Embora o trabalho esteja em andamento para desenvolver refrigerantes alternativos e melhorar as estratégias de gerenciamento de refrigerantes, a redução gradual dos HFCs imporá restrições aos equipamentos de compressão de vapor que exigirão compensações entre custo, eficiência e segurança. Essas restrições podem apresentar oportunidades de mercado para tecnologias alternativas de condicionamento de espaço. Tecnologias alternativas com base em seu status de desenvolvimento (algumas tecnologias estão em estágios iniciais de desenvolvimento), potencial de economia de energia e outros fatores que podem afetar sua capacidade de competir com sistemas de compressão de vapor.
A figura abaixo agrupa 22 tecnologias de compressão sem vapor analisadas no estudo do DOE, classificadas por fonte de energia e fluido ou material de trabalho primário. Embora os sistemas de compressão de vapor também sejam usados em aplicações de refrigeração, transporte e resfriamento de processo, o estudo do DOE concentra-se exclusivamente na construção de aplicações HVAC.
Algumas tecnologias alternativas são impraticáveis para aplicações de condicionamento de espaço devido a baixas eficiências e capacidades, e algumas são muito precoces em seu ciclo de desenvolvimento para serem totalmente avaliadas (por exemplo, bomba de calor Bernoulli, ciclo de fluxo crítico e bomba de calor eletrocalórica).
Esta seção explica algumas alternativas aos ciclos de compressão de vapor.
Ciclo do dióxido de carbono transcrítico
A baixa temperatura crítica para o dióxido de carbono pode ser vista no diagrama de entalpia de pressão (Figura abaixo). Um ciclo com rejeição de calor a 31°C teria um efeito de refrigeração muito menor do que um ciclo de condensação a, digamos, 27°C. Acima do ponto crítico o gás não pode ser condensado, sendo necessário mover-se para esta região caso a temperatura de rejeição de calor se aproxime de 30°C. Se o gás puder ser resfriado, digamos 40°C, como mostrado na Figura, o efeito de refrigeração é semelhante ao da rejeição de calor a 30°C. No ciclo mostrado, o gás é resfriado de 120°C a 40°C a uma pressão constante de 100 bar em um trocador de calor denominado gas cooler.
A formação de líquido ocorre apenas durante a expansão para o nível de pressão mais baixo. Pode ser possível operar um sistema projetado para operação transcrítica no modo subcrítico, ou seja, como um ciclo de compressão de vapor, sob condições ambientais baixas, caso em que o resfriador de gás se torna um condensador.
A regulação da alta pressão é necessária para o ciclo transcrítico. A pressão ideal é determinada em função da temperatura de saída do resfriador de gás e é um equilíbrio entre o maior efeito de refrigeração possível e a menor quantidade de energia do compressor.
Refrigerantes de perda total
Alguns fluidos voláteis são usados apenas uma vez e depois escapam para a atmosfera. Dois deles são de uso geral: dióxido de carbono e nitrogênio. Ambos são armazenados como líquidos sob uma combinação de pressão e baixa temperatura e depois liberados quando o efeito de resfriamento é necessário.
O dióxido de carbono está abaixo de seu ponto triplo na pressão atmosférica e só pode existir como 'neve' ou gás. O ponto triplo é onde coexistem as fases sólida, líquida e vapor. Abaixo dessa pressão, um sólido sublima diretamente para o estado gasoso. Uma vez que ambos os gases vêm da atmosfera, não há risco de poluição. A temperatura do dióxido de carbono quando liberado será de 78,4°C. O nitrogênio estará a 198,8°C. O gelo de água também pode ser classificado como um refrigerante de perda total.
Ciclo de absorção
O vapor pode ser retirado de um evaporador por absorção em um líquido (Figura abaixo). Duas combinações estão em uso, a absorção de gás amônia em água e a absorção de vapor de água em brometo de lítio. Este último não é tóxico e pode ser usado para ar condicionado. O uso de água como refrigerante nesta combinação a restringe a sistemas acima de seu ponto de congelamento. O vapor refrigerante do evaporador é puxado para o absorvedor pelo absorvente líquido, que é pulverizado na câmara. A solução resultante (ou licor) é então bombeada até a pressão do condensador e o vapor é expelido no gerador por aquecimento direto.
