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Uso de Fluidos Naturais em Sistemas de Refrigerao e Ar-condicionadoArtigos Tcnicos O

novembro de 2007. Tanto o Seminrio quanto esta publicao est inserida no Plano Nacional de Eliminao de CFCs, coordenado pelo Ministrio do Meio Ambiente e implementado pelo Programa das Naes Unidas para o Desenvolvimento PNUD e pela Agncia Alem de Cooperao Tcnica GTZ.

s temas aqui abordados foram apresentados durante o Seminrio Uso de Refrigerantes Naturais em Sistemas de Refrigerao e Ar-condicionado, realizado em So Paulo, no perodo de 21 e 22 de

1111

Ministrio do Meio Ambiente MMA Uso de Fluidos Naturais em Sistemas de Refrigerao e Arcondicionado Publicao Tcnica. 2008. 348 p. 1. Desenvolvimento urbano Brasil. 2. Espao metropolitano Brasil. 3. Polticas Pblicas. CDI

Sumrio1 17 35 45 63 79 103 115 121 129 155Aplicaesdeco2comofluidorefrigerantenosetorderefrigeraoindustrialLEONILTON TOMAZ CLETO

Aplicaesdeamniacomofluidorefrigerantenosetordearcondicionadoe refrigeraoindustrialLEONILTON TOMAZ CLETO

co2(R-744)emequipamentosderefrigeraocomercialCLudIO MELO | ChrIsTIAN J. L. hErMEs

NovassoluesparafluidossecundriosemrefrigeraoFrANK ChAVIANO PruZAEsKY | EPIFANIO MAMANI TICONA | sErGIO LEAL BrAGA | JOs ALBErTO r. PArIsE

UsodefluidosrefrigeranteshidrocarbonetosEstadoatualetendnciasrOBErTO dE AGuIAr PEIxOTO

UsodehidrocarbonetosrefrigerantesemaplicaesresidenciaisJOO M. d. PIMENTA

Aplicaesdoco2nosetorautomotivoENIO PEdONE BANdArrA FILhO

ExperinciadaUnioEuropiaemRefrigerantesNaturaisStatuseTendnciasBErNd KALTENBruNNEr

InstalaesdefrioalimentaremsupermercadoscomautilizaodeamniaALExANdrE PrEsOTTO Jr. | CArLOs GuILhErME sFFErT

Aplicaesdoco2nosetorderefrigeraocomercialparasupermercadosALEssANdrO dA sILVA

PesquisaedesenvolvimentoparausoderefrigerantesnaturaisP. hrNJAK

Prefciopresente publicao reflete os resultados de um seminrio pioneiro, que abriu uma discusso tcnica com os principais atores do Setor de Refrigerao e Ar Condicionado, sobre o uso dos fluidos naturais como alternativa aos CFCs e HCFCs. Tal discusso especialmente oportuna no momento em que vivemos, onde o uso dos CFCs est em seus momentos finais e o abandono acelerado dos HCFCs uma realidade.

A

Em setembro de 2007, quando se comemorava os 20 anos de sucessos do Protocolo de Montreal, uma nova deciso histrica foi tomada pelo conjunto de pases signatrios. Com o fim dos CFCs, previsto para 2010, decidiu-se pelo incio do processo de substituio dos HCFCs j em 2013, antecipando em dez anos o prazo previsto pelo Protocolo de Montreal para o abandono destes gases. Alm dos benefcios para a recomposio da Camada de Oznio, objeto do Protocolo, a medida traz tambm um enorme benefcio para o regime climtico, dado o acentuado Potencial de Aquecimento Global (GWP) dos HCFCs. Esta inteno est explcita na Deciso XIX/6, quando em seu Ponto 6 encoraja as Partes a promover a seleo de alternativas aos HCFCs que minimizem os impactos ambientais, em particular os impactos no clima, bem, como considerem os aspectos de sade, segurana e viabilidade econmica. Tambm em seu Ponto 11 orienta o Comit Executivo, ao examinar o financiamento de projetos por parte dos pases, a priorizar Substitutos e alternativas que minimizem os impactos no meio ambiente, incluindo ao clima, levando em considerao o Potencial de Aquecimento Global, consumo de energia e outros fatores relevantes. O ganho para o regime climtico, explicitado com tanta nfase se justifica pela contribuio dada pelo Protocolo de Montreal para a mitigao da emisso dos gases de efeito estufa. Ao longo de seus 20 anos, a eliminao dos CFCs contribuiu significativamente para oque se evitasse a emisso de bilhes de toneladas de CO2 equivalente e pode continuar a faz-lo com uma relao custo-benefcio das mais favorveis. Somente no Brasil, a antecipao do prazo de eliminao dos CFCs determinada pela Resoluo 267/00 do Conama evitou o consumo de 36,5 mil toneladas PDO de CFCs, o que equivale, quanto ao seu efeito para o aquecimento global, a 360 milhes de toneladas de CO2. A ttulo de comparao, o Prolcool, o mais bem sucedido programa de combustveis renovveis do mundo, evitou de 1975 a 2005 a emisso de 650 milhes de toneladas de CO2. Antecipar os prazos de abandono dos HCFCs significar novos ganhos. Ainda no caso do Brasil, pode-se estimar que a Deciso XIX/6 evitar, em relao ao cronograma anterior do Protocolo de Montreal, o consumo de cerca de 750 mil toneladas de HCFCs. Ponderando-se consumo proporcional de cada uma das substncias e seu respectivo GWP, isso equivale a cerca de 1 bilho de toneladas de CO2 equivalente. Vale lembrar que a substituio dos HCFCs se dar com a introduo de outros gases. Caso o HCFC-22 venha a ser substitudo predominantemente pelo HFC-134a, uma das alternativas mais consolidadas no mercado, grande parte deste ganho seria anulada, j que o GWP das duas substncias so similares. Vem da a importncia desta publicao, que aponta aspectos relevantes do uso dos chamados fluidos naturais, que podero ser adotados em substituio dos HCFCs preservando os ganhos ensejados pela Deciso XIX/6,

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ou dos CFCs, por meio da substituio de equipamentos ou retrofit. A pouca discusso que predominou at o momento sobre o tema colaborou para o surgimento de preocupaes, por vezes infundadas, sobre a segurana, eficcia ou economicidade dos fluidos naturais. So aspectos a serem tratados com a devida seriedade e fundamentao. Nisso, a experincia internacional, a fundamentao cientfica e a experincia prtica, devem ser levadas em considerao e so abordadas nos diversos artigos desta publicao. Como resultado do seminrio, fica clara a tendncia ao crescimento do uso dos fluidos naturais, alavancado por medidas de incentivo adotadas em alguns pases e pelos avanos produzidos por novas tecnologias j disponveis no mercado. Nos prximos anos, diversas empresas tero que tomar decises quanto a novos equipamentos a serem produzidos ou comprados. Estes equipamentos por vezes permanecem em atividade por dcadas e as opes a serem adotadas tero que levar em considerao as tendncias para o futuro. O debate sobre novas tecnologias e produtos ser intenso nos prximos anos, mas a aposta que deve ser feita na adoo de gases que alm de no afetar a Camada de Oznio, tenham tambm um baixo potencial de aquecimento global. Compete ao Ministrio do Meio Ambiente, como coordenador do Prozon, o Comit Executivo Interministerial para a Proteo da Camada de Oznio, a formulao do Programa Nacional de Eliminao dos HCFCs - PNH que internalizar o novo cronograma no Brasil. Este ser elaborado nos prximos meses, em consonncia com as decises a serem adotadas pelas Partes do Protocolo. Apesar de no estar ainda formulado, podese afirmar que parte da misso do PNH ser criar as condies para que a adoo de opes por parte das empresas propicie ganhos tecnolgicos, competitividade e, cumprimento das obrigaes internacionais do Brasil perante o Protocolo, com os benefcios ambientais da advindos. Para isso, a difuso de informaes fundamental. Esperamos que esta publicao cumpra parte deste papel. Finalmente, gostaramos de agradecer ao Programa das Naes Unidas para o Desenvolvimento - PNUD, a Agncia de Cooperao Tcnica-GTZ, Associao Nacional dos Profissionais de Refrigerao e Ar condicionado ANPRAC e a Associao Brasileira de Refrigerao, Ar condicionado, Ventilao e Aquecimento - ABRAVA, pela parceria na organizao do evento e Universidade Mau, que nos hospedou gentilmente durante estes dias. Ruy de Ges Leite de BarrosDiretordoDepartamentodeMudanasclimticas SecretariadeMudanasclimticaseQualidadeAmbiental MinistriodoMeioAmbiente

Aplicaesdeco2comofluido refrigerantenosetorderefrigerao industrialLEoNILToNToMAZcLETo Yawatz Engenharia Ltda. Rua Agostinho Teixeira de Lima, 215 So Paulo SP 04826-230 Brasil

RESUMOCom o ressurgimento do CO2 (dixido de carbono) como fluido refrigerante em sistemas de refrigerao, foram desenvolvidas novas tecnologias e aplicaes nos vrios setores do mercado de refrigerao para tornar o seu uso vivel. Sendo um refrigerante natural, o CO2 se apresenta como alternativa promissora aos refrigerantes sintticos em vrias aplicaes de sistemas de refrigerao. O presente artigo explora as aplicaes de CO2 no setor de refrigerao industrial, que surge tambm como uma alternativa para a Amnia. A Amnia, apesar de ser um outro refrigerante natural, possui um ndice de toxicidade mais elevado e normalmente, em aplicaes de baixa temperatura, requer uma carga muito grande. Nos sistemas aqui apresentados, com a introduo de ciclos em cascata, utilizando CO2 e Amnia, a reduo de carga de Amnia pode chegar em at 97%, comparando com sistemas convencionais. Alm da reduo de carga de Amnia, so analisados outros aspectos dos sistemas com CO2 que incluem a eficincia energtica, a reduo dos dimetros das linhas, alguns cuidados operacionais a as tendncias da sua utilizao no setor nos prximos anos.

1

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1 IntroduoO CO2 (dixido de carbono R-744) foi um dos primeiros fluidos refrigerantes aplicados para sistemas de refrigerao e foi amplamente utilizado at os meados da dcada de 30 do sculo XX. Com o surgimento dos fluidos CFCs e HCFCs, o CO2 foi perdendo mercado at ser praticamente extinto no incio dos anos 60. Com os problemas ambientais e o estabelecimento dos Protocolos de Montreal e de Kyoto, o CO2 ressurge como uma alternativa promissora a ser utilizada em muitas aplicaes, nos vrios setores de refrigerao. No incio dos anos 90, os livros antigos sobre tecnologia de refrigerao, com vrias aplicaes utilizando CO2, foram reabertos. Com o desenvolvimento tecnolgico dos ltimos anos, novos conceitos surgiram propiciando assim o renascimento do CO2 como fluido refrigerante natural. Um dos principais responsveis pelo reavivamento do CO2 foi o Prof. Gustav Lorentzen (19151995) do Instituto de Tecnologia da Noruega (NTH), em Trondheim, que props e desenvolveu com sua equipe vrias aplicaes e sistemas utilizando CO2 como fluido refrigerante [1]. J no final dos2

