo fornecido ao compressor Ws representa o trabalho de compressão isentrópica Wit representa o trabalho de compressão isotérmica Wp representa o trabalho de compressão politrópica.

Usando o conceito de exergia, pode-se definir uma eficiência exergética para o compressor, relacionando a variação de exergia obtida pela compressão ao trabalho de eixo fornecido:

EX =

exf 2  exf 1 (h2  h1 )  TO ( s2  s1 ) = WC WC

(4)

Esta definição, apesar de pouco usada atualmente, é a que efetivamente compara um trabalho reversível entre os estados inicial e final do gás, com o trabalho real, sem recorrer a processos auxiliares (isoentrópico, isotérmico ou politrópico).

3.3 - A compressão por estágios

À medida que se requer maior pressão de um dado compressor (a pressão de descarga se aproxima da pressão máxima), o rendimento volumétrico aparente se reduz, como pode ser visto pela equação (1). Consequentemente, o fluxo de massa que escoa através do compressor também se reduz. Para evitar este problema pode-se realizar a compressão em estágios, onde o segundo compressor aspira a partir da descarga do primeiro e assim por diante. Se entre dois estágios consecutivos se faz um inter-resfriamento, o trabalho consumido por kg de ar comprimido se reduz, como pode ser visto na Figura 5.

Se o número de estágios entre dois níveis de pressão é aumentado, e entre cada estágio há um inter-resfriador, o processo tende a uma compressão isotérmica e portanto a um menor trabalho requerido por kg de gás comprimido. Evidentemente, por razões econômicas, há um número adequado de estágios para cada nível de pressão pretendido.

Figura 5: Compressão em dois estágios

Figura 6: Diagrama T x S para compressão em dois estágios

O diagrama T x S para a compressão em dois estágios pode ser visto na Figura 6 e corresponde à montagem experimental completa que temos no laboratório: uma compressão até

a pressão intermediária Pinterm., politrópica, com resfriamento a ar (Q1) no corpo do compressor, seguida de um inter-resfriamento a água (Q2), nova compressão até a pressão final P2, também politrópica com resfriamento a ar (Q3) e finalmente um pós-resfriamento a água (Q4). As áreas hachuradas correspondem às perdas de calor do gás para o fluido refrigerante (ar ambiente ou água nos trocadores contra-corrente). Pode-se mostrar que, uma vez escolhido o número de estágios, a relação de pressão para cada estágio é dada pela expressão abaixo (considerando-se que o ínter-resfriamento restitui o gás sempre à temperatura de sucção do primeiro estágio):

rP EST

1Z

P  =  2   P1 

onde z é o número de estágios.

(6)

COMPRESSORES ALTERNATIVOS DESCRIÇÃO DO EQUIPAMENTO O compressor é uma máquina que tem como principal função aumentar a pressão de um gás ou escoamento gasoso. Este aumento pode ser desde 1,0 atm até milhares de atmosferas (processos industriais). Estes tem diversas características físicas que dependem da função que desempenham. Assim apresentam-se os seguintes tipos: -Compressores de ar para serviços ordinários. Estes compressores são fabricados em série e tem baixo custo inicial. Destinam-se normalmente a serviços de limpeza, pintura e acionamento de pequenas máquinas pneumáticas.

-Compressores de ar para serviços industriais. São máquinas grandes, que apresentam alto custo de aquisição e de operacionalidade. Destinam-se às centrais encarregadas do suprimento de ar em unidades industriais.

-Compressores de refrigeração. São compressores desenvolvidos com um objetivo particular, o da refrigeração. Operam com fluidos bastante específicos e em condições de sucção e descarga pouco variáveis, possibilitando assim o seu fabrico em série. Os compressores alternativos são compressores volumétricos que conseguem a elevação de pressão através da redução do volume de uma câmara (cilindro) ocupada pelo gás. Esse aumento é conseguido através de um pistão ou embolo ligado a um sistema rotativo bielamanivela, no seu percurso na direção da cabeça do compressor (cabeçote). O mecanismo é essencialmente o seguinte, na etapa de issão o pistão movimenta-se em sentido contrário ao cabeçote, fazendo com que haja uma tendência de depressão no interior do cilindro que propicia a abertura da válvula de sucção. O gás é então aspirado. Ao inverter-se o sentido de movimentação do pistão, a válvula de sucção fecha-se e o gás é comprimido até que a pressão interna do cilindro seja suficiente para promover a abertura da válvula de descarga ( a etapa de compressão ). Quando se abre a válvula de descarga, a movimentação do pistão faz com que o gás seja expulso do interior do cilindro. Essa situação corresponde à etapa de descarga e dura até que o pistão termine o seu movimento no sentido do cabeçote. No entanto, nem todo o gás anteriormente comprimido é expulso do cilindro. A existência de um espaço morto, compreendido entre o cabeçote e o pistão no final do deslocamento, faz com que a pressão no interior do cilindro não caia instantaneamente quando se inicia o curso de retorno. Nesse momento, a válvula de descarga fecha-se, mas a de issão só se abrirá quando a pressão interna cair o suficiente para o permitir. Essa etapa, em que as duas válvulas estão bloqueadas e o pistão se movimenta em sentido inverso ao do cabeçote, se denomina etapa de expansão, e precede a etapa de issão de um novo ciclo. Os compressores de refrigeração apresentam-se em 3 distintas concepções diferentes: -Aberto, em que o eixo de acionamento atravessa a carcaça, sendo portanto acionado por um

motor exterior. É o único que existe em sistemas que utilizam o amoníaco como fluido refrigerante, podendo também operar com fluidos halogenados. -Semi-hermético, onde a carcaça exterior aloja tanto o compressor propriamente dito quanto o motor de acionamento. -Hermético, são semelhantes aos anteriores diferindo apenas no fato de a carcaça ser uma caixa fechada, que apresenta apenas entradas e saídas para o fluido e para as conexões elétricas do motor. Estes têm uma aplicação típica essencialmente em pequenos sistemas de ar condicionado e refrigeração.

