Amonia Como Fluido Refrigerante - Matéria Tecnica

Inspeções em Caldeiras a Vapor e Vasos de

Pressão Eng.º Mecânico Robinson Carlos Cristovam Silva - Inspetor de Caldeiras e Vasos de Pressão

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AMÔNIA COMO FLUIDO REFRIGERANTE1. Introdução / Histórico

A Amônia (notação química: NH3, United Nations Chemical 1.D. # 1005) é produzida tanto naturalmente quanto como sub-produto de diversos processos desenvolvidos pelo homem. Grandes quantidades de gás de amônia emanam naturalmente dos rebanhos, superfície do solo, e até do corpo humano. Os processos desenvolvidos pelo homem que emitem amônia incluem as combustões e estações de tratamento de esgotos.

O nitrogênio presente na amônia, foi reconhecido como importante fertilizante por volta do ano de 1840 e a amônia foi utilizada como fluido refrigerante pela primeira vez por volta do ano de 1850. A Amônia foi produzida comercialmente nos Estados Unidos somente em 1880, como subproduto da destilação do processamento do carvão para produzir coque e gás-carvão.

A primeira síntese comercial direta foi desenvolvida na Alemanha, por Fritz Haber e Carl Bosch em 1913. A ampla gama de aplicações da Amônia desde a indústria até a agricultura, combinados a variedade e eficiência dos processos fabris, mantiveram os custos da fabricação comercial de Amônia relativamente baixos.2. Utilizações atuais da Amônia

A Amônia é alcalina, um composto químico incolor que tem muitas utilizações na indústria e agricultura nos EUA. Está disponível em quatro classificações reconhecidas (fertilizante, refrigeração, Federal e metalúrgica) dependendo do seu grau de pureza (veja tabela abaixo).

Constituinte Fertilizante Refrigeração Federal Metalúrgica Conteúdo ideal de amônia* 99,50% 99,98% 99,98% 99,99% Quantidade máxima de água 5000ppm 150ppm 200ppm 33ppm Quantidade máxima de óleo 5ppm 3ppm 5ppm 2ppm Quantidade máxima de não-condensáveis N/A 0,2 ml/g Nenhum 10,0 ml/g * Os produtores nacionais de Amônia garantem no mínimo 99,50% de pureza. Estima-se que sejam produzidos comercialmente no mundo 100 milhões de toneladas de amônia por ano. (14 -16 milhões de toneladas nos Estados Unidos), dos quais mais de 80% é utilizado para fins agrícolas. Alguns destes fins incluem:• Aplicável no solo como fertilizante, na forma de MAP, DAP, Aquamônia, etc.• Produção de uréia (material cristalino incolor que é uma forma altamente concentrada de fertilizante de nitrogênio e uma fonte de proteína na alimentação de rebanhos)• Processos fermentativos• Nitretação em metalurgia

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Os 20% remanescentes da amônia comercialmente produzida é utilizada para inúmeras aplicações industriais, como:• Injeção direta em processos de controle de redução catalítica seletiva de óxidos de nitrogênio em emissões estacionárias• Injeção direta de hidróxido de amônio em emissões estacionárias para neutralização de óxidos de enxofre e combustíveis com enxofre• Compostos de nitrogênio para a fabricação de explosivos como TNT e nitroglicerina• fluido refrigerante reutilizável em muitos sistemas de refrigeração industriais• Agente neutralizante para constituintes ácidos em plantas de tratamento de efluentes

Menos de 2% de toda amônia comercialmente produzida no mundo é utilizado para refrigeração.3. Utilização da Amônia para Refrigeração

Com a crescente regulamentação sobre o uso de clorofluorcarbonetos (CFC) para refrigeração, e o esgotamento de CFCs e hidrofluorcarbonetos (HCFC), estão sendo investigados fluidos refrigerantes alternativos para utilização nos pacotes e sistemas de refrigeração existentes. Estas alternativas devem possuir características termodinâmicas semelhantes às dos CFCs e HCFCs, além de serem seguros para os seres humanos e ambientalmente corretos. A Amônia é um fluido refrigerante alternativo para os sistemas de ar condicionados e de refrigeração, novos ou já existentes. A Amônia tem um baixo ponto de ebulição: (-33,33ºC @ 101 kPa), um potencial de redução de ozônio de zero quando lançado a atmosfera. E um alto calor de vaporização latente (nove vezes maior que R-12 ou R-22). Além disso, a amônia na atmosfera não contribui diretamente para o aquecimento global. Estas características resultam numa refrigeração altamente eficiente em energia com mínimos riscos ambientais. Entretanto, devido ao alto capital inicial de investimento, a percepção pública dos riscos a saúde da Amônia e a crescente regulamentação em sistemas a base de amônia, seu uso como alternativa aos fluidos refrigerantes com halocarbonetos será, num futuro provável, limitado a aplicação comercial e industrial.

