4.2.3. Tipuri de agenţi frigorifici

Agenţii frigorifici sunt fluide folosite în cadrul instalaţiilor frigorifice, care transportă căldura preluată de la corpul supus răcirii către mediul ambiant. Agenţii frigorifici trebuie să îndeplinească o serie de condiţii: temperatură de vaporizare cât mai scăzută la presiune atmosferică, temperatură de solidificare cât mai scăzută, presiuni convenabile în condiţiile de lucru ale instalaţiilor, volum specific mic al vaporilor, căldură latentă de vaporizare mare, lipsă de toxicitate, de inflamabilitate, stabilitate chimică, inerţie faţă de materialele cu care vin în contact: aer, apă şi uleiurile de ungere. Fluidele utilizate în instalaţiile frigorifice sunt numite agenţi frigorifici primari, în timp ce agenţii frigorifici secundari se utilizează pentru a asigura temperaturi scăzute în diverse locuri ale unui proces tehnologic. Aceste fluide se răcesc cu ajutorul agenţilor frigorifici primari. Ca agenţi frigorifici secundari se folosesc soluţii care au temperaturi de îngheţ sub 0 ⁰C.

• Amoniacul este unul dintre cei mai utilizaţi agenţi frigorifici primari în instalaţiile industriale cu comprimare mecanică a vaporilor, datorită caracteristicilor sale termodinamice şi termofizice foarte bune. Are volum specific mic la temperaturi de vaporizare uzuale, căldură latentă de vaporizare mare, neetanşeităţile se pot detecta uşor din cauza mirosului caracteristic, are solubilitate scăzută în ulei, nu corodează oţelul, dar atacă zincul, cuprul, bronzul în prezenţa apei. Alte dezavantaje sunt: toxicitate, pericolul de explozie la concentraţii de 15-28 % în aer sau şi la concentraţii mai mici, dacă în amestec se află şi vapori de ulei.

• Freonii au prezentat iniţial numeroase avantaje ca agenţi frigorifici primari în tehnica frigului: neutralitate chimică, exponenţi adiabatici mici, temperaturi mici la sfârşitul comprimării. Din cauza problemelor grave provocate prin distrugerea statului de ozon, folosirea acestora a fost drastic limitată. Protocolul de la Montreal din 1987 a stabilit, de exemplu, măsurile de limitare a producerii şi utilizării substanţelor distrugătoare ale stratului de ozon. Alte dezavantaje ale freonilor sunt: vâscozitate redusă, care poate favoriza scăpările de agent frigorific, solubilitate în uleiul de ungere, coeficienţi de transfer termic mai mici decât ai amoniacului, atacul chimic asupra garniturilor. Cei mai promiţători înlocuitori ai agenţilor frigorifici de tip CFC (clor-fluor-carbon) au fost HCFC (hidrogen-clor-fluor-carbon) şi HFC (hidrogen-fluor-carbon), compuşi în care unul sau mai mulţi atomi de hidrogen au fost încorporaţi în legătura moleculară. Mărind conţinutul de hidrogen, pericolul inflamabilităţii a devenit mult mai mare, în timp ce mărirea conţinutului de fluor poate provoca creşterea efectului de seră. De aceea, semnatarii protocolului de la Montreal au convenit la Copenhaga ca aceşti compuşi să aibă un rol tranzitoriu până în 2030. Hidrocarburile pure au fost şi ele testate ca substituienţi ai celorlalţi agenţi frigorifici. Hidrocarburile testate (propan, butan, pentan) nu sunt toxice, au preţ de fabricaţie mai mic decât substanţele prezentate anterior, dar sunt foarte inflamabile (Banu şi colab., 1998).

• Agenţi de răcire secundari Se utilizează în instalaţiile în care contactul agentului frigorific cu produsul de răcit poate avea efecte nedorite. De exemplu, dacă un aliment vine în contact cu amoniacul pentru un timp mai îndelungat, aroma şi gustul său pot fi alterate. În acest caz, între mediul răcit şi vaporizator se introduce un circuit secundar parcurs de fluidul secundar, numit şi agent purtător de căldură. Şi refrigerenţii secundari trebuie să îndeplinească condiţii dintre cele mai diverse: temperatură joasă de congelare, vâscozitate scăzută, căldură specifică mare, lipsă de corozivitate, toxicitate, inflamabilitate şi lipsa pericolului de explozie. Cele mai utilizate amestecuri sunt soluţiile de săruri (clorură de calciu şi de sodiu în apă), dar şi soluţii apoase de alcooli şi de glicerină.

Soluţiile de clorură de sodiu (NaCl) au avantajul că sunt foarte ieftine faţă de soluţiile altor săruri. Aceste soluţii se utilizează în contact cu alimentele şi în sisteme deschise, datorită lipsei de toxicitate. Coeficienţii de transfer de căldură sunt relativ mari. Ca dezavantaje se pot menţiona punctul înalt de congelare şi corozivitatea lor deosebită, ceea ce implică folosirea unor inhibitori de coroziune în sistemele de refrigerare care folosesc soluţii de NaCl.

Soluţiile de clorură de calciu (CaCl₂) sunt similare celor de clorură de sodiu având un punct de congelare şi mai scăzut (–37 ⁰C). Şi soluţiile de clorură de calciu sunt corozive şi, în plus, nu este recomandat să intre în contact direct cu alimentele. Sub temperaturi de –20 ⁰C coeficienţii de transfer scad. Aerul şi dioxidul de carbon sunt consideraţi contaminanţi ai soluţiilor de săruri de calciu şi, de aceea, nu se recomandă folosirea în sisteme deschise.

Dintre compuşii organici se pot menţiona etilenglicolul şi propilenglicolul, metanolul, etanolul şi glicerina în soluţii apoase.

Etilenglicolul este un lichid organic fără culoare şi practic fără miros, complet miscibil cu apa. Ca avantaje se pot menţiona: volatilitate scăzută şi corozivitate scăzută dacă este tratat corect cu inhibitori de coroziune. Are şi o serie de dezavantaje cum ar fi: coeficienţi mici de transfer la temperaturi scăzute, din cauza vâscozităţii mari. Are şi un anumit grad de toxicitate, dar mai mic decât al soluţiilor metanol-apă. Nu se recomandă în industria alimentară şi nici în sisteme deschise.

Propilenglicolul e similar etilenglicolului, dar este considerat netoxic şi se poate utiliza în contact direct cu alimentele. Este mai scump şi din cauza vâscozităţii mai mari decât a etilenglicolului, are coeficienţi de transfer termic mai mici.

Soluţiile de metanol - apă se utilizează fiind ieftine şi datorită vâscozităţii scăzute. Se pot obţine coeficienţi de transfer termic mari şi pierderi de presiune mici. Se utilizează până la –35 ⁰C. Ca dezavantaje se pot aminti: toxicitate şi inflamabilitate.

Soluţiile de etanol - apă nu sunt toxice şi de aceea se pot utiliza în industria alimentară. Au un preţ mai ridicat decât amestecurile metanol-apă. Păstrează dezavantajul inflamabilităţii. Există şi alţi agenţi frigorifici secundari produşi şi comercializaţi de diferite firme, dintre care se pot aminti polimeri siliconici (Dow Corning Corporation) cum ar fi Syltherm XLT sau compuşi naturali ca D-limonenul comercializat de Floride Chemicals. Acesta din urmă, obţinut din uleiul de portocale sau lămâi, are o vâscozitate mică la temperaturi scăzute, ceea ce constituie un avantaj, dar are dezavantajul unei stabilităţi chimice mai mici, ca de altfel mulţi compuşi naturali (Perry, 1998).