Esses podem ser subdivididos em compressores de um estágio de compressão ou de dois estágios de compressão. Relativamente aos compressores de ar, estes podem também ser subdivididos consoante a aplicação para que foram destinados, estão assim tipificados: -Compressores com um ou mais ( 2, 3 ou 4 ) estágios de compressão. -Compressores arrefecidos a ar ou a água ( exclusivo dos compressores a ar e tem como objetivo arrefecer o ar, aumentando assim a massa de ar que é comprimida ). -Compressores lubrificados ou não ( onde a qualidade do ar é importante ). Existem dois aspecto muito importante a nível econômico que convém referir, que são os cuidados a ter na instalação e na manutenção. Os cuidados de manutenção ( controlo ) devem ser elevados para não se ter grandes gastos posteriores na reparação. Um dos cuidados a ter de manutenção ( estes são diretamente proporcionais ao tempo de operação dos compressores ) é evitar a libertação de fluido devido a fugas quer esteja em serviço ou não. Estas fugas tanto podem ser do fluido utilizado como do óleo lubrificante. Há que ter em atenção mudanças de óleo periódicas ( má lubrificação origina vibrações e desgaste do material ) e de filtros, que no caso de não estarem em condições provocam uma diminuição da pressão de compressão e prejudicam a qualidade do ar ( só para os compressores de ar ). Tendo em conta isto, deve-se proceder substituição periódica das componentes desgastadas quando necessário. No caso da entrada de qualquer fluido no estado líquido para o cilindro há uma tendência para as válvulas se estragarem, por isso deve-se proceder a inspeções e posteriormente solucionar o problema. Algo que também ocorre e é necessário evitar é o entupimento dos instrumentos, o enferrujar das tubagens e a colagem das válvulas. Estes problemas associados ao compressor são originados por ser normal haver condensação de vapor de água quando da compressão, de modo a que se formar água. Este último problema é principalmente originário nos compressores a ar. No caso dos cuidados a ter na instalação é necessário que se aplique um compressor que esteja dimensionado para o sistema onde este irá ser implementado, de modo a preservar o seu bom funcionamento. Assim deve-se proceder à instalação do compressor, o mais próximo possível da aplicação, num local de fácil o para se fazer uma manutenção eficaz e com uma boa ventilação para não haver o perigo de concentração de gases ( no caso dos compressores de refrigeração ) e de aquecimento excessivo do equipamento ( se por ventura a temperatura for muito elevada pode provocar o desligar não programado e diminuição da vida do lubrificante ). Tem que se ter também a preocupação da temperatura não ser muito baixa neste local, como conseqüência de resultar um arranque lento do motor e uma possível má aplicação do fluido. No caso principalmente dos compressores a ar por estes terem tendência a formar água na instalação ( como foi dito anteriormente pode ser prejudicial ), utiliza-se purgas para a retirar,

no entanto se o ambiente tiver condições mais adversas, avalia-se a necessidade de instalar algo para secagem do ar. Há que ter em conta também para este tipo de compressor, os filtros de ar que é necessário utilizar na instalação, dependendo muito da qualidade do ar que queremos comprimir e da qualidade do ar do ambiente donde este é proveniente. O rendimento é razão entre quantidade que se pretende obter pela quantidade que se tem que gastar. É também o produto do rendimento isentrópico de compressão pelo rendimento mecânico. Assim este é razão entre a quantidade efetiva de trabalho ( por ciclo e por cilindro ), pela a quantidade teórica de trabalho realizado por ciclo e por cilindro. Tem em conta todas as perdas mecânicas derivadas da fricção. O rendimento isentrópico de compressão é a razão entre trabalho atual, pelo trabalho realizado isentropicamente no compressor. Representa as perdas de carga do fluido e as perdas de calor no cilindro. Este rendimento, para o caso de compressores com um estágio de compressão é da ordem dos 88% e com mais do que um estágio é de 75%. Isto verifica que, o valor do rendimento global de um compressor alternativo se encontre entre os 72% e os 78%, dependendo de como varia a sua taxa de compressão. Os problemas associados com a energia tem a sua principal origem no seu excessivo consumo, quer pelo desperdício financeiro, quer pela poluição que provocam a mais ( no caso de o motor não ser elétrico ). Um cuidado a ter com a energia é utilizar a voltagem mais próxima da apropriada do compressor, que irá garantir um maior tempo de vida, isto é vai evitar problemas desnecessários. Sabe-se que um compressor gasta menos a carga máxima, por isso se numa instalação de vários compressores, estes não tiverem todos a mesma potência, verifica-se que o mais potente vai trabalhar a uma carga máxima e os outros a carga parcial, indo por isso operar a uma eficiência muito menor. Isto pode ser ultraado por um método de controlo das válvulas, de modo a que carga é partilhada igualmente por todos os compressores. Estes podem também ter a capacidade de parar e arrancar quando por exemplo, não for necessário a utilização de um número ótimo de compressores para uma certa potência de operação. Assim as duas causas fundamentais para haver eficiência e por conseguinte um menor consumo de energia são, ser bem dimensionados e não apresentar fugas de gás e de óleo. Relativamente aos problemas associados à saúde e ao ambiente pode-se considerar que estão de certo modo relacionados. A nível ambiental os compressores emitem gases que poluem originados por fatores diretos e indiretos. O primeiro consiste na libertação do gás refrigerante ( libertação de gases halogenados derivado a fugas ), que quando localizado na atmosfera tende a destruir a camada de ozônio e é um dos gases responsáveis pelo efeito de estufa se encontrar na troposfera. Estas emissões ( atualmente são controladas através de legislação ) aumentam com o aumento da idade e do tipo de compressor, por exemplo o compressor alternativo aberto tem mais fugas que o hermético. O segundo deriva da combustão essencialmente de gás natural e gasolina ( libertação de CO2 e outros gases ) usados no motor, no caso dos compressores apresentarem motores não elétricos. Estes gases são também responsáveis pelo efeito de estufa, principalmente o dióxido de carbono. Os problemas de saúde podem estar indiretamente relacionados com as emissões dos gases que foram referidos. No entanto os compressores proporcionam outros problemas muito mais imediatos como, a inalação destes gases diretamente ( caso não haja uma boa circulação de ar ), a má qualidade de ar quando esta não é garantida em locais próprios ( por exemplo hospitais ) e o elevado ruído quando do seu funcionamento.