anos 90, surgem nos mais variados setores da refrigerao, vrias aplicaes comerciais utilizando CO2 como fluido refrigerante, seja em sistemas com ciclos sub-crticos, para baixas temperaturas (abaixo de -30 C e at -55 C), em cascata com outro fluido refrigerante, seja em sistemas com ciclos transcrticos para mdias temperaturas (acima de -15 C), sistemas de ar condicionado (principalmente no setor automotivo) e bombas de calor. O setor de refrigerao industrial abrange os grandes sistemas e normalmente se refere s aplicaes na indstria alimentcia e na indstria de bebidas, onde o principal fluido refrigerante a Amnia (R-717). Aqui so ainda includas as aplicaes nas indstrias qumicas e petroqumicas, que utilizam principalmente os fluidos halogenados (HFCs e, no Brasil, ainda o HCFC R-22), alm de Amnia e alguns hidrocarbonetos (R-1270, R-290 e misturas) e as aplicaes de ar condicionado industrial (principalmente nas indstrias farmacuticas, txtis e automotivas), que utilizam principalmente os HFCs. Apesar da Amnia e dos hidrocarbonetos serem parte do grupo de fluidos refrigerantes naturais (assim chamados por serem encontrados nos ciclos naturais na terra), ambos possuem algumas restries que limitam o seu uso. A Amnia, com suas excelentes caractersticas para o uso em sistemas de refrigerao, sofre muitas restries de sua aplicao por ser um refrigerante com maior ndice de toxicidade que a maioria dos HFCs. Em vrios pases, inclusive o Brasil, h legislaes que requerem uma srie de cuidados desde o projeto at a operao de um sistema de refrigerao que,

dependendo da carga de refrigerante no sistema e do local onde o mesmo ser instalado, podem at inviabilizar a sua aplicao. Um exemplo recente o de vrias instalaes de refrigerao com grandes cargas de Amnia, localizadas em reas densamente povoadas, que esto mudando para reas industriais isoladas, onde o impacto de um grande vazamento de Amnia se torna bem menor. Nos ltimos 15 anos, s na cidade de So Paulo, cerca de 15 instalaes, que somavam uma carga de mais de 600 ton de Amnia, foram transferidas para reas isoladas, em outras localidades [2]. Os hidrocarbonetos possuem um alto ndice de inflamabilidade e quando utilizados em grandes sistemas de refrigerao, os equipamentos da rea requerem classificaes especficas quanto explosividade. Em instalaes qumicas e petroqumicas, muitas vezes os prprios produtos da manufatura so inflamveis, o que torna a rea classificada independente do tipo de refrigerante utilizado. Porm, se a carga de refrigerante hidrocarboneto for muito grande, o nvel de risco da rea ser maior. Nestes cenrios, em sistemas com temperaturas de operao entre -30 C e -55 C surge a alternativa de um sistema cascata, com CO2 em ciclo sub-crtico para baixa temperatura e Amnia ou hidrocarboneto no ciclo com a rejeio de calor final para a atmosfera, estes em equipamentos compactos, com cargas extremamente reduzidas. Alm disso, para sistemas de refrigerao por Amnia, com vrios nveis de temperaturas de operao (ex.: para sistemas de duplo estgio, com produtos congelados a -40 C e resfriados a -10 C), o CO2 pode ser utilizado como fluido secundrio bombeado, utilizando calor latente, para o sistema de temperatura intermediria (de -15 C a 0 C), reduzindo ainda mais a carga de Amnia no sistema.3

2 Desenvolvimento2.1 Sistemas com Ciclo Cascata CO2 / Amnia (R-744/ R-717)O sistema com Ciclo Cascata constitui-se de dois (ou mais) ciclos de refrigerao independentes, cada um com o seu prprio fluido refrigerante (no caso CO2 e Amnia), porm com um trocador de calor comum aos dois ciclos. O trocador de calor Cascata tem a funo de

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condensador no ciclo de baixa temperatura e a funo de evaporador no ciclo de alta temperatura. Os sistemas com ciclo cascata normalmente so utilizados em aplicaes onde no possvel retirar o calor do nvel mais baixo de temperatura requerido (para resfriar o produto do processo) e rejeit-lo para a atmosfera (atravs de condensador evaporativo, a gua ou a ar), com a aplicao de um nico fluido em um ciclo de compresso de vapor. Os sistemas cascatas so normalmente empregados em aplicaes com temperaturas abaixo de -60 C, pois fluidos como Amnia e alguns fluidos halogenados utilizados em ciclos convencionais (ex.: R-507, R-404A) possuem presses de evaporao muito baixas e alm disso, a eficincia do ciclo muito baixa, mesmo considerando vrios estgios de compresso. Por outro lado, fluidos com faixas de presso adequadas para baixas temperaturas (ex.: R-23, R-170), possuem ponto crtico muito baixo, sendo necessrio rejeitar o calor para um nvel de temperatura bem abaixo da temperatura do ar externo (ao invs de um ciclo transcrtico). Assim, para retirar o calor rejeitado no condensador do ciclo de baixa temperatura, utiliza-se um ciclo independente, com outro fluido, que opera com temperatura de evaporao abaixo da temperatura de condensao do ciclo de baixa temperatura e rejeita o calor para a atmosfera.435 C Presso R-717

Sistema R-744/R-717 Cascata

R717 R-744/R-717 Trocador Cascata -12 C 8 C

compressor R-717

+35 C (13,5 bar) -12 C (2,7 bar) Enthalpia

compressor R-744 -40 C Sep. Lquido Presso R-744

-8 C (28,0 bar) -40 C (10 bar)

R744

-40 C Evaporador R-744

Enthalpia

Figura1 Ciclo Cascata - CO2 / Amnia [3]

No caso do sistema cascata com CO2, as temperaturas de evaporao no lado de baixa variam de -55 C a -30 C (o ponto triplo do CO2 ocorre a -56.6 C e, acima de -30 C, o sistema se torna ineficiente quando comparado com sistemas convencionais) e as temperaturas de condensao variam desde -18 C (para sistemas com temperatura de evaporao em torno de -55 C) at 0 C (para temperaturas de evaporao em torno de -30 C), com temperatura de condensao limite de operao em torno de +5 C (em funo da presso de projeto de 40 bar para os compressores de CO2 disponveis no mercado). De fato, com temperaturas de condensao acima de -5 C para o CO2, o sistema se mostra cada vez mais ineficiente, quando comparado com sistemas convencionais. Como mencionado, uma das maiores vantagens da utilizao de CO2 em aplicaes de refrigerao se deve reduo da carga de um fluido que apresenta maiores restries de uso (Amnia ou hidrocarbonetos), mas essencial que o sistema com CO2 apresente um nvel de eficncia energtica (COP) igual ou melhor que um sistema convencional para a mesma aplicao.Sistemacascata-R-744/R-717xSistemaBooster-R-717 coeficientedePerformance2.10 2.00 1.90 1.80 R-744/R-717 Cascata - timo Apenas R-717 - Booster - timo

5

CPO (kW/kW)

1.70 1.60 1.50 1.40 1.30 -45.0 compressoresdeR-744-SaboreHPc compressoresdeR-717-FrickRWFII ApproachnoTrocadorcascata:4c Temp.IntermnoSistemadeR-717-tima Temp.condensaodeR-717:+35c -44.0 -43.0 -42.0 -41.0 -40.0 -39.0 -38.0 -37.0 -36.0 -35.0

TemperaturadeEvaporao(c)

Figura2 Comparativo de Sistema Cascata utilizando CO2 / Amnia, com Sistema Convencional de Duplo-Estgio (Booster) utilizando apenas Amnia

O grfico da Fig. 02 mostra os resultados de COP de dois sistemas reais ciclo cascata CO2/Amnia e ciclo em duplo estgio (em Booster) com Amnia utilizando compressores do mesmo fabricante, variando as temperaturas de evaporao e mantendo-se a temperatura de condensao de Amnia constante (nos dois ciclos) em +35 C tpica para aplicaes de refrigerao industrial no Brasil. Nos dois casos, variou-se as temperaturas intermedirias

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(temperatura de condensao do CO2 e a temperatura intermediria do ciclo Booster de R-717) de modo a se obter o melhor COP para cada temperatura de evaporao. A partir do grfico pode-se observar que para temperaturas de evaporao abaixo de -38 C, o sistema cascata passa a ser mais eficiente que o sistema convencional utilizando Amnia. Para a temperatura de evaporao de -45 C o COP do sistema com CO2 j cerca de 7% melhor que o sistema convencional com Amnia e em -50 C a diferena chega a 14%. Acima de -38 C e at cerca de -30 C os sistemas apresentam resultados muito prximos, com o sistema convencional com Amnia at 1% mais eficiente que o sistema com CO2.Sistemacascata-R-744/R-717 coeficientedePerformance-R-717comEconomiser2.10 -5.0

COP timo Temp. Cond. R-744 tima1.90

-7.0 -9.0

6

1.70

-11.0 -13.0 -15.0 -17.0

1.50

1.30

compressoresdeR-744-SaboreHPc compressoresdeR-717-FrickRWFII ApproachnoTrocadorcascata:4c Temp.IntermnoSistemadeR-717-tima Temp.condensaodeR-717:+35c -50.0 -49.0 -48.0 -47.0 -46.0 -45.0 -44.0 -43.0 -42.0 -41.0 -40.0 -39.0 -38.0 -37.0 -36.0 -35.0

TemperaturadeEvaporao-R-744(c)

Figura3 Verificao da Temperatura de Condensao de CO2 tima (para o COP timo), em Funo da Temperatura de Evaporao em Sistema Cascata utilizando CO2 /Amnia

A Fig.03 indica a curva da temperatura de condensao tima para o melhor COP do ciclo cascata CO2 /Amnia, em funo da temperatura de evaporao do CO2, para a temperatura de condensao de Amnia constante em +35 C. A Fig.04 indica ainda que, na faixa de temperatura de evaporao de -38 C a -47 C, a diferena de COP muito pequena quando se varia a temperatura de condensao do CO2 entre -5 C e -15 C, o que permite uma certa flexibilidade para definio da temperatura intermediria, caso o sistema envolva um nvel de temperatura intermediria de processo (ex.: temperatura para atender carga de produtos resfriados).

Temp.cond.R-744(c)

COP (kW/kW)

Sistemacascata-R-744/R-717 coeficientedePerformance2.10 2.00 1.90

CPO (kW/kW)

1.80 1.70 1.60 1.50 1.40 1.30 -50.0

Temp. Cond. R-744 = 0 C Temp. Cond. R-744 = -5 C Temp. Cond. R-744 = -10 C Temp. Cond. R-744 = -15 C Temp. Cond. R-744 = -20 C

compressoresdeR-744-SabroeHPc compressoresdeR-717-FrickRWFII ApproachnoTrocadorcascata:4c Temp.IntermnoSistemadeR-717-tima Temp.condensaodeR-717:+35c -45.0 -40.0 -35.0

TemperaturadeEvaporao-R-744(c)

Figura4 Curvas de COP de um Sistema Cascata utilizando CO2 / Amnia, em Funo da Temperatura de Evaporao do CO2, para vrias temperaturas de condensao de CO2

7

comparativodecoPentreciclosdeRefrigerao2.50

Regime -40 C/+25 C Regime -50 C/+25 C1.92 1.75 1.77 1.38 1.22 1.09

By P.S. Nielsen & T. Lund - IIAR Albuquerque - USA - 2003

2.18 1.86 1.78 1.42

2.00

CPO (kW/kW)

1.50

1.00

0.50

0.00 R-717 - Simples Estgio - Economiser R-717 - Simples Estgio - Booster R-22 - Simples Estgio Economiser R-22 - Duplo Estgio - Booster R-744/R-717 Ciclo Cascata

TipodeSistema

Figura05 Comparativo de COP entre Sistemas de Refrigerao [4]

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A Fig.05 indica ainda um comparativo de COP entre vrios sistemas de refrigerao para temperaturas de evaporao de -40 C e -50 C, com temperatura de condensao de +25 C (para aplicaes navais), onde se verifica uma vantagem ainda maior do sistema com CO2 em relao aos outros sistemas.

