Os sistemas de refrigeração a CO₂ utilizam dióxido de carbono, também designado por R-744, para manter as câmaras frigoríficas e as linhas de processamento alimentar a temperaturas baixas e estáveis. Estão a tornar-se cada vez mais comuns, uma vez que o CO₂ tem um potencial de aquecimento global de 1, enquanto muitos refrigerantes HFC mais antigos têm um impacto climático muito superior. O CO₂ pode ser utilizado em câmaras frigoríficas, túneis de congelação, congeladores em espiral, congeladores de placas e sistemas de congelação profunda.
Com base na experiência em projetos de refrigeração industrial e armazenamento a frio, este guia explica como funciona a refrigeração a CO₂ e onde se adequa melhor. Abrange sistemas transcríticos, sistemas subcríticos, sistemas em cascata de NH₃/CO₂, segurança dos refrigerantes, custo do sistema, consumo de energia, recuperação de calor, regulamentação e etapas de seleção para fábricas de produtos alimentares e instalações de armazenamento a frio.
O que é um sistema de refrigeração a CO₂?
Um sistema de refrigeração a CO₂ utiliza dióxido de carbono como fluido de trabalho num ciclo de compressão de vapor. O refrigerante é designado por R-744. Este absorve calor no evaporador e liberta-o no condensador ou no arrefecedor de gás. O CO₂ tem um ponto crítico a 31,1 °C e 73,8 bar. A Norma ASHRAE 34 classifica o CO₂ como A1: não tóxico e não inflamável.
O que significa R-744 e por que razão o CO₂ é designado como refrigerante natural?
R-744 é a designação da ASHRAE para o dióxido de carbono. O prefixo «7» identifica compostos inorgânicos. O CO₂ é considerado um refrigerante natural, uma vez que ocorre na atmosfera e na biosfera. Outros refrigerantes naturais incluem a amoníaca (R-717) e hidrocarbonetos, como o R-290.
Como funciona o ciclo de refrigeração com CO₂?
O ciclo tem quatro fases. O compressor pressuriza o gás. O refrigerador de gás ou condensador liberta calor para o ambiente. A válvula de expansão reduz a pressão e a temperatura. O evaporador absorve calor do espaço frio. Acima dos 31,1 °C de temperatura ambiente, o CO₂ não consegue condensar-se e funciona em modo transcrítico através de um refrigerador de gás.
Quais são as principais vantagens e desafios?
Os sistemas de CO₂ apresentam seis vantagens mensuráveis e quatro desafios documentados (IIR, 2023; ASHRAE).
Vantagens:
- GWP de 1 e ODP de 0
- Classificação de segurança A1: não tóxico e não inflamável
- Elevada capacidade volumétrica, diâmetros de tubagem mais pequenos
- Recuperação de calor até 90 °C a partir da descarga do compressor
- Estabilidade regulamentar ao abrigo dos acordos de Kigali, F-Gas e da Lei AIM
- Custo do refrigerante de 1–2 $/kg, abundante e reciclável
Desafios:
- Pressões de funcionamento até 120 bar requerem componentes reforçados
- O CAPEX é 15 a 30 % superior ao dos sistemas HFC
- A formação de gelo seco abaixo do ponto triplo de 5,18 bar requer procedimentos de manutenção específicos
- A eficiência transcrítica diminui acima dos 32 °C de temperatura ambiente sem compressão paralela
Por que razão o CO₂ é o futuro ecológico do armazenamento a frio?
O CO₂ tem o menor impacto climático de todos os refrigerantes não inflamáveis em uso comercial. O seu GWP de 1 é 1 000 a 4 000 vezes inferior ao dos HFC comuns. Três regulamentos estão a impor a eliminação gradual global dos HFC até 2050.
Que regulamentos estão a eliminar gradualmente os HFC a nível global?
Três quadros definem o calendário de eliminação progressiva.
- Emenda de Kigali (2016): Reduções faseadas de HFC por grupo de países — os países desenvolvidos reduzem 85% até 2036, a maioria dos países em desenvolvimento reduz 80% até 2045 e os restantes atingem 85% até 2047 (PNUA)
- Regulamento da UE relativo aos gases fluorados (revisão de 2024): proibição total dos HFC até 2050
- Lei AIM dos EUA (2020): Redução de 85% das emissões de HFC até 2036 (EPA dos EUA, 2024)
Como se compara o GWP do CO₂ ao dos refrigerantes sintéticos?