3. COMPRESSORES PARAFUSO

3.1 Introdução

Os compressores parafuso são hoje largamente usados em refrigeração industrial para a compressão de amônia e outros gases. Conceitualmente simples, a geometria dessas máquinas é de difícil visualização, e muitas pessoas utilizam os compressores parafuso, tendo somente uma vaga idéia de como eles realmente operam. Uma compreensão dos princípios básicos de sua operação irá contribuir para a sua correta utilização, evitando problemas e alcançando um melhor desempenho global da instalação.

3.2 Construção

Um compressor parafuso típico, selado com óleo, é uma máquina de deslocamento positivo que possui dois rotores acoplados, montados em mancais para fixar suas posições na câmara de trabalho numa tolerância estreita em relação à cavidade cilíndrica. O rotor macho tem um perfil convexo, ao contrário do rotor fêmea, que possui um perfil côncavo. A forma básica dos rotores é semelhante à uma rosca sem-fim, com diferentes números de lóbulos nos rotores macho e fêmea (Figura 9). Freqüentemente, os rotores macho têm 4 e os fêmeas 6. Alguns compressores com tecnologia mais recente, possuem a configuração 5+7. Qualquer um dos dois rotores pode ser impulsionado pelo motor.

Figura 9. Geometria básica do compressor parafuso.

Quando o rotor fêmea é acoplado ao motor com uma relação entre os lóbulos de 4+6, a capacidade é 50 % maior que o acoplamento feito no rotor macho, sob as mesmas condições. O torque é transferido diretamente de rotor para rotor e o sentido da rotação é fixo. O dispositivo

de acionamento é geralmente conectado ao rotor macho, e este aciona o rotor fêmea por meio de uma película de óleo. O ciclo de operação possui três fases distintas: - sucção; - compressão; - descarga.

3.4 Vedação

Todos os compressores parafuso utilizados em refrigeração utilizam injeção de óleo na câmara de compressão para lubrificação, vedação e resfriamento. A vedação entre os diferentes níveis de pressão compreende uma estreita faixa entre o engrenamento dos rotores e a periferia dos mesmos na câmara de compressão. O óleo é injetado diretamente na câmara de compressão em uma quantidade suficiente, de forma a minimizar o vazamento e resfriar o gás. Posteriormente, este óleo é separado do gás em um separador de óleo. A utilização da quantidade adequada de óleo permite que este absorva a maioria do calor proveniente da compressão, fazendo com que a temperatura de descarga seja baixa, mesmo quando a razão de compressão for alta. Por exemplo, operando numa razão de compressão 20:1 em simples estágio com amônia sem injeção de óleo, a temperatura de descarga pode chegar a 340ºC. Com o resfriamento de óleo, esta mesma temperatura não excede 90ºC. Entretanto, operando a 20:1 ou mesmo numa razão mais alta e em simples estágio, não há como superar a eficiência dos sistemas de duplo estágio, que não danificam o compressor. As instalações com sistema de duplo estágio são bastante comuns hoje em dia.

3.5 Princípios de Operação

Um compressor parafuso pode ser descrito como uma máquina de deslocamento positivo com dispositivo de redução de volume. Esta ação é análoga à de um compressor alternativo. É útil referir-se ao processo equivalente efetuado por um compressor alternativo, para se entender melhor como funciona a compressão em um compressor parafuso. O gás é comprimido simplesmente pela rotação dos rotores acoplados. Este gás percorre o espaço entre os lóbulos enquanto é transferido axialmente da sucção para a descarga.

3.6 Sucção

Quando os rotores giram, os espaços entre os lóbulos se abrem e aumentam de volume. O gás então é succionado através da entrada e preenche o espaço entre os lóbulos, como na Figura 10. Quando os espaços entre os lóbulos alcançam o volume máximo, a entrada é fechada.

Figura 10: Sucção

Este processo é análogo à descida do pistão num compressor alternativo (Figura 11).

Figura 11 – Processo de Sucção

O refrigerante itido na sucção fica armazenado em duas cavidades helicoidais formadas pelos lóbulos e a câmara onde os rotores giram. O volume armazenado em ambos os lados e ao longo de todo o comprimento dos rotores é definido como volume de sucção (Vs). Na analogia com o compressor alternativo, o pistão alcança o fundo do cilindro e a válvula de sucção fecha, definindo o volume de sucção Vs. Isto pode ser visto na Figura 12. O deslocamento volumétrico do compressor alternativo é definido em termos do volume da sucção, pela multiplicação da área da cavidade pelo percurso do cilindro e pelo número

deles. No caso do compressor parafuso, este deslocamento é dado pelo volume da sucção por fio, vezes o número de lóbulos do motor acionado.

Figura 12: Volume máximo na sucção.

3.7 Compressão

Os lóbulos do rotor macho começarão a encaixar-se nas ranhuras do rotor fêmea no fim da sucção, localizada na traseira do compressor. Os gases provenientes de cada rotor são unidos numa cunha em forma de “V” , com a ponta desse “V” situada na intersecção dos fios, no fim da sucção, como mostrado na Figura 13.

Figura 13: Início da compressão.