A utilização da Amônia na indústria HVAC&R (Ar Condicionados e Refrigeração) poderá se expandir se os fluidos refrigerantes alternativos atualmente em desenvolvimento se provarem ineficientes, perigosos ou muito caros para produção. A aplicação dos sistemas de refrigeração a base de amônia incluem sistemas de estocagem térmica, HVAC chillers, e equipamentos para processar refrigeração e ar condicionados.4. Saúde e Segurança

A Amônia é nociva em elevadas concentrações. O National Institute for Occupational Safety and Health Americano (NIOSH), em seu 1990 Pocket Guide, definiu como níveis imediatos de perigo a vida e a saúde, o nível onde um indivíduo pode expor-se 30 minutos sem um respirador e sem sofrer danos




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permanentes, em 500 partes por milhão. O odor nítido, irritante e pungente da amônia de fato ajuda a reduzir os tempos de exposição a concentrações potencialmente danosas. O patamar médio do odor é 5ppm, bem abaixo das concentrações que podem acarretar algum dano a saúde. A tabela abaixo da ATSDR3, 1991, mostra os efeitos de diversas concentrações de amônia.Parte do Corpo

Concentração Efeito

Olhos Até 500ppm Nenhum dano permanente, mesmo em exposição

crônica 100 – 200ppm Irritação dos olhos

Pele Mais de 5000ppm (vapor)

Traje completo necessário

Líquido Puro Queimaduras de segundo grau com bolhas

Pulmão 400ppm Irritação imediata da garganta 1700ppm Tosse 2400ppm Risco de vida após 30 min

A propriedade “auto-avisante” da amônia é reconhecida por praticamente todos os engenheiros, designers, técnicos e mecânicos que lidam e trabalham regularmente com sistemas de amônia. Deste modo pequenos vazamentos são rapidamente detectados e reparados, não sendo negligenciados como insignificante.O valor limite (VL) tem dois componentes – a média temporal da concentração (MTC) e o limite de exposição por curto período (LECP). O MTC é a média temporal de uma concentração para 8 horas/dia de trabalho e uma semana de 40 horas. O LECP é a média temporal de 15 minutos que não deve ser excedida momento algum durante o dia, mesmo que as 8 horas estejam dentro da MTC. A MTC de amônia é 25ppm. A LECP para a amônia é 50ppm. Os sistemas modernos a base de amônia são completamente fechados com recirculação, com controles integrados que regulam as pressões por todo o sistema. Igualmente, a regulamentação, que é bastante efetiva e madura, além de constantemente revisada e atualizada, requer que todo sistema possua sistema de difusão de emergência e uma série de válvulas de segurança para proteger o sistema de uma super-pressurização e possível falha. A Amônia é mais leve que o ar. 5. Características Ambientais

A Amônia não contribui para o desgaste da camada de ozônio, aquecimento global ou “green house effect”. Ela é fluido refrigerante “Ecológicamente Correto”. A amônia não tem efeito cumulativo e um tempo de vida muito curto na atmosfera. Graças a estes fatores, ela é considerada “biodegradável”. É até utilizada para reduzir emissões estacionárias perigosas através da injeção nas caldeiras e turbinas exaustoras de gás.

A amônia pode ser lançada a atmosfera proveniente de fontes como matéria orgânica em decomposição, excreção animal, fertilização do solo, queima do




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carvão, madeira, etc., e de erupções vulcânicas. Ela pode ainda ser lançada à água vinda do tratamento de esgotos e/ou processos industriais, enxurrada de terras fertilizadas ou áreas de rebanhos. Ela pode atingir o solo pela aplicação de fertilizantes sintéticos ou naturais, excrementos de animais, decomposição de matéria orgânica, ou fixação natural do nitrogênio atmosférico.