2.2 Sistemas com CO2 Operando como Fluido Secundrio35 C

Sistema Cascata R-744/R-717 Com R-744 Bombeado no Intermediriocompressor R-717

R717 R-744/R-717 Trocador Cascata -14 C -10 C

compressor R-744

8

-10 C Sep. Lquido co2

Presso

R-717

+35 C (13,5 bar) Evaporador R-744 -10 C -40 C Sep. Lquido co2 Presso R-744 -8 C (28,0 bar) -40 C (10 bar) Evaporador R-744 Enthalpia -14 C (2,5 bar) Enthalpia

Figura06 Ciclo Cascata CO2 / Amnia, com CO2 Circulando no Regime Intermedirio como Fluido Secundrio [3][5]

Outra alternativa, desenvolvida por S. Forbes Pearson[5] em uma instalao frigorfica na Esccia, mostrada na Fig. 05, onde o CO2 condensado no trocador de calor Cascata (no caso, a -10 C) segue para um separador de lquido onde bombeado para circulao como fluido

secundrio para resfriamento de cmaras de estocagem com produtos resfriados. O retorno de lquido+ vapor recondensado no trocador de calor Cascata sem passar pelo compressor. O restante do ciclo permanece idntico ao da Fig. 01. Neste caso, haver uma reduo ainda maior da carga de Amnia no sistema, porm quando se compara este sistema com um sistema convencional Booster com Amnia (no caso operando em -40 C/-10 C/+35 C), haver uma reduo de COP, uma vez que a capacidade do ciclo de Amnia (operando em -14 C/+35 C) deve aumentar. Dependendo do sistema, esta perda de COP pode ser desprezvel, em funo da relao reduzida de perda de temperatura de saturao sobre a perda de presso do circuito de CO2 relao T/P (0.55 K/bar para o CO2 contra 8.46 K/bar para a Amnia na temperatura de -10 C), ou seja, em sistemas com CO2 a temperatura de saturao de CO2 pode chegar at -7 C mantendo a temperatura de evaporao de Amnia no trocador de calor Cascata em torno de -11 C.

2.3 Aspectos de Projeto e Operao9

2.3.1 Linhas de RefrigeraoA seguir uma anlise de linhas de refrigerao do sistema onde foram utilizados os dados da tabela abaixo, como base de clculo, para comparao nas Fig. 07 e 08 dos dimetros resultantes para sistemas com R-134a, Amnia e CO2. Em mdia, os dimetros das linhas de refrigerao de um sistema com CO2 so 2.5 vezes menor que um sistema com Amnia e 7 vezes menor que um sistema com R-134a.Dadosparaclculo Capacidade Perda de Carga na Linha de Suco: T Perda de Carga na Linha de de Retorno de Vapor mido: T Taxa de Recirculao (Bomba) Velocidade na Linha de Lquido Comprimento Equivalente Temperatura de Evaporao Temperatura de Condensao 250 kW 0.8 K 0.8 K 3:1 0.8 m/s 50 m -40 C -15 C

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Refrigerante P (bar) Velocidade (m/s)

R134a 0.0212 20.4

R717 0.0303 37.5

R744 0.2930 15.4

Linha de Suco

Dimetro

mm Linha de Lquido Dimetro mm

168

102

53

37

21

35

Figura07 Comparao de Dimetros de Linhas de Suco e Linha de Lquido [3]

10

Refrigerante P (bar) Velocidade (m/s)

R134a 0.0212 11.0

R717 0.0303 20.2

R744 0.2930 8.2

Linha de Retorno (Lquido + Vapor)

Dimetro

mm Linha de Lquido Bombeado (Baixa) Dimetro mm

215

133

69

61

36

58

Figura8 Comparao de Dimetros de Linhas de Retorno de Vapor mido e Linha de Lquido Bombeado (no Lado de Baixa Temperatura) [3]

2.3.2 Sistemas de DegeloDentre algumas concepes de sistemas de degelo para ciclos com CO2, as principais so: .: compressores pequenos em srie com a descarga do compressor principal de CO2 (como ilustrado na Fig. 09), .: bombas de CO2 associadas com sistema de aquecimento (conforme desenvolvido por F. Pearson [5]), .: degelo com gua ou degelo com resistncia eltrica (mais comuns em aplicaes para supermercado).35 C

Sistema R-744/R-717 Cascata

R717 R-744/R-717 Trocador Cascata -12 C -8 C

compressor R-717

Presso

R-717

compressor R-744

+35 C (13,5 bar) -12 C (2,7 bar) Enthalpia

11

-40 C Sep. Lquido

R-744

compressor paraDegelo Tsat = +8 C

Presso

R-744

+8 C -8 C (28,0 bar) -40 C (10 bar)

(43 bar)

Evaporador R-744 -40 C

Enthalpia

Figura9 Ciclo Cascata CO2 / Amnia, com Sistema de Degelo Utilizando Compressor de CO2 Auxiliar, em Srie com o Compressor Principal [3]

2.3.3 Contaminao com guagua em sistemas de refrigerao com CO2 um aspecto que requer uma abordagem diferente quando comparado com Amnia. Em sistemas com Amnia o leo periodicamente renovado, h purga frequente de incondensveis e vrios sistemas possuem eliminadores de gua. Estes cuidados

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so aplicados para evitar a degradao do leo e da Amnia e a formao de cidos graxos. Comparado com Amnia, o CO2 menos suscetvel a problemas de contaminao, porm se ocorrer a presena de gua (umidade) no circuito de refrigerao poder haver alguns problemas, sendo que o principal a saturao da gua na mistura com o CO2 que, se ocorrer abaixo de 0 C haver congelamento, podendo comprometer principalmente o funcionamento de elementos de controle. Assim, extremamente necessrio o uso de filtros secadores nas linhas de CO2 lquido, para manter a concentrao de gua em um nvel aceitvel, que bem menor que os outros refrigerantes.Solubilidade da gua Fase Vapor2000 R717

ppM de gua/kg de Refrigerante

1500

R134a

1000

12

500

0 -60 -40 -20 0 20 40 60 [ C]

Temperatura

Figura10 Curvas de Solubilidade da gua na fase vapor de CO2, R-717 e R-134a [3]

Solubilidade da gua Fase Vapor ppM de gua/kg de Refrigerante100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 -40

CO2 + Gelo

CO2 + gua

CO2 + Vapor d gua -20 0 20 C

Temperatura

Figura11 Curva de Solubilidade da gua na fase vapor de CO2 [3]

A Fig. 10 indica as curvas de solubilidade da gua na fase vapor do CO2, da Amnia e do R-134a, em funo da temperatura. Diferentemente da formao da mistura Aqua-Amnia, a Fig. 11 indica que acima do ponto de saturao ocorre a formao de gua (estado lquido) em temperaturas acima de 0 C e gelo, para temperaturas do CO2 abaixo de 0 C. Alm disso, pode haver formao de cido carbnico, que pode trazer danos aos componentes do sistema (assim como a formao de cidos graxos e compostos nitrosos podem danificar os sistemas de Amnia).

2.3.4 Vlvulas de SeguranaA aplicao das vlvulas de segurana em sistemas de CO2 tambm requerem alguns cuidados: .: A vlvula dever ser descarregada diretamente para a atmosfera. As linhas de descarga das vlvulas de segurana devero ser montadas antes das vlvulas, de modo que as vlvulas de segurana sejam o ltimo elemento do circuito. Como indicado na Fig. 12, dependendo da presso de abertura da vlvula de segurana, com a expanso do vapor at a presso atmosfrica, poder haver fomao de CO2 slido, pois o ponto triplo ocorre presso de 5.2 bar. .: No possvel instalar vlvulas de segurana ou elementos de alvio da fase lquida diretamente para a atmosfera. Nesta condio haver uma grande formao de CO2 slido, como se verifica na Fig. 12. Neste caso, a descarga dever ser feita para um vaso do sistema com menor presso. .: As presses de projeto recomendadas para sistemas em ciclos sub-crticos de CO2 so 52 bar para o circuito de gs quente quando se utiliza compressor auxiliar de gs quente (at a vlvula de injeo de gs quente, antes do evaporador); 40 bar para o circuito da presso de condensao (compressor, linha de descarga, condensador, linha de lquido e vasos de presso at a vlvula de expanso); 25 bar para o circuito de baixa presso (aps a vlvula de expanso e at a suco do compressor).

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Vlvulas de Segurana100 31.0 C

SupercrticoVapor a 50 bar

LiquidLquido a 20 bar

Vapor a 35 bar

Presso (bar abs)

Slido-Lquido10

Lquido-Vapor0% de CO2 Slido no Ponto Triplo

Slido

50% de CO2 Slido no Ponto Triplo

-56.6 C 5.2 bar Slido-Vapor-78.4 C -200 -100 0 100 200 300 400 3% de CO2 Slido no Ponto Triplo

Vapor500

1

Entalpia

14

Fig.12 Expanso de CO2 na Descarga de Vlvulasde Segurana em Vrios Pontos do Sistema de Refrigerao [3]

3 ConclusoO objetivo deste artigo foi o de apresentar os aspectos mais relevantes de sistemas de refrigerao utilizando CO2 como fluido refrigerante em aplicaes do setor de refrigerao industrial. O sistema mais utilizado at o presente o ciclo cascata CO2 / Amnia, que como vantagem inicial apresenta uma reduo drstica na carga de Amnia no sistema. Alm disso, para sistemas operando com temperatura de evaporao abaixo de -38 C, verificase melhores ndices de COP quando comparados com sistemas convencionais de refrigerao por Amnia, sendo razoavelmente vantajoso com temperaturas abaixo de -45 C. Tambm foi apresentado uma variao do ciclo cascata que inclui o CO2 operando como fluido secundrio para temperaturas intermedirias (para atender cargas de produtos resfriados, por exemplo), o que propicia uma reduo ainda maior da carga de Amnia em sistemas de duas temperaturas de trabalho. As perdas de eficincia podem ser minimizadas com otimizao do projeto, valendo-se das vantagens da relao T/P do CO2.

Foram analisados aspectos de projeto envolvendo o dimensionamento de linhas de refrigerao, que em sistemas de CO2 resultam em mdia uma reduo de dimetro de 2.5 vezes quando comparado com linhas de Amnia; sistemas de degelo; problemas relacionados contaminao com gua e a necessidade do uso de filtros secadores e, finalmente, a aplicao adequada das vlvulas de segurana. As perspectivas para crescimento do uso de CO2 no setor de refrigerao industrial so muito boas, principalmente pelo fato de que na Europa, nos EUA e tambm no Brasil j existem restries quanto ao uso de sistemas com grandes cargas de Amnia em determinadas localidades. Quanto tendncia dos clientes optarem por esta soluo, percebe-se que no Brasil ainda h uma certa relutncia em mudar para o novo (quem ser o primeiro?). No entanto, pode-se verificar que vrias empresas ao redor do mundo esto adotando o ciclo cascata CO2 / Amnia como soluo final para sistemas com temperaturas abaixo de -40 C.

4 Referncias bibliogrficasLiteratura:Lorentzen, G. RevivalofcarbonDioxideasRefrigerant,InternationalJournalofRefrigeration 1994 Vol. 17 Number 5, pag. 292-301. Cleto, L. T. LevantamentodeInventriodeAmniadasInstalaesdeRefrigeraoDesativadas nacidadedeSoPaulo Pesquisa pessoal 2005. Vestergaard, N. P. co2RefrigerantforIndustrialRefrigeration Danfoss A/S 2004. Nielsen, P.S & Lund, T. Introducing a New Ammonia/co2 cascade concept for Large Fishing Vessels, IIAR Annual Meeting Albuquerque, USA 2003. Pearson, S. F. Development of Improved Secondary Refrigerants International Journal of Refrigeration 1993, Preprint.

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Softwares:COMP1-Ver.18.01F computation and Balancing of components and Plants International Technicalcomputing York Denmark Ed. 2008.

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CoolPack-Ver.1.46 SimulationToolsforRefrigeration Dept. of Mechanical Engineering Technical University of Denmark Ed. 2001. DIRcalc-Ver.1.16 Refrigeration component Selection and Line Sizing Danfoss Industrial Refrigeration A/S Ed. 2007.