Posteriormente, em função da rotação do compressor, inicia-se a redução do volume no “V”, ocorrendo a compressão do gás. O ponto de intersecção do lóbulo do rotor macho e da ranhura do rotor fêmea é análogo à compressão do gás pelo pistão em um compressor alternativo (ver a Figura 14).

Figura 14: Continuação da compressão

3.8 Descarga

Em um compressor alternativo, este processo começa quando da abertura da primeira válvula de descarga. Como a pressão no cilindro excede a pressão acima da válvula, esta se abre, permitindo que o gás comprimido seja empurrado para a descarga. O compressor parafuso não possui válvulas para determinar quando a compressão termina: a localização da câmara de descarga é que determina quando isto acontece como mostrado na Figura 15. O volume do gás nos espaços entre os lóbulos na porta de descarga é definido como volume de descarga (Vd).

Figura 15: Início da descarga

São utilizadas duas aberturas: uma para descarga radial na saída final da válvula de deslizamento e uma para descarga axial na parede de final da descarga. Estas duas acarretam uma liberação do gás comprimido internamente, permitindo que seja jogado na região de descarga do compressor. O posicionamento da descarga é muito importante, pois controla a compressão, uma vez que determina a razão entre volumes internos (Vi). Para se atingir a maior eficiência possível, a razão entre volumes deve possuir uma relação com a razão entre pressões.

Figura 16: Descarga

Em um compressor alternativo, o processo de descarga é finalizado quando o pistão alcança o ponto superior da câmara de compressão e a válvula de descarga se fecha. No compressor parafuso, isto ocorre quando o espaço antes ocupado pelo gás é tomado pelo lóbulo do rotor macho (ver Figura 17).

Figura 17 – Fim da descarga

Os compressores alternativos sempre têm uma pequena quantidade de gás (espaço morto) que é deixado no topo do cilindro de compressão e se expande no próximo ciclo, desta

forma, ocupando um espaço que poderia ser utilizado para aumentar a massa de refrigerante succionado. No final da descarga de um compressor parafuso, nenhum volume “nocivo” permanece no interior da câmara de compressão, ou seja, todo o gás é jogado para fora. Esta é uma razão que faz com que os compressores parafuso sejam capazes de operar com razões de compressão mais altas do que os compressores alternativos.

3.9 Razão entre Volumes

Em um compressor alternativo, as válvulas de descarga abrem quando a pressão no cilindro excede a pressão na descarga. Pelo fato do compressor parafuso não possuir válvulas, a localização da câmara de descarga determina a máxima pressão que será conseguida nos lóbulos, antes do gás ser empurrado para fora. A razão entre volumes é uma característica de projeto fundamental em todos os compressores parafuso. O próprio compressor é um dispositivo de redução de volume. A comparação entre o volume de gás na sucção (Vs) e o volume de gás na câmara de compressão quando a descarga se abre define a razão de redução de volumes do compressor (Vi), que determina a razão de pressão do compressor através das relações abaixo: Vi = Vs/Vd onde : Vi = razão entre volumes Vs = volume na sucção Vd = volume na descarga Pi = Vi . onde : Pi = razão entre pressões = calor específico do gás Somente a pressão de sucção e a razão entre volumes definem o nível de pressão do gás antes da abertura da câmara de descarga. Entretanto, em todos os sistemas de refrigeração, a pressão de descarga do sistema é determinada pela temperatura de condensação, e a temperatura de evaporação determina a pressão de sucção.

Figura 10 – Volume dos espaços entre lóbulos

Se a razão entre volumes do compressor for muito alta para uma dada condição de operação, a descarga do gás tornar-se-á muito longa e a pressão ficará acima da pressão de descarga.

Este fenômeno é denominado sobre-compressão e é representado por um diagrama pressão-volume, conforme apresentado na Figura 18. Neste caso, o gás é comprimido acima da pressão de descarga e quando ocorre a abertura da descarga, a alta pressão do gás faz com que ocorra a expansão do refrigerante para a tubulação de descarga, fora do compressor. Isto acarreta um trabalho maior do que se a compressão tivesse sido interrompida quando a pressão interna fosse igual a pressão na câmara de descarga.

Figura 18: Sobre-compressão - Diagrama P x V.

Quando a razão entre volumes é muito baixa para as condições de operação do sistema, isto é chamado sub-compressão e está representada na Figura 19. Neste caso a abertura da porta de descarga acontece antes que a pressão do gás alcance a pressão de descarga. Isto faz com que o gás que estava do lado de fora do compressor invada a câmara de compressão, elevando a pressão imediatamente para o nível de pressão da descarga. O compressor tem que trabalhar com um nível de pressão mais alto, no lugar de trabalhar com uma gradual elevação do nível de pressão.

Figura 19: Sub-compressão - Diagrama P x V.

Nos dois casos, o compressor ainda funcionará, e o mesmo volume de gás será deslocado, porém com uma potência requerida maior do que aquela que seria utilizada se as aberturas de descarga estivessem localizadas corretamente, de modo a equiparar a razão entre volumes com a necessidade do sistema. Isto gera um custo de energia maior. Projetos de razão entre volumes variável são usados para otimizar a localização da câmara de descarga e minimizar a potência requerida.

Figura 20: Compressão ideal - Diagrama P x V.

4. SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO POR AMÔNIA

4.1 Definição Os sistemas de refrigeração por amônia consistem de uma série de vasos e tubulações interconectados, que comprimem e bombeiam o refrigerante para um ou mais ambientes, com a finalidade de resfriá-los ou congelá-los a uma temperatura específica. Sua complexidade varia tanto em função do tamanho dos ambientes, quanto em função das temperaturas a serem atingidas. Como se trata de sistemas fechados, a partir do carregamento inicial, o agente somente é adicionado ao sistema quando da ocorrência de vazamento ou drenagem. A quantidade de amônia nos sistemas varia de menos de 2.000kg a mais de 100.000kg, sendo um desafio, porém, calcular a quantidade da substância existente em sistemas antigos, mantidos em funcionamento, às vezes, há décadas. As pressões podem atingir níveis elevados, entre 10 a 15 Kg/cm2. A produção do frio em circuito fechado foi proposta por Oliver Evans em 1805, e sua aplicação à indústria começou na segunda metade do século XIX. Os processos de refrigeração variam bastante, assim como os agentes refrigerantes. Porém, os princípios básicos continuam

sendo a compressão, liquefação e expansão de um gás em um sistema fechado. Ao se expandir, o gás retira o calor do ambiente e dos produtos que nele estiverem contidos. De uma forma simplificada, podem-se perceber três componentes distintos nos sistemas de refrigeração: o compressor, o condensador e o evaporador. O compressor é geralmente constituído por uma bomba dotada de um tubo de aspiração e compressão, possuindo um dispositivo que impede fugas de gás e entrada de ar atmosférico. Situado entre o evaporador e o condensador, aspira a amônia evaporada e a encaminha ao condensador sob a forma de um vapor quente sob pressão elevada. O condensador é formado geralmente por uma série de tubos de diâmetro diversos, unidos em curvas, podendo ser dotados exteriormente de hélices que garantem o mais perfeito aproveitamento das superfícies de contato. É resfriado por uma corrente de água em seu exterior. Nas pequenas instalações, o resfriamento é normalmente feito pelo próprio ar atmosférico. A amônia gasosa vinda do compressor liquefaz-se ao entrar em contato com a temperatura fria do condensador, sendo em seguida encaminhada para um depósito, de onde ará ao evaporador. O evaporador consiste geralmente de uma série de tubos, as serpentinas, que se encontram no interior do ambiente a ser resfriado. A amônia sob forma líquida evapora-se nesses tubos, retirando calor do ambiente na agem ao estado gasoso. Sob a forma gasosa, volta ao condensador pelo compressor, fechando assim o ciclo.

4.2 A Amônia Ponto de Ebulição: 33,35ºC Peso Molecular: 17 g/mol Ponto de Fusão: 77,7ºC Densidade 20ºC: 0,682 g/cm3 Aparência e Odor: Gás comprimido liquefeito, incolor, com odor característico. Ponto de fulgor: Gás na temperatura ambiente Temperatura Auto-Ignição: 651ºC LIE: 16% (Limite Inferior de Explosividade) LSE: 25% (Limite Superior de Explosividade) Limite de Tolerância (NR-15, Anexo 11): 20 ppm ou 14 mg/m3 IPVS: 300 ppm (Atmosfera imediatamente perigosa à vida e à saúde) OSHA: 15min STEL: 35 ppm, 24 mg/m3 ACGIH/TWA: 25 ppm, 17 mg/m3 NIOSHI: 5 mg: 50 ppm, 35 mg/m3 Solubilidade em água: Alta – 1 vol. de água dissolve 1.300 volumes do gás Absorção de calor: Alta - 1,1007 cal/g°C (H2O: 1cal/g°C ) *Fonte: OSHA/EUA; NR-15.

A amônia, com símbolo químico NH3, é constituída por um átomo de nitrogênio e três de hidrogênio, apresentando-se como gás à temperatura e pressão ambientes. Liquefaz-se sob pressão atmosférica a -33,35ºC. É altamente higroscópica, e a reação com a água forma NH4OH, hidróxido de amônia, líquido na temperatura ambiente, que possui as mesmas propriedades químicas da soda cáustica. É estável quando armazenada e utilizada em condições normais de estocagem e manuseio. Acima de 450ºC, pode decompor-se, liberando nitrogênio e hidrogênio. É facilmente detectada a partir de pequeníssimas concentrações (5 ppm) no ar pelo seu cheiro sui generis. Apresenta risco moderado de incêndio e explosão, quando exposta ao calor ou chama. A presença de óleo e outros materiais combustíveis aumentam o risco de incêndio. Em contato com halogênios, boro, 1.2 dicloroetano, óxido de etileno, platina, triclorato de nitrogênio e fortes oxidantes, pode causar reações potencialmente violentas ou explosivas. Em contato com metais pesados e seus compostos, pode formar produtos explosivos. O contato com cloro e seus compostos, pode resultar na liberação do gás cloroamina. Produz mistura explosiva quando em contato com hidrocarbonetos, sendo também incompatível com aldeído acético, acroleína, dridrazina e ferrocianeto de potássio. Dentre suas aplicações, destacam-se seus usos como agente refrigerante e na fabricação da uréia, um importante fertilizante. É ainda utilizada na fabricação de têxteis, na manufatura de rayon, na indústria da borracha, na fotografia, na indústria farmacêutica, na fabricação de cerâmicas, corantes e fitas para escrever ou imprimir, na saponificação de gorduras e óleos, como agente neutralizador na indústria de petróleo e como preservativo do látex, dentre outras. O gás é um irritante poderoso das vias respiratórias, olhos e pele. Dependendo do tempo e do nível de exposição podem ocorrer efeitos que vão de irritações leves a severas lesões corporais. A inalação pode causar dificuldades respiratórias, broncoespasmo, queimadura da mucosa nasal, faringe e laringe, dor no peito e edema pulmonar. A ingestão causa náusea, vômitos e inchação nos lábios, boca e laringe. Em contato com a pele, a amônia produz dor, eritema e vesiculação. Em altas concentrações, pode haver necrose dos tecidos e queimaduras profundas. O contato com os olhos em baixas concentrações (10 ppm) resulta em irritação ocular e lacrimejamento. Em concentrações mais altas, pode causar conjuntivite, erosão na córnea e cegueira temporária ou permanente. Reações tardias podem acontecer como catarata, atrofia da retina e fibrose pulmonar. A exposição a concentrações acima de 2.500 ppm por aproximadamente 30 minutos pode ser fatal.