O GWP de 1 do CO₂ define a referência. A tabela compara os refrigerantes mais comuns utilizados no armazenamento a frio.
| Refrigerante | Tipo | GWP (AR4, 100 anos) | ODP | Estado |
| R-744 (CO₂) | Natural | 1 | 0 | Utilização promovida |
| R-717 (amoníaco) | Natural | 0 | 0 | Utilização promovida |
| R-404A | HFC | 3922 | 0 | Eliminação gradual |
| R-134a | HFC | 1430 | 0 | Utilização restrita |
| R-22 | HCFC | 1810 | 0.05 | Proibido |
Fonte: IPCC AR4; ASHRAE 34.
Que benefícios ESG oferece o CO₂ aos fabricantes de alimentos?
O CO₂ reduz as emissões de Âmbito 1 no inventário de GEE de um fabricante. As fugas nos sistemas de HFC situam-se, em média, entre 15 % e 25 % por ano (EPA dos EUA, 2023). A substituição do R-404A pelo R-744 reduz essa linha de emissões em mais de 99%. Marcas alimentares como a Tyson, a Cargill e a Unilever divulgam publicamente as reduções de Âmbito 1 através do CDP e da SBTi, onde a escolha do refrigerante é um componente cada vez mais relevante.
Quais são as três arquiteturas do sistema de CO₂?
As instalações de armazenamento a frio podem optar por uma de três arquiteturas de CO₂: transcrítica, subcrítica e em cascata NH₃/CO₂. A escolha depende da gama de temperaturas, da capacidade e do clima. Os sistemas em cascata permitem o congelamento profundo a temperaturas inferiores a -35 °C.
Em que diferem os sistemas de CO₂ transcríticos e subcríticos?
Os sistemas transcríticos rejeitam o calor acima do ponto crítico do CO₂, 31,1 °C, utilizando um refrigerador de gás. São adequados para instalações de média capacidade em climas moderados. Os sistemas subcríticos condensam o CO₂ abaixo do ponto crítico. A utilização subcrítica autónoma está limitada a instalações em climas frios ou a configurações em cascata, em que o dissipador de calor se mantém abaixo dos 25 °C.
Por que razão a cascata de NH₃/CO₂ é o padrão para a congelação industrial?
O sistema em cascata combina um estágio superior de amoníaco com um estágio inferior de CO₂. O CO₂ evapora-se entre -35 °C e -50 °C nas serpentinas do congelador. O amoníaco condensa o CO₂ através de um permutador de calor em cascata num sistema industrial de refrigeração em cascata a CO₂. O projeto reduz a carga de amoníaco em 80–90 % em comparação com uma instalação totalmente a amoníaco (IIAR, 2022).
Que arquitetura se adequa ao clima e à capacidade das suas instalações?
Três variáveis determinam a adequação: temperatura ambiente de projeto, capacidade total e temperatura mínima de evaporação.
| Condição | Arquitetura recomendada |
| Instalações em climas frios ou sistemas com um dissipador de calor secundário abaixo dos 25 °C, evaporação > -25 °C | CO₂ subcrítico (normalmente configurado como parte de um sistema em cascata) |
| Temperatura ambiente 25–35 °C, capacidade 100–800 kW, evaporação > -30 °C | CO₂ transcrítico com compressão paralela |
| Qualquer clima, capacidade > 500 kW, evaporação < -35 °C | Cascata de NH₃/CO₂ |
Quais são as diferenças: CO₂ vs. outros refrigerantes
O CO₂ supera os HFCs em termos de métricas ambientais e iguala a amoníaca em eficiência na maioria dos casos de armazenamento a frio. A tabela resume as vantagens e desvantagens práticas.
| Propriedade | CO₂ (R-744) | Amoníaco (R-717) | HFC (R-404A) | Hidrocarboneto (R-290) |
| GWP | 1 | 0 | 3922 | 3 |
| Classe de segurança | A1 | B2L | A1 | A3 |
| Inflamabilidade | Nenhum | Baixo | Nenhum | Alto |
| Pressão de funcionamento | Alto | Médio | Baixo | Baixo |
| Melhor capacidade | 50 kW–5 MW | >500 kW | Todos | <100 kW |
O CO₂ é preferível aos HFC devido à sua sustentabilidade regulamentar a longo prazo. O CO₂ é preferível à amoníaca em instalações de produção que exijam baixa toxicidade. O CO₂ é preferível aos hidrocarbonetos quando a capacidade excede os 100 kW ou quando os códigos de segurança contra incêndios restringem a utilização de refrigerantes inflamáveis.