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Aplicaesdeamniacomo fluidorefrigerantenosetordear condicionadoerefrigeraoindustrialLEoNILToNToMAZcLETo Yawatz Engenharia Ltda. Rua Agostinho Teixeira de Lima, 215 So Paulo SP 04826-230 Brasil

RESUMOA Amnia (R-717) foi um dos primeiros fluidos refrigerantes a ser utilizado na rea de refrigerao, utilizado inicialmente em ciclos de absoro e logo em seguida, tambm nos ciclos de compresso a vapor. Com a chegada dos fluidos halogenados, reduziu-se a utilizao da Amnia na rea comercial, mas na rea industrial o uso da amnia continuou se desenvolvendo. Em quase 150 anos de sua utilizao, houveram grandes avanos na tecnologia desenvolvida, com nfase nos aspectos de segurana e eficincia energtica. Aps o Protocolo de Montreal, a Amnia passou a ser considerada uma das mais importantes alternativas nas aplicaes de refrigerao e ar condicionado industrial. Com estas oportunidades, surgiram novos conceitos, entre os quais, os sistemas extremamente compactos, com uma carga de refrigerante muito reduzida e dispositivos de segurana avanados, tornando vivel a utilizao da Amnia em vrios tipos de aplicaes. Neste trabalho so apresentadas algumas dessas aplicaes e as tendncias futuras para as aplicaes com Amnia no setor.

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1 IntroduoO setor de refrigerao industrial abrange os grandes sistemas e normalmente se refere s aplicaes na indstria alimentcia e na indstria de bebidas, onde o principal fluido refrigerante a Amnia (R-717). Aqui so ainda includas as aplicaes nas indstrias qumicas e petroqumicas, que utilizam principalmente os fluidos halogenados (HFCs e, no Brasil, ainda o HCFC-22), alm da Amnia e alguns hidrocarbonetos (R-1270, R-290 e misturas) e as aplicaes de ar condicionado industrial (principalmente nas indstrias farmacuticas, txtis e automotivas), que ainda utilizam principalmente os HFCs. A Amnia, com suas excelentes caractersticas para o uso em sistemas de refrigerao, sofre muitas restries de sua aplicao por se tratar de um fluido refrigerante com maior ndice de toxicidade que a maioria dos HFCs. Em vrios pases, inclusive o Brasil, h legislaes que requerem uma srie de cuidados desde o projeto at a operao de um sistema de refrigerao que, dependendo da carga de refrigerante no sistema e do local onde o mesmo ser instalado, podem18

at inviabilizar a sua aplicao. No entanto, desde o Protocolo de Montreal, com os programas de eliminao dos CFCs e dos HCFCs, e posteriormente Kyoto, com possveis restries futuras quanto utilizao dos HFCs, surgiram novas oportunidades para a utilizao da Amnia. Assim, para minimizar o impacto do problema da toxicidade, a nfase no desenvolvimento foi a concepo de sistemas compactos, com carga de Amnia muito reduzida. O principal conceito de sistema adotado para a maioria das novas aplicaes foi o da utilizao combinada com outros fluidos, sejam estes em sistema de resfriamento indireto (com os chamados fluidos secundrios), seja em sistema com ciclo Cascata, especificamente com o CO2. Por outro lado, com a introduo de um fluido necessrio que o patamar de mnima temperatura (a temperatura de evaporao do ciclo com amnia) seja um pouco mais baixo que os sistemas tradicionais com expanso direta de refrigerante, o que resulta em uma diminuio da eficincia energtica do ciclo. Para compensar isto, algumas aplicaes tiveram sua concepo alterada, de forma a minimizar ou neutralizar este impacto, e alm disso, os componentes dos novos sistemas com Amnia foram otimizados para se obter uma recuperao da eficincia energtica. Neste trabalho so apresentadas algumas aplicaes desenvolvidas para a utilizao de sistemas compactos, especialmente os Chillers com trocadores de calor a placas e novas tecnologias de equipamentos para a utilizao de sistemas com cargas muito reduzidas, alm de alguns novos conceitos em plantas industriais.

2 Desenvolvimento2.1 Chillers com Trocadores a PlacasOs Chillers (Unidades Resfriadoras de Lquido) com trocadores de calor a placas representam um dos grandes avanos tecnolgicos para a reduo drstica da carga de amnia em um sistema de refrigerao associada a um COP (coeficiente de perfomance) elevado. A reduo da carga de refrigerante no sistema chega a 80% quando comparado com chillers utilizando trocadores de calor Shell & Tube convencionais e at 95%, quando comparado com sistemas de expanso direta. Alm disso, h duas vantagens operacionais dos chillers com trocadores a placas quando comparadas com um sistema de expanso direta. Neste ltimo, por conta da montagem da instalao no campo, difcil (normalmente at deprezado) a realizao do teste de estanqueidade adequado e o procedimento de vcuo dentro dos limites aceitveis (da ordem de 5 kPa abs) antes da primeira carga de refrigerante. Isto gera paradas para manuteno mais frequentes, alm da reduo da vida til de componentes internos e perda de COP ao longo do tempo. O fato dos chillers com trocadores a placas serem montados e testados completamente na fbrica, elimina este problema. Alm disso, a taxa de reposio de amnia e de leo lubrificante para o sistema so extramente reduzidas. A seguir, duas aplicaes onde a introduo de sistemas com chillers com trocadores a placas trouxe grandes resultados relacionados segurana e tambm eficncia energtica.19

2.2 Aplicaes de Chillers com Trocadores a Placas Indstria de LaticniosAt pouco tempo atrs, o nico sistema de frio usado nos processos de resfriamento de leite era o banco de gelo, uma serpentina com Amnia evaporando a -10.0 C, mergulhada em um tanque cheio de gua em sistema aberto. No processo de resfriamento de leite, ocorrem picos de carga em perodos muito pequenos, o que possibilita a utilizao do banco de gelo como um pulmo de termoacumulao. Tambm, com a necessidade de se ter gua gelada em torno de +1.0 C (pois o leite deve ser resfriado at +4.0 C), o banco de gelo til, pois mesmo havendo o congelamento em volta da serpentina, por ser um tanque atmosfrico, possvel garantir o fluxo de gua em temperaturas muito prximas a 0 C sem congelamento. No caso

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dos grandes laticnios nem sempre h o aproveitamento da termoacumulao pois o processo praticamente contnuo. No entanto, o banco de gelo apresenta grandes desvantagens. Sua construo requer disponibilidade de espao devido s suas grandes dimenses, alm de cargas de Amnia muito elevadas. Alm disso, opera sob condies pouco favorveis, evaporando em torno de -10.0 C, para produzir gelo e gua gelada. Possui coeficientes de transferncia de calor muito baixos, principalmente pela formao do gelo em volta da serpentina que acaba se tornando um isolante trmico para a troca. Nesta aplicao, os trocadores a placas para o resfriamento da gua so uma tima alternativa aos bancos de gelo. Podem ser usados tanto na ampliao de uma instalao existente, eliminando a serpentina dos tanques, deixando-os apenas com a funo de termoacumulao de gua, ou em novas instalaes, utilizando chillers com trocadores a placas. Uma vantagem deste sistema que os evaporadores a placas possuem coeficientes de troca de calor com eficcia muito maior (30 a 50 vezes que a serpentina). Outra vantagem que a carga de Amnia no sistema extremamente reduzida (cerca de 0.5% a 2% da carga de um sistema convencional utilizando banco de gelo). Devido ao alto coeficiente de transferncia de calor, possvel obter um diferencial de temperatura muito pequeno entre a sada da gua gelada e a temperatura de evaporao no evaporador a placas do chiller. No caso dos laticnios possvel obter gua a +1.0 C com o fluido refrigerante evaporando em torno de 0.0 C. Associando-se ao sistema um controle de presso de suco, evita-se o risco de congelamento do trocador. Vale observar que, pela concepo do sistema, este pequeno diferencial entre a temperatura de sada da gua e a temperatura de evaporao s vivel em sistemas inundados no sendo possvel a operao com sistemas de expanso seca. Considerando a perda no sistema devido vlvula de presso constante, a presso da Amnia na suco do compressor do chiller com trocador a placas fica em torno de 4.1 bar abs (temperatura de evaporao equivalente a -1.5 C). Comparando ao sistema com banco de gelo, onde a presso de suco de 2.9 bar abs (com temperatura de evaporao equivalente a -10.0 C), nota-se que o sistema com trocador a placas muito mais eficiente do ponto de vista termodinmico. Por exemplo, para um sistema de um grande laticnio com capacidade de resfriamento de 1000 kW, utilizando compressor parafuso e Amnia, tem-se a seguinte comparao:

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Tabela01 Comparativo entre sistema convencional e chiller com trocadores a placas em aplicao de resfriamento de leite [1]SistemacomBancodeGelo econdensadorEvaporativo Regime de operao (C) Deslocamento volumtrico do compressor (m3/h) Potncia absorvida pelo motor do compressor (kW) Potncia total absorvida pelo sistema (kW) * Carga de refrigerante (kg) -10.0 / +35.0 1438 264.6 349.5 ~10000 SistemacomchillercomTrocadores aPlacaseTorredeResfriamento -1.5 / + 36.0 1013 204.0 271.4 55

Potncia total absorvida: .: Sistema com Banco de Gelo: motores dos compressores, condensadores evaporativos (ventiladores + bomba), bomba de gua gelada, agitadores, bombas de Amnia. .: Sistema com Chiller com Trocadores a Placas: motores dos compressores, ventiladores da torre de resfriamento, bomba de gua de resfriamento, bomba de gua gelada. Como se verifica na tabela 01, o sistema com chiller com trocadores a placas utiliza um compressor cerca de 30% menor que o sistema convencional e a potncia total absorvida no sistema 22% menor. Mas a grande reduo ocorre na carga de refrigerante requerida: O sistema com chillers com trocadores a placa utiliza apenas 0.55% da carga total do sistema convencional. Em um sistema existente, considerando-se apenas a substituio dos bancos de gelo por evaporadores a placas, mantendo-se os compressores, possvel obter-se uma expanso de capacidade do sistema de 42% com um aumento de apenas 5% na potncia total absorvida dos mesmos, sendo normalmente desnecessrio o aumento da potncia instalada dos motores. Neste caso, o nico aumento de equipamento necessrio seria o dos condensadores evaporativos que devero aumentar em 34%. Neste caso tambm a reduo da carga de refrigerante sensvel. Tomando a capacidade do exemplo citado anteriormente, a carga de refrigerante do sistema alterado, seria de aproximadamente 600 kg (5% a 8% da carga de refrigerante de um sistema com banco de gelo).21

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No caso de instalaes existentes de pequeno porte, onde a funo de termoacumulao dos tanques importante, os mesmos no precisam ser eliminados, apenas retira-se a serpentina e aproveita-se o volume do tanque para acumular a gua gelada proveniente do trocador a placas.

2.3 Aplicaes de Chillers com Trocadores a Placas Indstria de BebidasA utilizao de um sistema de resfriamento indireto, com soluo de etanol (ou outro fluido secundrio) operando com um grande diferencial de temperatura, propiciou uma mudana no conceito da instalao de refrigerao nas indstrias de bebidas no alcolicas gaseificadas. O novo sistema consiste de vrios chillers com trocadores a placas que so colocados em srie no circuito de soluo de etanol. Assim, teremos os chillers operando nas seguintes condies:Tabela02 Condies de operao para sistema de resfriamento de etanol com chillers com trocadores a placas, em processo de resfriamento de bebidas gaseificadas [1]22 chillerNr. Temp. Entrada Etanol ( C) Temp. Sada Etanol ( C) Capacidade (kW) Potncia Absorvida (kW) Tev / Tcd ( C) COP (kW/kW) COP mdio (kW/kW) 01 16.0 12.1 944.7 134.5 +9.8/+36.5 7.02 02 12.1 8.6 841.1 132.5 +6.5/+35.7 6.26 6.00 03 8.6 5.5 756.6 130.7 +3.5/+35.1 5.79 04 5.5 0.0 605.2 128.0 -2.5/+35.1 4.73

Os chillers 01, 02 e 03 esto em srie e resfriam o etanol at 5.5 C. Parte da vazo do etanol ainda resfriada at 0.0 C no chiler 04. Verificamos na tabela 02 que o COP mdio dos chillers de 6.0 kW/kW. Com os sistemas convencionais operando no regime 5.0 C/+35.0 C, o COP fica na ordem de 4.3 kW/kW. Neste caso, mesmo utilizando sistema com resfriamento indireto, o COP do sistema de refrigerao cerca de 40% maior que o sistema convencional, uma vez que o sistema convencional opera em um nico regime, com temperatura de evaporao ajustada em -5.0 C. O COP total do sistema (incluindo bombas e ventiladores) ainda cerca de 32% mais elevado que o sistema tradicional. Alm disso, o sistema com chillers traz uma reduo da carga de amnia da ordem de 90% em relao ao sistema convencional.