4.3 Riscos dos sistemas de refrigeração por amônia

As instalações frigoríficas, porque trabalham com refrigerantes com características físico químicas especiais e em condições de temperatura, pressão e umidade diferenciadas do habitual, apresentam riscos específicos à segurança e à saúde, relacionados com o tipo agente refrigerante utilizado, assim como com as instalações e equipamentos. As maiores preocupações são os vazamentos com formação de nuvem tóxica de amônia e as explosões. Causas de acidentes são falhas no projeto do sistema e danos aos equipamentos provocados pelo calor, corrosão ou vibração, assim como por manutenção inadequada ou ausência de manutenção de seus componentes, como válvulas de alívio de pressão, compressores, condensadores, vasos de pressão, equipamentos de purga, evaporadores, tubulações, bombas e instrumentos em geral. É importante observar que mesmo os sistemas mais bem projetados podem apresentar vazamentos de amônia, se operados e/ou mantidos de forma precária. São freqüentes os vazamentos causados por: • abastecimento inadequado dos vasos; • falhas nas válvulas de alívio, tanto mecânicas quanto por ajuste inadequado da pressão; • danos provocados por impacto externo por equipamentos móveis, como empilhadeiras; • corrosão externa, mais rápida em condições de grande calor e umidade, especialmente nas porções de baixa pressão do sistema; • rachaduras internas de vasos que tendem a ocorrer nos/ou próximo aos pontos de solda; • aprisionamento de líquido nas tubulações, entre válvulas de fechamento; • excesso de líquido no compressor; • excesso de vibração no sistema, que pode levar a sua falência prematura.

4.4 Gestão segura de Sistemas de Refrigeração Uma instalação segura de refrigeração por amônia sustenta-se em três pilares: • projeto apropriado, orientado por normas e códigos de engenharia; • manutenção eficaz; • operação adequada. Elementos para a gestão da segurança e saúde em estabelecimentos que possuam esse tipo de sistemas devem incluir: • informações de segurança do processo; • análises dos riscos existentes; • procedimentos operacionais e de emergência; • capacitação de trabalhadores; • esquemas de manutenção preventiva; • mecanismos de gestão de mudanças e subcontratação; • auditorias periódicas;

• investigação de incidentes.

4.5 Instalações Cuidados especiais devem ser tomados quanto à instalação da casa de máquinas, que deve ser localizada no térreo, no nível do solo, de preferência em edificação separada. Inexistindo essa possibilidade e havendo necessidade de se mantê-la na mesma edificação onde se realizem outras atividades istrativas ou de produção, a casa de máquinas deverá ser instalada fora do prédio, com o máximo de paredes exteriores possível. Uma ventilação adequada é fundamental e, nos casos de ambientes fechados, o pé-direito deve ser, no mínimo, de 4 metros, existindo pelo menos 2 saídas de emergência. É essencial a existência de detectores de vazamento no local. Os escapamentos dos dispositivos de alívio de pressão devem localizar-se em altura e distante de portas, janelas e entradas de ar – o ideal é mantê-los acima do telhado e pelo menos a 5 metros acima do nível do solo e a mais de 6 metros de distância de janelas, entradas de ar ou portas.

4.6 Equipamentos e Materiais Todos os equipamentos do sistema de refrigeração devem ser adequadamente dimensionados e instalados, além de testados antes de sua operação. É essencial que os componentes, inclusive tubulações, sejam devidamente sinalizados e identificados. Condensadores, compressores, outros vasos, evaporadores e bombas devem estar equipados com válvulas de alívio de pressão. Os compressores devem ter controle de baixa pressão e dispositivo de limitação da pressão. As tubulações podem ser de ferro ou aço; zinco ou cobre são proibidos para instalações contendo amônia. A armazenagem de amônia deve ser feita preferencialmente em área coberta, seca, ventilada, com piso impermeável e afastada de materiais incompatíveis, recomendando-se a instalação de diques de contenção. É essencial que se definam cuidados especiais com os cilindros e tanques de amônia, inclusive no seu abastecimento. Considerando o risco envolvido, todas as instalações onde existe amônia devem sofrer processo periódico de inspeção para verificação de suas condições. Recomenda-se uma inspeção visual em todos os pontos críticos – soldas, curvas, junções, selos mecânicos – pelo menos a cada 3 meses. Tanques e reservatórios devem ar por inspeção de segurança completa, nos prazos máximos previstos na legislação (NR-13), recomendando-se radiografia de soldas e testes de pressão. Todas as etapas da manutenção do sistema devem ser cuidadosamente especificadas e adequadamente registradas, definindo-se procedimentos específicos para operações de risco, tais

como a purga de óleo do sistema, a drenagem de amônia e a realização de reparos em tubulações.

4.7 Medidas de proteção Pontos essenciais em relação à prevenção coletiva da exposição a amônia incluem: • manutenção das concentrações ambientais a níveis os mais baixos possíveis e sempre abaixo do nível de ação (NR-9), por meio de ventilação adequada; • implantação de mecanismos para a detecção precoce de vazamentos. O desejável é a instalação de monitores ambientais acoplados a sistema de alarme, especialmente nos locais críticos. O Instituto Internacional de Refrigeração por Amônia (IIAR) recomenda ainda a instalação de caixa de controle do sistema de refrigeração de emergência, que desligue todos os equipamentos elétricos e acione ventilação exaustora, sempre que necessário. Outras medidas de proteção coletiva incluem a sinalização adequada dos equipamentos e tubulações, a existência de saídas de emergência mantidas permanentemente desobstruídas e adequadamente sinalizadas, e a instalação de chuveiros de segurança e lava-olhos. Sistemas apropriados de prevenção e combate a incêndios devem estar presentes e em perfeito estado de funcionamento. O ideal é a instalação de sprinkler sobre qualquer vaso grande de amônia para mantê-lo resfriado, em caso de fogo. Instalações elétricas à prova de explosão são desejáveis. Dentre as medidas istrativas incluem-se a permanência do menor número possível de trabalhadores na sala de máquinas e somente os que realizam manutenção e operação dos equipamentos, a manutenção dos locais de trabalho dentro dos padrões de higiene ocupacional e a realização do controle de saúde dos expostos ao produto, enfatizando avaliação oftalmológica, da pele e do trato respiratório. As empresas devem possuir equipamentos básicos de segurança pessoal para cada trabalhador envolvido diretamente com a planta, dispostos em locais de fácil o e fora da sala de máquinas: • uma máscara panorâmica com filtro de amônia; • equipamento de respiração autônomo; • óculos de proteção ou protetor facial; • um par de luvas protetoras de borracha (PVC); • um par de botas protetoras de borracha (PVC); • uma capa impermeável de borracha e/ou calças e jaqueta de borracha. Devem ser estabelecidos por escrito planos de emergência para ações em caso de vazamento, realizando-se treinamentos práticos. Como conteúdo mínimo, é preciso prever mecanismos de comunicação da ocorrência, evacuação das áreas, remoção de quaisquer fontes de ignição, formas de redução das concentrações de amônia e procedimentos de contenção de