6. Considerações sobre Amônia como fluido refrigerante

Enquanto os benefícios da amônia como fluido refrigerante industrial são bastante conhecidos (alta eficiência, risco-zero a camada de ozônio, odor característico), as barreiras a seu uso em aplicações para HVAC&R devem ser abordadas. Estas barreiras, tanto reais com perceptivas, geralmente relacionam-se a saúde humana e segurança ambiental, e ao custo de instalação dos sistemas de refrigeração com amônia.6.1. Segurança Ambiental e Saúde (Referência a legislação americana)

A amônia anidra (gás) (CAS #7664-41-7) é atualmente classificada pela US-EPA (agência ambiental americana) como substância extremamente perigosa (SARA title III, Séc. 302). Está inclusa nas seguintes categorias:• Lista de Quantidades Notificáveis (Seção 304) – Os produtos nesta lista exigem que seja comunicado a EPA e à agências locais e estaduais os lançamentos excessivos (mais de 50kg).• Lista de Produtos extremamente perigosos (Seção 302) – Os produtos nesta lista, em instalações com quantidades acima da Quantidade Máxima sem Planejamento estão sujeitos aos requisitos da SARA, os quais definem diversos relatórios e planejamentos a serem realizados. A quantidade máxima sem planejamento da amônia é de 5.000kg• Seção 313 – Os produtos nesta lista estão sujeitos ao Community Right-to-Know act do Relatório Anual do Inventário de Lançamentos Tóxicos de 1986 e também a um planejamento para emergências.

Alguns dos fatores que a EPA adota quando classificando substâncias são:• Reatividade• Combustibilidade• Dispersabilidade• Inflamabilidade• Volatilidade• Toxidade

Enquanto a EPA aborda a amônia da perspectiva ambiental, a U.S. Occupational Health and Safety Administration (OSHA) aborda da perspectiva da segurança do trabalhador. A OSHA define a amônia como material perigoso, e, dependendo de seu uso, impõe certos requisitos para sua utilização, armazenamento, manuseio e exposição ocupacional. A regulamentação da OSHA que tem aplicações especiais à trabalhadores expostos a amônia incluem:• 29 CFR 1910.111 – Armazenamento e manuseio de amônia anidra (gás)




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• 29 CFR 1910.119 – Gerenciamento de Segurança de Processos• 29 CFR 1910.120 – Operações de Resíduos Perigosos e Operações de

Emergenciais• 29 CFR 1910.132,133 – Equipamentos de Proteção Induviduais• 29 CFR 1910.134 – Treinamento para Respirador• 29 CFR 1910.1200 – Comunicação de Riscos

Tanto a EPA como a OSHA classificam todos os CFCs e HCFCs como Substâncias Perigosas, e, portanto, requerendo relatórios específicos e práticas de gestão similares para estes fluido refrigerantes aos da Amônia.6.2. Segurança Ambiental e Saúde (Referência a legislação americana)

Todos os sistemas de refrigeração requerem uma avaliação de risco; os sistemas a base de amônia não são exceção. As regulamentações da OSHA para Gestão de Segurança de Processos provêem procedimentos para a determinação da segurança dos sistemas de refrigeração com amônia. Estas regulamentações incorporam o Código de Segurança para Refrigeração Mecânica da ANSI/ASHRAE americana. Apesar de só afetar as plantas com grandes cargas fluido refrigerantes, seus requisitos para “E se” são direcionados a redução de riscos e promoção da segurança na planta, estes regulamentos são, portanto, boas também para pequenas plantas.7. Atividades da ASHRAE

A American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) tem uma longa história no envolvimento com a utilização de amônia como fluido refrigerante, desde as primeiras aplicações nesta área. A ASHRAE tem um papel fundamental a desempenhar no incentivo da utilização adequada e segura da amônia nas seguintes questões: pol ítica, padronização, códigos e regulamentos, intercâmbio de tecnologia e educação.7.1. Política

A Declaração de Posicionamento da ASHRAE quanto a Amônia, enfatiza o importante papel que a amônia pode exercer como alternativa ao CFCs e HCFCs. Como um documento que define a política, ele identifica as principais preocupações da ASHRAE acerca do uso de amônia e estabelece que a sociedade deva encorajar e apoiar o seu uso apropriado e seguro como fluido refrigerante.