A Figura 1 indica um fluxograma esquemtico de um sistema com chillers com trocadores a placas em srie, para um processo de resfriamento de bebidas gaseificadas.

chiller PHE Tev. = 9.8 C 16.0C

chiller PHE Tev. = 6.5 C

chiller PHE Tev. = 3.5 C

chiller PHE Reserva

chiller PHE Tev. = -2.5 C

12.1C

8.6C

5.5C

5.5C

0.0C Para o engarrafamento

5.5C 16.0C

Para o processo Do processo

BUFFER Do engarrafamento

16.0C

23

Figura1 Sistema de resfriamento de etanol com chillers com trocadores a placas em srie em processo de resfriamento de bebidas gaseificadas [1]

2.4 Aplicaes de Chillers com Trocadores a Placas Ar CondicionadoNas aplicaes de resfriamento de gua gelada para sistemas de ar condicionado, a Amnia ainda uma das melhores alternativas em termos de eficincia energtica. Comparando chillers com compressores centrfugos utilizando HFC-134a, com chillers com compressores parafusos com trocadores a placas utilizando Amnia, ambos de alta eficincia, a tabela 03 indica os resultados. Pode-se observar que apesar do COP (ou kW/TR termo mais utilizado para comparao de eficincia energtica em sistemas de ar condicionado) ser muito prximo na condio de 100% de carga, com ligeira vantagem para o sistema com Amnia (2%), o ndice mdio de eficincia energtica IPLV (Integrated Part Load Value), que considera condies de operao em carga parcial, indica uma vantagem de 15% para o sistema com Amnia.

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Tabela03 Comparao de chillers para aplicaes de ar condicionadochillercentrfugoStd Refrigerante Capacidade kW (TR) Temp. gua Gelada C Temp. gua Resfriamento C Potncia Aborvida COP (kW/kW) kW/TR IPLV (ARI 550/590) COP IPLV (ARI 550/590) kW/TR 346 6.10 0.576 8.33 0.422 R-134a 2110 (600) 12.2 / 6.7 29.5 / 35.0 339 6.22 0.565 9.58 0.367 chillercomPHEStd R-717

24

A tabela 03 trata de equipamentos de linha, sem a utilizao de inversores de freqncia nos motores eltricos dos compressores para o controle de capacidade. A tabela 04 mostra um comparativo de dois chillers para o mesmo nvel de capacidade, porm utilizando inversores de freqncia. Aqui vemos uma ligeira vantagem na condio de 100% para o sistema com amnia (5.5%) e o IPLV praticamente igual para os dois chillers, o que indica uma recuperao do desempenho dos chillers com compressores centrfugos com HFC-134a frente aos compressores parafusos com Amnia.Tabela04 Comparao de chillers com inversores de freqncia para aplicaes de ar condicionadochillercentrfugoVSD Refrigerante Capacidade kW (TR) Temp. gua Gelada C Temp. gua Resfriamento C Potncia Aborvida COP (kW/kW) kW/TR IPLV (ARI 550/590) COP IPLV (ARI 550/590) kW/TR 335 6.30 0.558 10.40 0.338 R-134a 2110 (600) 12.2 / 6.7 29.5 / 35.0 317 6.65 0.529 10.34 0.340 chillercomPHEVSD R-717

2.5 Reduzindo Ainda Mais a Carga de AmniaO contnuo desenvolvimento tecnolgico de componentes vem provocando uma reduo substancial da carga requerida de Amnia em sistemas compactos. A tabela 05 indica o resultado do desenvolvimento para os evaporadores de linha padro de chillers para um determinado fornecedor ao longo dos ltimos anos.Tabela05 Reduo de carga de Amnia em evaporadores de chillers ao longo dos anos. Chillers SABROE para gua gelada, com capacidade de 500 kW [2]Ano Modelo/TipodoEvaporador cargadeR-717(100%) cargadeR-717(20%)

EOSB 415004 1990 Inundado (Shell & Tube) 25 210 kg 210 kg

ESSM 5040B3 1994 Inundado (Shell & Tube) 120 kg 130 kg

EPHE 100 (M10) 1995 Inundado (PHE) 45 kg 50 kg

ESRA 70 2004 Inundado (Shell & Plate) 20 kg 23 kg

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Tabela06 Carga de Amnia em condensadores para sistemas com capacidade de resfriamento de 500 kW [2]Modelo/Tipodocondensador cargadeR-717(100%)

Evaporativo

66 kg

a AR

50 kg

a gua 26 COSB 412304 (Shell & Tube) 10 kg

a gua CPHE 100 (M10) (PHE) 5 kg

a AR (Micro-Channel)

3-5 kg

A tabela 06 indica os vrios tipos de condensadores utilizados em sistemas de Amnia, incluindo os mais recentes desenvolvimentos com cargas extremamente reduzidas. Litch e Hrnjak [3] apresentam ainda o resultado de um levantamento de dados para carga de Amnia em sistemas pequenos e mdios disponveis no mercado, para vrios tipos de chillers com condensao a ar e condensao a gua, conforme a tabela 07.

Tabela07 Carga de Amnia em sistemas pequenos e mdios disponveis no mercado, utilizando condensao a Ar e a gua [3][4]chillerTipo/Modelo Litch & Hrnjak (MC condenser) Refcomp VKA16-14 York YSLC F4F00UW N.R. Koeling LK 25 ILKA MAFA 100.2-11K45 Gram (York) LC Sabroe (York) PAC capacidade(kW) condensaoaAr 13 16 220 25 condensaoagua 108 38 228 57 1074 23 228 37 172 36 18 125 129 159 cargaEspecficadeR-717(g/kW)

2.6 Plantas IndustriaisQuando se fala em novas tecnologias no setor de refrigerao industrial, deve-se ter em mente que o centro dos principais desenvolvimentos ainda a Europa e os aspectos de segurana e impacto ambiental, seguidos pela eficincia energtica, so os principais elementos a serem considerados. Assim podemos citar algumas das tecnologias mais recentes j utilizadas em diversas aplicaes plantas industriais de refrigerao nos mercados da Europa, Asia e EUA e tambm do Brasil:

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2.6.1 Sistemas de Resfriamento IndiretoOs sistemas que utilizam fluidos secundrios j esto amplamente difundidos em vrias aplicaes, mas no setor de refrigerao industrial existem ainda muitas oportunidades. Como j mencionado, a carga de Amnia fica restrita a um chiller compacto de alta eficincia e o sistema de distribuio fica extremamente simplificado em circuitos hidrnicos otimizados, com bombas de vazo varivel (utilizando inversores de freqncia) e elementos de controle que garantem estabilidade operacional. Para muitas aplicaes j existem novos fluidos secundrios, tais como acetato de potssio e formato de potssio e ainda fluidos bi-fsicos, tais como o CO2 (Lquido-Vapor) e Ice Slurries (Slido-

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Lquido), com excelentes propriedades fsicas, propiciando altos coeficientes de transferncia de calor e menor perda de carga nas linhas do lado secundrio, incluindo menores potncias de bombas e menores dimetros de tubulao. Dessa forma, algumas aplicaes tiveram seu conceito alterado de modo a propiciar um sistema muito mais eficiente do que os sistemas tradicionais com expanso direta de amnia.

2.6.2 Unidades SatlitesPr-montadas em fbricas em containers e montadas dedicadas ao lado do equipamento que contm o evaporador (tneis de congelamento ou cmaras frigorficas de grande porte). A exemplo dos chillers, boa parte da montagem realizada em fbrica, com processos mais rigorosos e seguros. As unidades satlites propiciam uma reduo de carga de Amnia e reduo de perda de carga nas linhas, que so mais curtas.

28

Figura2 Unidade Satelite de Refrigerao (Cortesia: Mayekawa do Brasil Refrigerao Ltda)

2.6.3 Sistemas em Ciclo Cascata operando com CO2 (R-744)Sistemas em ciclos Cascata para aplicaes de baixas temperaturas (abaixo de -35 C), utilizando CO2 (R-744) no ciclo de baixa temperatura, operando em ciclo sub-crtico, e amnia (R-717) no circuito de alta, novamente restrita a um chiller. Nesta aplicao, a reduo do deslocamento volumtrico dos compressores do circuito de baixa temperatura (com R-744) de at 10 vezes comparada a um sistema tradicional com amnia. Alm disso, possvel um aumento de eficincia

de at 15% no circuito de baixa, ou uma diminuio sensvel do tempo de congelamento do produto (para tneis) com a diminuio da temperatura de trabalho, sem perda de eficincia energtica no ciclo. Neste sistema, as linhas so menores, os equipamentos so mais eficientes e o CO2 muito menos txico que os halogenados (TLV = 5000 ppm).+35 C

R717 R-717/R-744 Trocador Cascata -14 C -10 C

compressor R-717 Presso R-717

compressor R-744 -10 C Sep. Lquido CO2

+35 C (13,5 bar) -14 C (2,5 bar) Enthalpia

Presso Evaporador R-744 -40 C Sep. Lquido -10 C

R-744 -10 C (26,4 bar) -40 C (10 bar)

29

CO2

Enthalpia

-40 C Evaporador R-744

Figura3 Ciclo Cascata CO2 / Amnia, com CO2 Circulando no Regime Intermedirio como Fluido Secundrio [5]

2.6.4 Conjuntos de Vlvulas e Elementos de Controle:Uma contribuio em menor escala na reduo da carga de refrigerante, mas que reduz em muito o trabalho de montagem em campo e proporciona uma maior segurana operacional so os conjuntos de vlvulas e elementos de controle montados em um nico corpo, para aplicaes em cmaras frigorficas (incluindo injeo de lquido, retorno para a suco e injeo de gs quente para degelo).