vazamentos. Em caso de vazamento com grande concentração de gases, faz-se necessária a utilização de máscaras autônomas e proteção total do corpo com tecido impermeável ou, na ausência dessas, o umedecimento dos trajes. Na mesma linha de raciocínio, deve-se aspergir água para forçar a reação de hidratação e formação do hidróxido de amônia. É crítico que se observe que, na ocorrência do vazamento, a amônia, em estado aerossolizado, comporta-se como um gás denso. Em caso de fogo, recomenda-se o uso de água para resfriar recipientes expostos. Para fogo envolvendo amônia líquida, utiliza-se pó químico ou CO2.

4.8 Capacitação e treinamento de trabalhadores Os sistemas de refrigeração por amônia devem ser operados por profissional qualificado, com certificado de treinamento, conforme o disposto na NR-13. Todos os que laboram no estabelecimento, inclusive terceiros, devem ser suficientemente informados sobre os riscos existentes e as medidas de controle, e treinamento para as ações de emergência e de evacuação de área. É necessária a previsão de treinamentos especiais para os que operam, inspecionam e mantêm o sistema, assim como para os trabalhadores que laboram próximos aos equipamentos, e os que operam equipamentos móveis, como empilhadeiras. Os operadores devem ter conhecimentos completos sobre o sistema, incluindo compressores, válvulas de controle automático, de isolamento e de alívio de pressão, controles elétricos e mudanças de temperatura e pressão. Devem saber que partes do sistema requerem manutenção preventiva e como realizá-la de forma segura, além de como observar e avaliar o sistema para identificar sinais de problemas, como vazamentos e vibração.

4.9 Normas de referência O Brasil carece de normas legais e técnicas especí.cas para sistemas de refrigeração. Destacam-se as Normas Regulamentadoras (NRs) do Ministério do Trabalho e Emprego, especialmente a NR-13 – Caldeiras e Vasos de Pressão e a norma da ABNT “Vasos de pressão para refrigeração”, 1996. Referências internacionais são as normas do Instituto Nacional de Normas Técnicas dos EUA (ANSI): • ANSI/

Sociedade

Americana

de

Engenheiros

de

Aquecimento, Refrigeração

e

Condicionamento de Ar (ASHRAE) 15-1978. Essa norma especi.ca os locais onde os distintos grupos de refrigerantes podem ser aplicados; restringe a presença de chama em salas de máquinas; ocupa-se do ambiente industrial e estabelece limites nas quantidades dos refrigerantes nas diversas áreas de trabalho; dispõe sobre reservatórios e tubulações, determinando limites de pressão de operação; descreve as aplicações dos dispositivos limitadores de pressão, além de cobrir aspectos relacionados à instalação. A norma ANSI/ASHRAE 15-1978 relaciona-se a outras normas, incorporando-as,

como a “Boiler and Pressure Vessel Code” e a ANSI/ Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos (ASME) B31.5, para tubulações de refrigeração. • ANSI/IIAR 2-1984. Preparada especificamente para sistemas de amônia, recomenda que a amônia apresente-se com concentração de 99,95% e que as placas de identificação sejam afixadas nos principais componentes do sistema, contendo informações como: o nome do fabricante, o ano de fabricação, o número do modelo e a pressão nominal, comprovando, ainda, que o equipamento foi testado quanto a sua segurança e aplicação adequada. A norma especifica, também, dois níveis de pressão de projeto: alto e baixo. Uma abordagem alternativa para ventilação de salas de máquinas também é proposta. Outras diretrizes internacionais são emitidas pela IIAR, como a norma “Ammonia Refrigeration Valves”, publicada em 1999.

4.9 Aspectos da auditoria fiscal A Auditoria Fiscal do Trabalho na área de Segurança e Saúde encontra-se adequadamente qualificada para uma intervenção eficaz nas empresas que utilizam sistemas de refrigeração por amônia, tendo as Normas Regulamentadoras de Segurança e Saúde como referência. Estratégias precisam ser definidas para a prevenção de acidentes nessas empresas, preferencialmente as que intervenham de forma coletiva na questão, otimizando recursos humanos e materiais e assegurando um caráter amplo e igualitário para a ação. O controle dos riscos de agravos à segurança e à saúde de trabalhadores, em virtude da utilização de sistemas de refrigeração por amônia, pode ser obtido por meio do cumprimento do já previsto na plena legislação nacional, não-específica, mas que contempla os elementos mínimos de qualquer sistema de segurança. Entre as Normas Regulamentadoras, aplica-se o disposto na NR-13, considerando-se o limite de tolerância da amônia (20 ppm). A norma prevê aspectos de considerável importância na prevenção de acidentes, entre eles: • a identificação e as informações completas sobre os vasos de pressão, contidas em um prontuário; • o registro de todas as ocorrências com os vasos, em livro próprio ou em sistema informatizado; • a disponibilização da informação aos trabalhadores e sindicatos; • a instalação adequada dos vasos de pressão, definida em projeto; • os procedimentos para operação segura, dispostos em um manual específico; • a manutenção do sistema (vasos de pressão, válvulas e tubulações, entre outros equipamentos) e as inspeções de segurança periódicas, realizadas por profissional habilitado e registradas em relatórios; • a qualificação dos operadores. Destaca-se como grande instrumento da Auditoria Fiscal do Trabalho a aplicação judiciosa da NR-9, focada na prevenção de riscos com amônia. A norma, se cumprida em sua