O gás refrigerante de alta pressão liberado pode então ser condensado da maneira usual e repassado através da válvula de expansão para o evaporador. O licor fraco do gerador é passado por outra válvula redutora de pressão para o absorvedor. A eficiência térmica geral é melhorada por um trocador de calor entre os dois caminhos de licor e um trocador de calor de sucção para líquido para o refrigerante. A energia para a bomba de licor geralmente será elétrica, mas a energia térmica para o gerador pode ser qualquer forma de energia de baixo grau, como óleo, gás, água quente ou vapor. A radiação solar também pode ser utilizada. A energia total usada é maior do que com o ciclo de compressão, então o COP é menor. Os números típicos são mostrados na Tabela.
Ciclo de ar
A refrigeração por ciclo de ar funciona no ciclo reverso de Brayton ou Joule. O ar é comprimido e então o calor é removido; este ar é então expandido para uma temperatura mais baixa do que antes de ser comprimido. O calor pode então ser extraído para fornecer resfriamento útil, retornando o ar ao seu estado original (consulte a Figura abaixo). O trabalho é retirado do ar durante a expansão por uma turbina de expansão, que remove energia à medida que as pás são acionadas pelo ar em expansão. Este trabalho pode ser empregado de maneira útil para operar outros dispositivos, como geradores ou ventiladores. Freqüentemente, ele é usado para ajudar a alimentar o compressor, conforme mostrado. Às vezes, um compressor separado, chamado de compressor 'bootstrap', é alimentado pelo expansor, fornecendo dois estágios de compressão. O aumento da pressão no lado quente eleva ainda mais a temperatura e faz com que o sistema de ciclo de ar produza mais calor utilizável (a uma temperatura mais alta). O ar frio após a turbina pode ser usado como refrigerante diretamente em um sistema aberto, como mostrado, ou indiretamente por meio de um trocador de calor em um sistema fechado. A eficiência de tais sistemas é limitada em grande parte pelas eficiências de compressão e expansão, bem como pelas eficiências dos trocadores de calor empregados.
Originalmente, eram usados compressores e expansores alternativos de baixa velocidade. A baixa eficiência e confiabilidade de tais máquinas foram fatores importantes na substituição de tais sistemas por equipamentos de compressão de vapor. No entanto, o desenvolvimento de compressores rotativos e expansores (como nos turbocompressores de carros) melhorou muito a eficiência isentrópica e a confiabilidade do ciclo do ar. Avanços na tecnologia de turbinas, juntamente com o desenvolvimento de mancais de ar e componentes cerâmicos, oferecem mais melhorias de eficiência.
A principal aplicação deste ciclo é a climatização e pressurização de aeronaves. As turbinas utilizadas para compressão e expansão giram em velocidades muito altas para obter as relações de pressão necessárias e, conseqüentemente, são ruidosas. O COP é menor do que com outros sistemas.
Ciclo Stirling
O ciclo de Stirling é um engenhoso ciclo de gás que usa o calor transferido do gás que está caindo de temperatura para fornecer o mesmo para o gás que está subindo de temperatura. O ciclo Stirling foi aplicado com sucesso em aplicações especializadas que exigem baixas temperaturas em tarefas muito baixas.
Resfriamento termoelétrico
A passagem de uma corrente elétrica através de junções de metais diferentes causa uma queda de temperatura em uma junção e um aumento na outra, o efeito Peltier. Melhorias neste método de resfriamento foram possíveis nos últimos anos pela produção de semicondutores adequados. As aplicações são limitadas em tamanho, devido às altas correntes elétricas necessárias, e os usos práticos são pequenos sistemas de resfriamento para uso militar, aeroespacial e de laboratório.
Refrigeração magnética
A refrigeração magnética depende do que é conhecido como efeito magnetocalórico, que é a mudança de temperatura observada quando certos materiais magnéticos são expostos a uma mudança no campo magnético. A refrigeração magnética é um tópico de pesquisa e, historicamente, tem sido usada em temperaturas ultrabaixas. Só recentemente foi visto como um possível meio de resfriamento em temperaturas próximas à ambiente.
Refrigeração e Ar Condicionado GF Hundy, AR Trott, TC Welch e TC Welch