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GPLX SVA To liquid SVA separator OFV

Danfoss M27H0017_1

From liquid separator

From discharge line

ICF 20-60-3

Evaporator

ICF 20-4-9

Figura4 Conjunto de Vlvulas montado em nico corpo (Cortesia: Danfoss A/S)

2.6.5 Degelo com Gs Quente30

Sistemas que utilizam degelo com gs quente podem limitar a presso de condensao em um patamar alto, provocando um maior consumo de energia. Para evitar isto e garantir que o restante do sistema possa operar com uma presso de condensao menor, utiliza-se um compressor recproco de pequena capacidade, onde a suco do mesmo conectada no topo do recipiente de lquido (fase vapor). Assim, este compressor supre toda carga para o degelo e, ainda que pequeno, tem uma capacidade relativamente elevada devido alta presso de suco. Outra alternativa seria uma unidade resfriadora de lquido (chiller), tambm utilizando um compressor recproco operando em alta presso de suco com controle por bia de alta na sada do gs quente condensado da serpentina, e finalmente um evaporador PHE brazado em nquel, o qual vai ter a funo de sub-resfriar a Amnia lquida do sistema principal e aumentar o COP mesmo no perodo do degelo. A vantagem deste conceito que, durante o degelo, a eficincia do sistema principal aumenta.Presso R-717+41 C (16.0 bar) +35 C (13.5 bar) -10 C (2.9 bar) -40 C (0.7 bar)

Enthalpia

Figura05 Diagrama Presso x Entalpia para sistemas com compressor para degelo com gs quente

2.7 LegislaoO setor de refrigerao industrial est atentando cada vez mais para a importncia e necessidade de se executar projetos seguros, com dispositivos de segurana adequados, de acordo com a legislao internacional sobre segurana em sistemas de refrigerao industrial. Infelizmente o Brasil ainda no possui uma legislao especfica sobre este tema, mas em breve estar sendo lanada uma norma pela ABNT, que est sendo densenvolvida por uma das comisses de estudos do CB-55 (CE-55:001.04 Refrigerao Industrial), e que com o apoio do setor e das agncias de proteo ao meio-ambiente, dever ter um impacto muito positivo na melhoria da qualidade das instalaes de refrigerao industrial, incluindo segurana, eficincia energtica e facilidade operacional. A seguir uma relao das normas e recomendaes internacionais mais utilizadas no mercado para projeto, instalao e operao, alm de requisitos para segurana, aplicveis aos sistemas de refrigerao. Vale observar que a maioria delas serve para todos os refrigerantes: .: ANSI/ASHRAE 15-2007 Safety Code for Mechanical Refrigeration. .: ANSI/IIAR 02-1999 Equipment, Design and Installation of Ammonia Mechanical Refrigeration Systems. .: EN 378:2007 Refrigerating systems and heat pumps Safety and environmental requirements: .: Part 1 Basic requirements, definitions, classification and selection criteria .: Part 2 Design, construction, testing, marking and documentation .: Part 3 Installation site and personal protection .: Part 4 Operation, maintenance, repair and recovery .: ISO 5149-2007 Refrigerating systems and heat pumps - Safety and environmental requirements: .: Part 1 Basic requirements, definitions, classification and selection criteria .: Part 2 Design, construction, testing, marking and documentation .: Part 3 Installation site and personal protection .: Part 4 Operation, maintenance, repair and recovery .: ASME/ANSI B31.5-2006 Refrigeration Piping and Heat Transfer Components.31

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3 ConclusoO objetivo deste artigo foi o de apresentar o estgio atual da tecnologia para sistemas de refrigerao por Amnia em aplicaes do setor de refrigerao industrial. Os principais avanos esto no desenvolvimento de sistemas cada vez mais compactos, eficientes e seguros, de modo a viabilizar a utilizao da Amnia em novas de aplicaes. A utilizao de chillers de alta eficincia energtica com trocadores a placas e outros tipos de trocadores ainda mais compactos e a alterao de alguns conceitos para aplicaes existentes no setor de refrigerao industrial, tem resultado em solues com redues de carga de Amnia superiores a 90% e um aumento de eficincia energtica maior que 20% quando comparado com sistemas convencionais. Nas plantas industriais, novas tecnologias tambm esto sendo implementadas, dentre as quais a introduo de sistemas de resfriamento indireto, utilizando chillers, sistemas cascata operando com CO2 e Amnia, unidades satlites e otimizao de componentes auxiliares, com foco especfico na segurana operacional e no ganho de eficincia energtica.32

A Amnia, por suas excelentes caractersticas operacionais e termodinmicas, continua sendo o principal fluido refrigerante utilizado no setor de refrigerao industrial, e por isso, se torna cada vez mais importante o contnuo aprimoramento do conhecimento sobre o uso seguro deste fluido. Finalmente no Brasil est sendo desenvolvida uma norma sobre segurana em instalaes de refrigerao (que envolve todos os fluidos refrigerantes) e que contribuir em muito para a utilizao vivel de sistemas com Amnia para vrias aplicaes.

4 Referncias bibliogrficasLiteratura:Cleto, L. T. conceitodeInstalaoFrigorficaVisandoaRacionalizaodoconsumodeEnergia II Workshop de Refrigerao Industrial, So Paulo, Brasil 1999 Stubkier, Bo. The optimum Ammonia System IR Consensus Danfoss A/S Snderborg Denmark 2004. Hrnjak P. S. chargeMinimizationInAmmoniaRefrigerationSystems IIR Conference: Ammonia Refrigerating Systems, Renewal and Improvement, Ohrid, Macedonia 2005.

Litch A. D. and Hrnjak P. S. condensationofAmmoniainMicrochannelHeatExchangers ACRC Report CR-22 1999. Nielsen, P.S & Lund, T. Introducing a New Ammonia/co2 cascade concept for Large Fishing Vessels, IIAR Annual Meeting Albuquerque, USA 2003. Wilcox M.H. State-of-the-Art Energy Efficiency in Refrigerated Warehouses IIAR Annual Meeting, Technical Papers pp. 327 Dallas, USA 1999.

Softwares:COMP1 Ver.18.01F computation and Balancing of components and Plants International Technical Computing York Denmark Ed. 2008. CoolPack Ver.1.46 Simulation Tools for Refrigeration Dept. of Mechanical Engineering Technical University of Denmark Ed. 2001.

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co2(R-744)emequipamentosde refrigeraocomercialcLUDIoMELo,PH.D. cHRISTIANJ.L.HERMES,DR.ENG. POLO Laboratrios de Pesquisa em Refrigerao e Termofsica Departamento de Engenharia Mecnica, Universidade Federal de Santa Catarina 88040-900, Florianpolis, SC, Brasil, Tel: 55 48 3234 5691, Fax: 55 48 3234 5166 e-mail: [email protected], [email protected]

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RESUMODe acordo com o ltimo relatrio publicado pelo Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC, 2007), a atividade industrial a principal responsvel pelo aquecimento do planeta Terra. Segundo as projees apresentadas no documento, a temperatura mdia pode aumentar de 1,5 a 4,0 C at o final do sculo, o que provocar uma elevao de aproximadamente 60 cm no nvel dos oceanos, alm de graves desequilbrios climticos. Nas ltimas dcadas, a indstria de refrigerao e ar condicionado tem sido pressionada pelas restries ao uso de fluidos refrigerantes sintticos amparadas pelos protocolos de Montreal e de Kyoto. Solues de longo prazo tm sido avaliadas, o que inclui o uso de refrigerantes naturais. Neste contexto, o dixido de carbono (CO2, R-744) ressurgiu como um candidato em potencial, j que uma substncia natural, estvel, atxica, no inflamvel, e com GWP relativamente baixo (Kim et al., 2004). No entanto, sua aplicao em sistemas comerciais de refrigerao tem sido restringida por um baixo desempenho energtico, que pode elevar a emisso indireta de CO2 atravs do aumento do consumo de combustveis fsseis. Neste contexto, este artigo se prope a analisar criticamente o uso de CO2 como fluido refrigerante para sistemas de refrigerao comercial, discutindo os principais avanos tecnolgicos e as limitaes prticas essa aplicao. Palavras-chaves:refrigerantes naturais, dixido de carbono, refrigerao, refrigeradores comerciais

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1 IntroduoO dixido de carbono foi introduzido como fluido refrigerante pelo norte-americano Thaddeus Lowe em 1866, 32 anos depois de Jacob Perkins ter proposto o prncipio de refrigerao por compresso mecnica de vapores. O primeiro compressor para CO2 foi inventado pelo alemo Franz Windhausen em 1886, enquanto a produo em srie de sistemas de refrigerao que empregavam CO2 como fluido refrigerante foi iniciada em 1897, 33 anos depois da introduo do CO2 como fluido refrigerante, graas Kroeschell Bros., de Chicago. A partir desta data, os sistemas de refrigerao com CO2 tiveram uma aceitao cada vez maior no mercado, estimulando os engenheiros a aperfeioarem a tecnologia existente. Como consequncia, J. & E. Hall propuseram, em 1890, um ciclo com dois estgios de compresso a fim de melhorar a eficincia do ciclo de refrigerao com CO2 e, em 1905, G. Voorhees introduziu um ciclo com um separador de lquido no estgio intermedirio. No incio do sculo XX, os refrigerantes mais comuns no mercado eram a amnia (NH3), o dixido de enxofre (SO2) e o dixido de carbono (CO2), sendo os dois primeiros extremamente txicos. Dessa poca, existem registros de mortes de famlias inteiras devidas vazamentos de refrigerante, situao que levou ao desenvolvimento de refrigerantes atxicos. Em 1930, um grupo de pesquisadores liderado por Thomas Migley identificou a famlia dos clorofluorcarbonos (CFCs), que tiveram uma ampla aceitao no mercado, particularmente nos setores domstico e comercial, uma vez que so fluidos extremamente estveis, no txicos e no inflamveis, e suas presses de trabalho so significativamente menores que as observadas para o CO2. A partir dessa data, a indstria de refrigerao entrou em franco desenvolvimento. Materiais no-ferrosos puderam ser utilizados, as vlvulas de expanso foram substitudas por tubos capilares e o compressor hermtico tornou-se o padro. Como resultado, os sistemas baseados em CO2 caram gradativamente em desuso at a dcada de 1950, quando este refrigerante foi retirado do mercado. Em 1974, contudo, Sherwood Rowland e Mario Molina, da Universidade da Califrnia, publicaram um artigo alertando que a emisso de compostos a base de cloro, particularmente os clorofluorcarbonos (CFCs) e hidroclorofluorcarbonos (HCFCs), poderia contribuir para a degradao da camada de oznio na estratosfera, responsvel pela absoro da maior parte da radiao ultravioleta proveniente do Sol. Em 1987, foi estabelecido um protocolo internacional, denominado Protocolo de Montreal, com o intuito de definir metas para a eliminao completa dos CFCs, o que ocorreu em 1996 nos pases desenvolvidos e ocorrer em at 2010 nos pases em desenvolvimento. A partir do Protocolo de Montreal, a maioria dos produtos no mercado foi convertida para R-134a, um refrigerante da famlia dos hidro-flor-carbonos, com nenhum efeito sobre a camada de oznio. O problema ambiental parecia ter sido resolvido.

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No entanto, percebeu-se recentemente que a soluo adotada contribui significativamente para o agravamento do efeito estufa, responsvel pelo aumento da temperatura mdia global e de todos os fenmenos dela decorrentes, como, por exemplo, o derretimento das geleiras (IPCC, 2007). Em 1997, estabeleceu-se ento outro protocolo internacional, denominado Protocolo de Kyoto, com o objetivo de promover uma reduo gradual da emisso de gases que contribuem para o efeito estufa, entre eles os HFCs. Desde ento, fluidos refrigerantes naturais, tais como os hidrocarbonetos (HCs), a amnia (NH3) e o dixido de carbono (CO2) tm sido considerados como alternativas para a substituio de fluidos refrigerantes sintticos, como os CFCs e os HFCs. Esses refrigerantes possuem ndices de ODP (Potencial de Depleo de Oznio) e de GWP (Potencial de Aquecimento Global) muito inferiores aos fluidos sintticos: enquanto o CO2 tem GWP igual a 1, o R-12 tem GWP igual a 8100 e o R-134a igual a 1300. Isto significa que, em termos de efeito estufa, a emisso de 1 g de CFC-12 equivale emisso de 8100 g de CO2 em 100 anos. O desafio, no entanto, est em desenvolver sistemas a base de CO2 que tenham eficincias energticas similares ao R-134a, uma vez que a contribuio indireta ao efeito estufa, oriunda da queima de combustveis fsseis, deve ser levada em conta.37

2 Refrigerante R-744Embora, na atualidade, o CO2 no seja empregado em escala industrial, ele tem sido motivo de diversas pesquisas recentes deflagradas pelo trabalho pioneiro de Lorentzen e Pettersen (1992), que construram um prottipo de um sistema de climatizao automotivo que fazia uso do CO2, mostrando que seu desempenho termodinmico poderia ser comparvel ao de um sistema que empregava R-12. Como conseqncia, a pesquisa na rea passou a crescer vigorosamente, como mostra a Fig. 1.percentualrelativoaostrabalhosemco2 120 100 nmerodepapers 80 60 Total co2 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% Oslo 1998 Purdue 2000 Guangzhou 2002 Glasgow 2004 Norway 2006 0%