Como é utilizada a refrigeração com CO₂ no armazenamento a frio industrial e no processamento alimentar?
A refrigeração a CO₂ serve cinco segmentos: armazéns frigoríficos, produtos do mar IQF, carne e aves, padaria e refeições preparadas. As configurações em cascata proporcionam temperaturas de evaporação entre -10 °C e -50 °C. Os sistemas integram-se com congeladores em espiral, de placas e de túnel.
Como é utilizado o CO₂ nos armazéns frigoríficos?
Os centros de distribuição utilizam um sistema em cascata de NH₃/CO₂ para câmaras mantidas entre -25 °C e -30 °C. O lado de baixa pressão do CO₂ serve as docas e as zonas de armazenamento. O amoníaco permanece na sala das máquinas. Esta contenção cumpre os limites da OSHA para o PSM e reduz os custos de seguro.
Por que razão as fábricas de marisco, carne e aves estão a mudar para o CO₂?
Estes produtos requerem temperaturas de evaporação entre -40 °C e -45 °C para congelação rápida individual. O sistema em cascata de NH₃/CO₂ proporciona essa gama com um COP superior ao dos sistemas R-507. A baixa toxicidade do CO₂ permite que o lado de baixa pressão entre em zonas de contacto com alimentos.
Como é que o CO₂ se integra nas linhas de panificação e de refeições preparadas?
As fábricas de panificação e de refeições preparadas operam túneis contínuos a temperaturas entre -30 °C e -35 °C. O CO₂ proporciona temperaturas de evaporação estáveis com tubagens mais curtas. A recuperação de calor do compressor fornece água quente a 70–90 °C para fermentação, CIP e lavagem.
Como é que o CO₂ se integra nos congeladores em espiral, de placas e de túnel?
O CO₂ suporta as elevadas cargas instantâneas dos congeladores em espiral e de túnel IQF. O circuito do lado de baixa pressão alimenta as bobinas do evaporador com CO₂ de expansão direta ou bombeado. Os designs das bobinas compatíveis com CIP permitem a lavagem diária sem risco de contaminação.
Custo Total de Propriedade: Vale a pena investir em CO₂?
Os sistemas de CO₂ amortizam-se em 4 a 7 anos para os operadores de armazenamento a frio industrial (IIR, 2023). O cálculo do TCO divide-se em cinco rubricas.
- CAPEX: 15–30% mais caros do que os sistemas HFC devido aos componentes de alta pressão
- Energia: OPEX 10–20% mais baixo em climas moderados com compressão paralela
- Custo do refrigerante: 1–2 $/kg para o CO₂ contra 40–80 $/kg para os HFCs sujeitos a restrições
- Recuperação de calor: compensa 20–40% da procura de água quente da fábrica a 70–90 °C
- Conformidade: elimina a exposição às quotas de HFC e reduz as emissões de refrigerantes do Âmbito 1 em mais de 99%
O retorno do investimento é ainda mais rápido quando se procede à adaptação de sistemas que utilizam R-22 ou R-404A e que enfrentam a substituição obrigatória devido à eliminação progressiva.
Como escolher um sistema de refrigeração a CO₂ para a sua instalação de armazenamento a frio?
A seleção segue um processo de quatro etapas associado aos dados das instalações.