A amônia foi identificada pela US-EPA como alternativa viável aos fluido refrigerantes atuais, pois ela não prejudica a camada de ozônio e não agrava o aquecimento global. A UNEP – Programa Ambiental das Nações Unidas – identificou a amônia como excelente fluido refrigerante para a substituição das várias aplicações de CFCs e HCFCs [Relatório de Opções Técnicas – 1992] como parte de reavaliação do Protocolo de Montreal. Outros paises, notadamente a Alemanha, estabeleceram políticas para promover a utilização da amônia, incluindo a substituição de fluido refrigerantes HCFCs, como o R-22 para




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aplicações tais como sistemas de refrigeração comercial para supermercados, resfriadores de água, etc.Outras organizações internacionais têm se posicionado pelo apoio ao uso da amônia como fluido refrigerante. Estas incluem o Instituto Australiano de Refrigeração, Ar Condicionado e Aquecimento, o Instituto Internacional de Refrigeração, o Instituto Alemão de Refrigeração, etc. 7.2. Pesquisa

A ASHRAE é única entre as associações de engenheiros pois é uma grande patrocinadora de programas de pesquisa de seus membros. Em 1994-95, o investimento nestes projetos foi de 2,8 milhões de dólares. Uma parte significativa destes projetos trata de fluido refrigerantes alternativos, incluindo a amônia. Em anos passados, a ASHRAE promoveu diversos projetos de pesquisa relacionados a vários aspectos da refrigeração com amônia.

Os mais recentes planejamentos para pesquisa alocaram 15% do investimento da ASHRAE a “Materiais Ambientalmente Corretos”. A ASHRAE teve ou têm diversos projetos envolvendo amônia, como por exemplo:

1) “Absorção da Amônia na Água”, patrocinado com US$ 56.000,00 pelo TC 10.1 no estado do Kansas [591-RP]2) “Combustão da Amônia”, patrocinado com US$ 108.000,00 pelo TC 10.1 na Universidade Estadual do Kansas [682-RP]3) “Evaporadores com Spray de Amônia”, patrocinado com US$ 100.000,00 pelo TC 1.3 na Universidade de Tecnologia do Texas [725-RP]4) “Dispersão forçada de Plumas de Amônia na Atmosfera”, patrocinado com US$ 68.000,00 pelo TC 10.1 na Universidade Estadual do Kansas [813-RP]

A ASHRAE encoraja ativamente o envio de propostas para novos projetos de pesquisa relacionados com refrigeração e outras aplicações relacionadas à amônia. Diversos projetos futuros de amônia encontram-se nos planejamentos de pesquisa mais recentes.

Várias outras organizações relacionadas a refrigeração estão interessadas na utilização de amônia como fluido refrigerante.

Foi feita uma listagem dos potenciais projetos de amônia. A Fundação de Pesquisa de Refrigeração (TRRF) americana está patrocinando um projeto de sensores de amônia (TRRF project #157). O Instituto de Ar-Condicionado e Refrigeração (ARI) americano está também apoiando uma extensa pesquisa sobre fluido refrigerantes alternativos que incluiu a amônia na lista de substitutos em potencial para o R-22. Outros grupos de pesquisa, como o NIST, DOEM, EPA, Universidade de Maryland, GRI, EPRI, estão conduzindo estudos sobre a amônia. A Alemanha possui também programas nesta área.7.3. Padrões, Regulamentação e Procedimentos




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A ASHRAE desempenha um papel fundamental no desenvolvimento voluntário de padrões e procedimentos regulando a utilização e aplicação de fluido refrigerantes, incluindo amônia. Além disto, diversas organizações adotam os requisitos técnicos desenvolvidos pela ASHRAE em vários padrões e regulamentos. Os padrões mais importantes da ASHRAE quanto a amônia são as Designações Numéricas e Classificações de Segurança de fluido refrigerantes [ANSI/ASHRAE 34-1992] e o Código de Segurança para Refrigeração Mecânica [ANSI/ASHRAE 15-1994]. O Padrão 34 da ASHRAE classifica a amônia como parte do grupo B2 de fluidos refrigerantes, devido às considerações quanto flamabilidade e toxicidade. O Padrão 15 estabelece requisitos para a aplicação segura da amônia em sistemas de refrigeração. De modo geral, a amônia pode ser utilizada em quantidade ilimitada diretamente nos sistemas em instalações industriais, porém ela deve ser utilizada indiretamente em sistemas secundários em instalações comerciais e/ou públicas, enquanto que o uso geral em equipamentos de baixa absorção é irrestrito.

Também, a ASHRAE vem recomendando a reciclagem, recuperação e reuso de fluidos refrigerantes, incluindo a amônia [ASHRAE Guideline 3 – 1990]. A Guideline 3 encoraja a analise da amônia como substituto a para refrigeração com CFC e HCFC, contendo informações sobre a características da amônia quanto a camada de ozônio e ao aquecimento global, assim como outros fluidos refrigerantes mais comuns.