68%

46%40 20 0

47%

46%

26% 7%Hannover 1994

8%Arhus 1996

Figura1 Nmero de publicaes sobre CO2 na Gustav-Lorentzen Conference on Natural Working Fluids

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Uma vez que a temperatura ambiente de um dia tpico de vero facilmente excede 31,1 C a temperatura crtica do CO2 a rejeio de calor para o ambiente nos ciclos de refrigerao a base de CO2 ocorre acima do ponto crtico (Fig. 2). Diferentemente dos ciclos de refrigerao tradicionais (subcrticos), em que h condensao e a presso definida pela temperatura de saturao (Fig. 3a), no caso do CO2, o ciclo de refrigerao transcrtico (Fig. 3b), e a presso de alta estabelecida principalmente pela massa de refrigerante, uma vez que o efeito da temperatura pouco significativo. Isso leva existncia de uma presso tima de operao que maximiza o coeficiente de performance do ciclo, definido como a relao entre a capacidade de refrigerao e a potncia consumida.120 100 80 p, bar 60 40 fluido supercrtico slido lquido ponto crtico

38

20 0 -80 -60

ponto triplo

vapor

-40

-20

0 t, C

20

40

60

80

Figura2 Diagrama de fase do CO2

3a p 3 t=t3 2 p 3 t=t3

2a 2

nts

4

1 h

Consta

4a

4

1 h

Figura3 Ciclos de refrigerao: (a) tradicional (subcrtico); (b) CO2 (transcrtico) (Gosney, 1982)

Conforme salientado por Kim et al. (2004), as propriedades termodinmicas e termofsicas do CO2 variam intensamente da regio subcrtica para a transcrtica, afetando principalmente a transferncia de calor no arrefecedor de gs (gas cooler) e o processo de expanso. A Fig. 4 mostra

Consta

nts

as variaes do calor especfico (4a) e da densidade (4b) em funo da temperatura e da presso, calculadas com base na equao de estado proposta por Span e Wagner (1996). Na Fig. 5a, observase que o calor especfico do CO2 passa por um ponto de mximo na regio prxima do ponto crtico, enquanto a Fig. 4b ilustra a reduo abrupta da densidade do fluido a partir da temperatura do ponto crtico. Tais caractersticas, associadas ao fato dos equipamentos de refrigerao a base de CO2 trabalharem com presses internas de 5 a 10 vezes maiores do que um equipamento convencional, deixam evidente a necessidade de cuidados especiais ao se projetar os componentes do sistema de refrigerao com CO2 (compressor, condensador, evaporador e dispositivo de expanso).14 12 p[kg/m3] 10 cp[kJ/kgK] 8 6 4 2 0 -40 20 20bar 0 20 40bar 40 T[c] 60 80 100 100bar 120bar 80bar 1200 1000 800 600 400 200 0 -40 20bar (Tsat= -20 C) -20 0 20 40 T[c] 60 80 100 80bar 100bar 120bar Ponto Crtico 31 [email protected],6bar

39

Figura4 Variao do calor especfico (a) e da densidade (b) do CO2 com a temperatura

3 CO2 versus R-134aA utilizao de CO2 em sistemas comerciais de refrigerao, do tipo resfriadores de bebida e com capacidade de refrigerao na faixa de 0,5 a 2 kW, tem se revelado uma alternativa promissora. Um dos primeiros trabalhos publicados na rea (Veje e Sss, 2004), comparava o desempenho de dois sistemas de refrigerao, uma vending machine e um double door cooler, adaptados para uso com CO2, com o desempenho desses mesmos sistemas na condio original. Os sistemas original e modificado foram testados na condio C (temperatura ambiente de 32 C e umidade relativa de 65%). Eles observaram uma reduo de 37% e de 18% no consumo de energia com a introduo de CO2, respectivamente para a vending machine e para o cooler. Esse trabalho vende uma falsa imagem da aplicao de CO2 em sistemas comerciais de refrigerao, pois muito sutilmente no informa ao leitor que modificaes substanciais foram introduzidas no sistema de CO2, como a introduo de gas cooler e trocador de calor de calor intermedirio de micro-canais, uma

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vlvula de expanso para controle da presso de alta e um acumulador de lquido. Alm disso nenhuma referncia feita ao compressor de R-134a, usado como baseline. Mais recentemente De Angelis e Hrnjak (2005), compararam o desempenho de um sistema tpico de refrigerao comercial de 1kW de capacidade, usando R-134a, com o desempenho de sistemas alternativos usando CO2. Para tanto foram construdos aparatos experimentais do tipo breadboard, usando diversas associaes de componentes. Testes foram realiados em 7 condies de operao diferentes. Eles mostraram que o sistema referenciado como BC3, o mais otimizado, apresentava coeficientes de performance superiores em at 95% ao sistema original. Eles mostraram tambm que essa diferena caia para 28% quando a comparao era feita entre os sistemas BC2 e BC3, ambos com CO2. Eles concluram, portanto, que uma comparao entre os dois refrigerantes s seria inteiramente vlida, caso os dois sistemas utilizassem o mesmo tipo de tecnologia em todos os componentes do ciclo. Em resumo, os trabalhos realizados compararam sistemas e no os refrigerantes prpriamente ditos. Sabe-se que o CO2 termodinmicamente inferior ao R-134a. Sabe-se tambm que os compressores de CO2 possuem eficincias isentrpicas iguais ou superiores a dos compressores de R-134a. Em ltima anlise, dependendo do sistema e do compressor utilizado, a balana pode pender para um lado ou para o outro.

40

4 Avanos recentesPara que sistemas de refrigerao a base de CO2 se tornem viveis tanto tcnica como economicamente para aplicaes de baixa capacidade, deve-se buscar solues que tenham custo e eficincia compatveis aos refrigeradores existentes, alm de uma concepo simples, aplicvel todos os mercados consumidores. A melhor estratgia consiste no desenvolvimento de produtos no mbito de parcerias entre o setor produtivo e os centros de pesquisa, j que a necessidade de respostas durante o desenvolvimento de produtos fomenta a pesquisa, enquanto esta auxilia na tomada de deciso durante o desenvolvimento do produto. A fim de dar suporte ao desenvolvimento de sistemas de refrigerao a base de CO2, particularmente de cassetes comerciais, atividades de pesquisa tm sido realizadas no POLO Laboratrios de Pesquisa em Refrigerao e Termofsica da Universidade Federal de Santa Catarina para melhor compreender os fenmenos relativos utilizao do CO2 em sistemas de refrigerao, particularmente do escoamento transcrtico em tubos capilares e de alternativas para o controle da presso na descarga do compressor.

Embora seja cada vez maior a tendncia de utilizao de tubos capilares em sistemas comercias de refrigerao que operam com CO2, muito pouco tem sido estudado a respeito. Numa primeira iniciativa para preencher essa lacuna, uma bancada experimental capaz de operar com CO2 foi especialmente projetada e construda, como ilustra a Fig. 5.

TT

P

Test Section Flow Direction

T

PT

V V+

T

T

Flow DirectionT T

T T T

T Temperature P Pressure V Mass Flow

41

Figura5 Esquema da bancada experimental para ensaios de tubos capilares operando com CO2

Ensaios experimentais foram planejados estatisticamente, de acordo com uma tcnica de experimentao fatorial, tanto com o objetivo de extrair o mximo de informaes dos experimentos como de gerar uma correlao emprica para a vazo mssica em funo das variveis geomtricas (dimetro e comprimento) e de operao (presso e temperatura na entrada). Um modelo computacional para simular o escoamento de R-744 em tubos capilares adiabticos foi tambm desenvolvido. As equaes de conservao da massa, da energia e da quantidade de movimento foram resolvidas analiticamente ao longo de uma linha isentlpica, o que permitiu a utilizao de uma equao algbrica para computar o fluxo de massa de refrigerante. O modelo foi validado contra 36 pontos experimentais obtidos para a expanso de CO2 em diferentes condies geomtricas e de operao. Observou-se que o modelo capaz de prever mais de 90% dos dados experimentais com erros na faixa de 10%. O modelo auxilia no dimensionamento de tubos capilares permitindo que o sistema de refrigerao com CO2 seja ajustado adequadamente. Uma vez que para cada condio de operao, existe uma presso de descarga tima que maximiza o COP do sistema, uma outra importante linha de pesquisa consiste em avaliar alternativas

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T

para o controle da presso do lado de alta e para o processo de expanso do fluido refrigerante no circuito. Para tanto, uma bancada experimental foi especialmente projetada e construda para esse fim, como ilustra a Fig. 6. Com isso, arranjos diferenciados de ciclo, com adio de novos componentes para permitir o controle da presso de alta e uma alimentao adequada do evaporador, podem ser estudados. Como atividade adicional, modelos computacionais tem sido desenvolvidos para simular o comportamento de sistemas de refrigerao, diminuindo a necessidade de trabalhos experimentais.T T PiHEX

P T

T

T

Oil metering

T V TE V A P o R A T o R

T TG A S c o o L E R

V

0.000g

42M

T

5 C T P

Expansion device section test

T

M

T

32 C

P

T

V

Figura6 Esquema da bancada experimental para estudar estratgias de controle para ciclos a base de CO2

Alm das atividades de pesquisa mencionadas, produtos tm sido desenvolvidos no POLO/ UFSC em parceria com a Empresa Brasileira de Compressores S.A. Como exemplo pode-se citar o desenvolvimento de cassetes para aplicao em vending machines e em beverage coolers (Fig. 7), de acordo com as normas Coca-Cola, que estabelecem critrios de desempenho para os cassetes com relao a curva de vazo do lado do ar (evaporador e ventilador), a capacidade de refrigerao e o coeficiente de performance para ambientes em condies distintas de temperatura e umidade relativa. Outro exemplo consiste no desenvolvimento de um freezer horizontal de 350 litros para conservao de sorvetes. Originalmente projetado para operar com a mistura R-404A, tal sistema foi convertido para CO2 atravs de uma estratgia drop-in, na qual os trocadores de calor originais foram mantidos, enquanto o compressor e o tubo capilar foram substitudos. Como mostra a Fig. 8, a carga de R-744 foi ajustada juntamente com o tubo capilar de modo a minimizar o consumo de energia do produto.

Figura7 Sistema de refrigerao do tipo cassete desenvolvido no POLO

150

TotalEnergyconsumption[kWh/month]

145 140 135 130 125 120 115 110 105 100 160 180 200 220

Capillary 0,6mm x 2,0m Capillary 0,6mm x 3,0m Capillary 0,6mm x 3,5m Capillary 0,6mm x 4,0m

2,0m 3,0m 3,5m 3,5m

43

240

260

280

Refrigerantcharge[g]

Figura8 Ajuste da carga e do capilar para um freezer horizontal

5 Consideraes finaisA aplicao de CO2 em sistemas de refrigerao de pequena e mdia capacidade tem sido limitada por uma srie de paradigmas originados da publicao de Lorentzen e Petersen (1992). Kim et al. (2004), por exemplo, sugerem que os trocadores de calor, particularmente o arrefecedor de gs, devem possuir uma construo extremamente robusta para se adequarem s altas presses de trabalho do CO2, e que sistemas sofisticados de controle e de expanso devem ser desenvolvidos.

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No entanto, para que sistemas de refrigerao com CO2 para aplicaes de baixa capacidade se tornem viveis tanto tcnica como economicamente, deve-se buscar uma soluo que tenha custo e eficincia compatveis s existentes, alm de uma concepo simples, aplicvel todos os mercados consumidores. Para tanto, fundamental que as atividades de desenvolvimento de produto sejam acompanhadas por um conjunto de atividades de pesquisa, com foco em cada um dos componentes do ciclo. Neste contexto, as pesquisas realizadas no POLO/UFSC tm mostrado que possvel desenvolver sistemas comerciais a base de CO2 com performance igual ou superior a dos produtos existentes no mercado. Tambm possvel desenvolver sistemas comerciais a base de CO2 de acordo com uma estratgia drop-in, bastando para tanto o ajuste do tubo capilar e da carga de refrigerante.