- Passo 1 – Mapear as cargas térmicas e as zonas: Registe a carga máxima, a carga média e a temperatura de evaporação mais baixa por câmara
- Passo 2 – Adaptar a arquitetura ao clima: Utilize a temperatura de projeto ambiente e a capacidade para escolher entre subcrítico, transcrítico ou cascata de NH₃/CO₂
- Passo 3 – Especificar componentes e controlos: Confirme as pressões nominais até 120 bar, a compressão paralela para climas quentes e os controlos baseados em PLC
- Passo 4 – Validar a segurança e a formação: Aplique a norma OSHA 1910.147 relativa ao bloqueio e sinalização (lockout/tagout), instale sistemas de deteção de fugas de CO₂ de acordo com a norma EN 378 (Europa) ou ASHRAE 15 (EUA) e dê formação ao pessoal sobre a manutenção de equipamentos de alta pressão
Ignorar o Passo 1 é a principal causa da utilização de compressores sobredimensionados e da redução da eficiência em carga parcial.
Como é que o CO₂ se comporta em fábricas de alimentos reais?
As adaptações realizadas na indústria, passando dos sistemas com R-404A e R-507 para sistemas à base de CO₂, revelam ganhos consistentes em termos de energia e emissões. Os dados publicados pela indústria apontam na mesma direção em todos os segmentos alimentares.
Quais são os benefícios de uma adaptação para CO₂ numa linha de congelamento IQF de marisco?
Os sistemas em cascata de NH₃/CO₂, que substituem as instalações de R-507, alcançam normalmente uma redução de energia de 15 a 25 % em aplicações IQF. As emissões diretas de refrigerante diminuem em mais de 99 % apenas devido à diferença no GWP. As remodelações à escala industrial apresentam um retorno do investimento em 4 a 7 anos, uma vez incluídos os custos evitados com as quotas de HFC.
Qual é o desempenho do CO₂ em túneis de congelação contínua para produtos de padaria?
O CO₂ transcrítico com recuperação de calor fornece temperaturas entre -30 °C e -35 °C aos congeladores em espiral e de túnel em linhas contínuas de panificação. A recuperação de calor do compressor fornece água quente a 70–90 °C para CIP, fermentação e lavagem. A integração da recuperação de calor compensa 20–40% da procura de energia para água quente da fábrica.
Perguntas frequentes
A refrigeração com CO₂ é segura para unidades de produção alimentar?
Sim. O CO₂ é não tóxico, não inflamável e classificado como A1 segundo a norma ASHRAE 34. É necessária a deteção de fugas, uma vez que o CO₂ desloca o oxigénio quando a sua concentração é superior a 5%. As instalações padrão incluem sensores de CO₂ e bloqueios de ventilação de acordo com a norma EN 378 (Europa) ou ASHRAE 15 (EUA).
Os sistemas de CO₂ conseguem atingir os -40 °C?
Sim. Os sistemas em cascata de NH₃/CO₂ funcionam a temperaturas de evaporação que descem até aos -50 °C. O CO₂ do estágio inferior é condensado pelo amoníaco do estágio superior, permitindo a congelação profunda para aplicações IQF e de congelação rápida.
Como se compara o CO₂ ao amoníaco no congelamento industrial?
O CO₂ é mais seguro em espaços interiores devido à sua classificação A1. A utilização de amoníaco (B2L) nas salas de produção está sujeita a restrições ao abrigo da maioria dos códigos. A amoníaca proporciona uma eficiência superior acima dos 500 kW. Os sistemas em cascata combinam ambos os refrigerantes.
Será que a refrigeração a CO₂ acabará por ser eliminada?
Não. O CO₂ tem um GWP de 1 e não está sujeito a quotas de redução gradual ao abrigo do Acordo de Kigali, da Diretiva relativa aos gases fluorados (F-Gas) ou da Lei AIM. Mantém-se em conformidade a longo prazo.
A refrigeração com CO₂ funciona em climas tropicais?
Sim, com compressão paralela, ejetores ou refrigeradores adiabáticos de gás. Estas adições mantêm a eficiência transcrítica a temperaturas ambientes superiores a 35 °C. A cascata de NH₃/CO₂ funciona em qualquer clima, uma vez que a rejeição de calor ocorre através do circuito de amoníaco.
Qual é a vida útil de um sistema de refrigeração a CO₂?
15 a 25 anos para instalações industriais. Os compressores de alta pressão e os refrigeradores de gás têm uma vida útil equivalente à dos seus equivalentes HFC. A tubagem em aço inoxidável suporta 120 bar sem fadiga (IIR, 2023).