Outras organizações técnicas vêm emitindo padrões/diretrizes abordando a aplicação adequada da amônia como fluido refrigerante. Estes padrões/diretrizes cobrem o projeto e instalação de sistemas de refrigeração com amônia [ANSI/IIAR 2 – 1992], Os padrões internacionais também abordam segurança e aplicação da amônia [ISO 5149, Segurança na Refrigeração 16; ISO 1662, Refrigerando Plantas – Requisitos de Segurança; CEN EM 378, Segurança de Sistemas de Refrigeração e Requisitos Ambientais].

A aplicação corrente da amônia como fluido refrigerante é regulamentada pelos códigos de construção municipal, estadual e elétricos. Nos Estados Unidos, estes códigos são emitidos por diversas organizações modelo de códigos como ICBO, BOCA, SBCCI, NFPA. Graças a sua classificação como produto químico perigoso, a amônia é também especificamente abordada nos códigos de incêndio, com vários requisitos. O Sub-comitê do Conselho de Tecnologia da ASHRAE para Interação de Código irá revisar os códigos de incêndio e mecânicos propostos que afetam as aplicações de refrigeração. A ASHRAE estabeleceu a política de encorajar a adoção dos padrões da ASHRAE em códigos modelo.

Os códigos elétricos, em especial o Código Elétrico Nacional Americano, são relevantes, pois a amônia em altas concentrações pode, com o ar, formar uma mistura inflamável. O Padrão 15 da ASHRAE estabelece procedimentos de projeto para a aplicação da amônia, incluindo níveis de ventilação adequados, os quais




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são citados nos códigos elétricos para assegurar aplicação segura nas instalações.

Em alguns casos, altos impostos sobre Gases Tóxicos foram aplicados a amônia, mesmo sendo referidos a produtos químicos altamente tóxicos. Estes tipos de impostos podem ser bastante restritivos.7.4. Transferência de Tecnologia e Educação

A ASHRAE tem um papel importante no fornecimento de informações técnicas sobre a aplicação adequada de amônia como fluido refrigerante. Nesta função, a ASHRAE assiste na transferência de tecnologia e na educação da comunidade técnica. Estas importantes atividades são executadas através de diversos meios: Manuais da ASHRAE; Jornal da ASHRAE e transações da ASHRAE; publicações especiais; e através de vários fóruns educacionais.

A principal fonte de informação técnica sobre amônia são os Manuais da ASHRAE. O 1993 Fundamentals contem informações gerais sobre “Ciclos de Refrigeração e Termodinâmicos” (Capítulo 1) e sobre “fluido refrigerantes” (Capítulo 16), incluindo as propriedades termodinâmicas da amônia. A outra principal fonte de informação sobre amônia é o Manual da ASHRAE de 1994, Sistemas de Refrigeração/Aplicações, abordando “Sistemas Líquidos Superalimentados” (Capítulo 1), “Práticas de Sistema a Amônia fluido refrigerante” (Capítulo 3), e “Química dos Sistemas de Refrigeração” (Capítulo 5). Como recurso adicional, encontra-se disponível a publicação da ASHRAE: Propriedades Termodinâmicas dos fluido refrigerantes [1986]. A ASHRAE publicou uma série de papers técnicos, artigos e relatórios especiais abordando a utilização da amônia. Também noticias e artigos sobre refrigeração com amônia no Jornal da ASHRAE. Os papers técnicos apresentados nas convenções da ASHRAE são publicados nas Transações ASHRAE e em várias publicações especiais. Um resumo de mais de 30 artigos técnicos e referências pode ser encontrado na nova bibliografia em computador da ASHRAE.

Partes chave das funções de transferência de tecnologia e educação da ASHRAE são atendidas pelos programas de encontros técnicos anuais e de inverno, incluindo: seminários, fóruns, simpósios e seções técnicas. Também, a Sociedade oferece Seminários de um dia para Desenvolvimento Profissional em refrigeração, focando amônia. Seções locais da ASHRAE também patrocinam palestrantes e programas relacionados à refrigeração, os quais têm mostrado um forte interesse na amônia.

Atividades técnicas focando amônia são abordadas na ASHRAE pelo comitê de Refrigeração, que foca as atividades regionais e locais das seções da ASHRAE. Este comitê mantém uma “Lista de Oradores” de oradores/tópicos que incluem amônia. Diversos comitês técnicos (TC 10.1, 10.3, 10.5, etc) também se focam em considerações relacionadas a amônia.8. Fonte




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ASHRAE Postion Papers - Ammonia as Refrigerant - 1992

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