6 Agradecimentos44

Os autores agradecem Empresa Brasileira de Compressores S.A. e s agncias brasileiras de fomento CAPES, CNPq e FINEP pelo apoio financeiro.

7 Referncias bibliogrficasDe Angelis, J, Hrnjack, P, 2005, DevelopmentoftranscriticalR744systemsforsmallcommercial applications, Proceedings of the IIR Vicenza Conference, pp. 167-178. Gosney WC, 1982, Principlesofrefrigeration, Cambridge University Press, Cambridge, UK IPCC, 2007, climatechange2007: The Physical Science Basis, Intergovernmental Panel on Climate Change, Paris, France Kim MH, Pettersen J, Bullard CW, 2004, Fundamentalprocessandsystemdesignissuesinco2 vaporcompressionsystems, Progress in Energy and Combustion Science, 30, pp.119-174 Lorentzen G, Pettersen J, 1992, New possibilites for non-cFc refrigeration, IIR International Symposium on Refrigeration, Energy and Environment, Trondheim, Norway, pp.147-163 Span R, Wagner W, 1996, Anewequationofstateforcarbondioxidecoveringthefluidregion fromthetriple-pointtemperatureto1100Katpressuresupto800MPa, J. Phys. Chem, 25, 6 Veje, C., Sss, J., 2004, Thetranscriticalcycleinlightcommercialrefrigerationapplications, Danfoss report.

Novassoluesparafluidos secundriosemrefrigeraoFRANKcHAVIANoPRUZAESKY EPIFANIoMAMANITIcoNA SERGIoLEALBRAGA JoSALBERToR.PARISE Departamento de Engenharia Mecnica Pontifcia Universidade Catlica do Rio de Janeiro 22453-900 Rio de Janeiro RJ E-mail: [email protected] Tel: (21) 3527-1380 45

RESUMOO presente trabalho apresenta as perspectivas de utilizao de novos fluidos secundrios (i.e., pasta de gelo e nanofluidos) em sistemas de refrigerao, com uma potencial diminuio do impacto ambiental e maior eficincia energtica. Sistemas de gerao de pasta de gelo (ice slurry), ao mesmo tempo em que propiciam melhor aproveitamento energtico para a produo de frio, contribuem reduzir significativamente os custos de capital inicial e operao, quando comparados com tecnologias de sistemas de termoacumulao. No caso dos nanofluidos, h um grande potencial para um desempenho trmico superior aos fluidos secundrios convencionais, muito embora ainda haja uma grande lacuna de informao e conhecimento quanto s aplicaes que podem usufruir do desenvolvimento desta nova tecnologia. A aplicao de fluidos secundrios de alto desempenho em sistemas de refrigerao poderia vir a se refletir: 1) em maior eficincia energtica e; 2) na diminuio da rea necessria de transferncia de calor e, conseqentemente, do porte total do equipamento, o que resulta na diminuio da carga volumtrica dos respectivos fluidos de trabalho e de seu correspondente impacto ambiental. Destaca-se, finalmente, a crescente importncia assumida pela nanotecnologia, com possibilidades de aplicao em amplos setores da indstria. Ambas (a nanotecnologia e a indstria de refrigerao) so reas estratgicas para o pas. A primeira, pelas inmeras possibilidades de aplicao futura e a segunda, por envolver problemas candentes que incluem, entre outros, a conservao de alimentos.

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1 IntroduoEm virtude dos acordos que regulam o uso das substncias que destroem a camada de oznio e que contribuem para o aquecimento global, a indstria de refrigerao voltou sua ateno a fluidos refrigerantes que vinham sendo usados antes da era dos CFCs e que nunca foram abandonados completamente. Alguns destes refrigerantes alternativos so conhecidos como refrigerantes naturais, porque so parte do ambiente natural ou porque, no longo prazo, no prejudicam o meio ambiente em caso de vazamento para a atmosfera. Estes refrigerantes incluem, principalmente, o ar, a gua, o dixido de carbono, os hidrocarbonetos e a amnia (Bedecarrats et al., 2003; Egolf e Kauffeld, 2005 e Meewisse, 2004).Condensador Ciclo Primrio de Refrigerao

RefrigeraoIndiretaCiclo Secundrio de Refrigerao

Compressor

Trocador de Calor

Bomba

Carga trmica de refrigerao

46

Condensador

RefrigeraoDiretaCiclo de Refrigerao

Compressor

Carga trmica de refrigerao

Figura1 Refrigerao com fluido secundrio em comparao com refrigerao direta

Alguns destes refrigerantes alternativos apresentam algumas desvantagens, em funo de sua segurana e de perigos de sade imediatos. O propano, por exemplo, inflamvel e a amnia, igualmente inflamvel e tambm txica. Os riscos associados refrigerao com o uso de amnia ou propano so contornveis, mas as medidas de segurana requeridas podem exigir investimentos custosos (Meewisse, 2004). Um caminho para reduzir os perigos da flamabilidade diminuir a carga total de refrigerante, a partir da utilizao de um sistema de refrigerao. Num sistema como este, o frio gerado em um ciclo de refrigerao primrio, sendo eventualmente armazenado, e, ento, transferido a um ciclo de refrigerao secundrio atravs de um trocador de calor intermedirio. Neste ciclo de refrigerao secundrio, um fluido trmico a baixa temperatura, portador de frio, no-txico, no-inflamvel , ento, utilizado para distribuir a potncia de refrigerao para as posies requeridas. Um diagrama bsico de um sistema que opera com um ciclo secundrio apresentado na Fig. 1. Os sistemas convencionais de refrigerao direta, isto , sem circuito de fluido secundrio, so normalmente de baixo custo e tecnicamente confiveis. Sem a necessidade de um trocador de

calor indireto, podem operar com temperaturas de evaporao mais favorveis. Entretanto, utilizam o mesmo fluido refrigerante tanto para a produo quanto para o transporte de frio de uma unidade central de refrigerao aos usurios finais (Fig. 1). Como resultado, estes sistemas contm grandes quantidades de fluido refrigerante e, no caso de vazamento permanente ou acidental, podem levar a perdas elevada, com danos maiores para o meio ambiente. Alm do mais, cargas elevadas e vazamentos de refrigerante elevam os custos de operao (Egolf, 2004). Um sistema com ciclo de refrigerao secundrio permitiria reduzir, portanto, a quantidade de fluido refrigerante no ciclo primrio.

Bomba Tanque de Armazenamento

Trocador de Calor

Compressor

cicloPrimrio deRefrigeraoCondensador

Evaporador

cicloSecundrio deRefrigeraoBomba

Carga Trmica

47

Figura2 Refrigerao com fluido secundrio com armazenamento de energia trmica

A utilizao de um ciclo de refrigerante secundrio tambm aumenta a flexibilidade de um sistema de refrigerao. Por exemplo, se o frio for armazenado em um tanque (Fig. 2), durante o ciclo de resfriamento, as demandas de energia eltrica podem ser deslocadas para os horrios de baixo custo da energia eltrica ou de melhor rendimento do sistema de refrigerao. Mesmo que no haja nenhuma estrutura de tarifa dupla ou diferenciada de eletricidade, ainda assim benefcios energticos podem ser obtidos, em virtude da eficincia do ciclo de refrigerao primrio ser maior durante o perodo noturno (temperatura de condensao mais baixa). Tambm as cargas de pico podem ser reduzidas nivelando-se a demanda de frio por um perodo mais longo do dia, de modo que a capacidade do sistema de refrigerao primrio possa ser menor.

1.1 VantagensA utilizao de sistemas de refrigerao indireta (com uso de refrigerante secundrio) resulta em vantagens significativas. Um dos primeiros impactos desta escolha a considervel reduo da

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carga de refrigerante, que pode chegar at 40% da carga de refrigerante, segundo Kazachki e Hinde (2006), ou at 85% da carga do sistema convencional (Palm, 2007), conduzindo instalao de sistemas de refrigerao muito mais compactos e com um menor potencial de impacto ambiental. Outro ganho gerado desta prtica o confinamento do refrigerante primrio casa de mquinas o que simplifica o circuito do refrigerante, obtendo-se um funcionamento (e, conseqentemente, uma temperatura de resfriamento) mais estvel e seguro.

1.2 DesvantagensAo custo adicional referente instalao de uma bomba de circulao e de um trocador de calor intermedirio soma-se a operao do sistema com uma maior diferena de temperatura, o que equivale a um maior consumo de energia. Outra desvantagem encontrada na dificuldade de se compatibilizar as caractersticas e limites operacionais dos refrigerantes secundrios com as necessidades da instalao.48

Fluidos convencionais como gua, etileno glicol e leo, amplamente utilizados em diferentes ramos da indstria como fluidos secundrios, apresentam deficincias entre as quais encontram-se a elevada temperatura de congelamento e baixa temperatura de evaporao, no caso da gua, e a baixa condutividade trmica e elevada viscosidade, no caso dos leos e do etileno glicol. Fluidos sintticos, tambm conhecidos como fluidos trmicos, no tm conseguido apresentar desempenhos melhores no que diz respeito transferncia de calor, somente ampliando, moderadamente, os limites de aplicabilidade, em termos de suas temperaturas de evaporao e de congelamento.

1.3 Demandas para o fluido secundrioPartindo do constatado nos itens anteriores, espera-se do fluido secundrio: a) baixa viscosidade, o que redunda em uma baixa perda de presso e, conseqentemente, uma baixa potncia de bombeamento; b) boa performance na transferncia de calor, o que implica em um elevado calor especfico e boa condutividade trmica; c) ausncia de problemas de corroso e, pelo contrrio, espera-se que o fluido a iniba; d) compatibilidade com os materiais habitualmente utilizados; e) adequao regulamentao de segurana e sade, sendo seguros para alimentos, no txicos, seguros manipulao, apresentando baixo, ou nenhum, impacto ambiental; f) no inflamvel; g) mecnica e quimicamente estvel, enquanto separao e degradao; e h) disponibilidade a preos razoveis.

1.4 Tipos de fluidos secundriosEntre os fluidos secundrios de mais ampla utilizao encontram-se a gua, etileno e propileno glicis, lcoois etlico e metlico, glicerina, amnia, e solues de carbonato de potssio, CaCl2, MgCl2 e NaCl.

1.5 Propriedades termofsicas relevantesAs propriedades termofsicas que determinam a escolha de um ou outro refrigerante secundrio so: a) a temperatura do ponto de solidificao, que limita a aplicao em refrigerao; b) a temperatura de ebulio, que limita a aplicao em arrefecimento; c) a tenso superficial, a massa especfica e a viscosidade dinmica, as quais determinam a queda de presso e, por conseguinte, a potncia de bombeamento; d) o calor especfico e a condutividade trmica, os quais garantem o desempenho na troca de calor; e e) o coeficiente de expanso trmica.(a)0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 EG -45 -50 KAc NH3 CaCl2 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Glyc NaCl PG thylne-glycol Propylne-glycol thanol Mthanol Glycrol MgCl2 K2CO3 Ammoniac Carbonate potassium Chlorure de magns. Chlorure de sodium Actate de potassium C

Freezing Point Temperatura Aqueous solutions

49

% by weight/en Masse Chart/graph. C13

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(b)mm2/s 20PG EA Glyc

Kinematic Viscosity Aqueous solutions t. freeze = 15 C

10 8 6 4

EG MA MgCl2 KAc K2CO3 CaCl2 NaCl

thylne-glycol Propylne-glycol thanol Mthanol Glycrol Ammoniac

2

Carbonate potassium H 2O Chlorure de magns. Chlorure de sodium

1

Actate de potassium