íntegra, prevê a implantação obrigatória da maioria dos controles necessários para a operação segura das empresas, por meio do Programa de Prevenção de Riscos Ambientais, inclusive: • a análise de projetos de instalações, métodos e processos de trabalho novos; • o reconhecimento e a avaliação dos riscos existentes, inclusive a avaliação quantitativa; • a adoção de medidas necessárias e suficientes para eliminação, minimização ou controle dos riscos, inclusive riscos potenciais; • a realização de treinamento e a disponibilização aos trabalhadores de maneira apropriada e suficiente sobre os riscos ambientais e os meios de prevenção; • a especificação técnica adequada de equipamentos de proteção individual, incluindo a proteção respiratória, com estabelecimento de normas para seu fornecimento, uso, guarda, higienização, conservação, e manutenção; • a avaliação da eficácia das medidas de proteção; • o monitoramento da exposição de trabalhadores por meio da avaliação sistemática e repetitiva da exposição a um dado risco; • o registro de dados.

5. ESPECIFICAÇÕES DO SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO DO ESTABELECIMENTO

Nome da Empresa: Ramo da indústria alimentícia: Frigorífico de aves (frango) Capacidade frigorífica: Ciclo de refrigeração: Refrigeração por compressão de vapor Processo de resfriamento: Contínuo Sistema de refrigeração: Mutltipressão ou duplo estágio (resfriar e congelar) Refrigerante: Amônia Quantidade de refrigerante que circula no sistema: 3.000Kg Meio de resfriamento do sistema (condensadores): Água Componentes do sistema de refrigeração: Evaporador, Compressor de duplo estágio, Condensador evaporativo, Válvula de expansão e Separador de líquido horizontal. Quantidade de câmaras frias: 4 (uma para refrigeração e três para congelamento) Embalagens utilizadas para armazenamento dos produtos nas câmeras frias: Caixas plásticas e de papelão.

5.1 O Sistema de Refrigeração por Amônia. O sistema visitado, de/ refrigeração por amônia, consiste de uma série de vasos e tubulações interconectados que comprimem e bombeiam o refrigerante (amônia) para vários ambientes, com a finalidade de resfriá-los (Figura 21e 22), congelar os produtos e água (Figura

23 e 24). Representam, portanto, um sistema de duplo estágio (um para resfriar e outro para congelar), o que minimiza a necessidade de um grande compressor, aumentando assim a vida útil dos equipamentos.

A complexidade do sistema varia tanto em função do tamanho dos ambientes como em função das temperaturas a serem atingidas. São quatro câmaras, uma de refrigeração com a temperatura em torno de 3oC, e três de congelamento, com temperaturas em torno de -21oC, -16oC e -18oC, respectivamente. O processo constitui-se dos três princípios básicos, comuns nos diversos sistemas de refrigeração. São eles: compressão, liquefação e expansão. Expandindo-se a amônia retira o calor do ambiente e dos produtos nele contidos. Podem-se perceber os três componentes distintos no sistema: o compressor, o condensador e o evaporador (Figura 25).

Fig. 25. Sistema mecânico de refrigeração por compressão de vapor.

5.1.1 Sistema de Compressão. Os compressores de duplos estágios são constituídos por uma bomba dotada de um tubo de aspiração e compressão. Situados na sala de máquinas (Figura 26 e 27), entre o evaporador e o condensador, aspiram a amônia evaporada e a encaminha ao condensador (sob a forma de um vapor quente sob pressão elevada).

Fig.26. Esquema da casa de máquinas.

Fig. 27. Compressores

5.1.2. Sistema de Condensação. No condensador, o calor deve ser retirado do sistema. No projeto optou-se pela utilização de um sistema de condensação a água, com um trocador de calor casco e tubo, bomba de circulação de água e torre de resfriamento (Figura 28).

Fig.2 8. Torre de resfriamento.

O condensador é formado por uma série de tubos de diâmetro diversos, unidos em curvas que garantem um aproveitamento mais perfeito das superfícies de contato. É resfriado por uma corrente de água em seu exterior. A amônia gasosa vinda do compressor liquefaz-se ao entrar em contato com a temperatura fria do condensador, sendo em seguida encaminhada para um depósito, de onde ará ao evaporador.

5.1.3. Sistema de Evaporação Na fábrica de gelo encontra-se um evaporador do tipo inundado (Figura 29). Nas câmaras frigoríficas, os evaporadores consistem de uma série de tubos, as serpentinas, que se encontram no interior da ambiente a ser resfriado (Figura 30).

Fig. 29. Fabrica de gelo.

Fig. 30. Evaporadores.

A amônia sob forma líquida evapora-se nesses tubos, retirando calor do ambiente na agem ao estado gasoso. Sob a forma gasosa, volta ao condensador pelo compressor, fechando assim o ciclo.

5.2. Tratamento da Água de Captação Superficial. A água, captada diretamente de um pequeno riacho próximo as instalações agroindustriais, é tratada numa pequena estação de tratamento de água (ETA) (Figura 31), para a remoção de bactérias, elementos nocivos (tóxicos), cor, turbidez, odor, sabor e compostos responsáveis por corrosividade no sistema de refrigeração.

Fig. 31. Estação de tratamento de água.