Seminário de Difusão sobre Uso de Refrigerantes

SEMINSEMINÁÁRIO DE FLUIDOS ALTERNATIVOS RIO DE FLUIDOS ALTERNATIVOS AOS CFCAOS CFC‘‘S NO SETOR DE REFRIGERAS NO SETOR DE REFRIGERAÇÇÃOÃO

Organizado pelo MMA Organizado pelo MMA ––

MinistMinistéério do Meio Ambiente, em parceria com a ANPRAC rio do Meio Ambiente, em parceria com a ANPRAC –– AssociaAssociaçção Nacional dos Profissionais de Refrigeraão Nacional dos Profissionais de Refrigeraçção, Ar Condicionado, Ventilaão, Ar Condicionado, Ventilaçção e ão e

Aquecimento, com o Instituto MauAquecimento, com o Instituto Mauáá

de Tecnologia, e apoio da Revista Climatizade Tecnologia, e apoio da Revista Climatizaçção & ão & RefrigeraRefrigeraççãoão

20 e 21 de Novembro de 200720 e 21 de Novembro de 2007São Paulo, BrasilSão Paulo, Brasil

CO2_Utilizado como Refrigerante – 2

Eng. Alessandro Eng. Alessandro da da [email protected]@bitzer.com.brTel. (0055) 11 4617 Tel. (0055) 11 4617 ––

91389138

www.bitzer.com.brwww.bitzer.com.br

APLICAÇÕES DO CO2 NO SETOR DE REFRIGERAÇÃO COMERCIAL

PARA SUPERMERCADOS


Principais característicasPropriedades Possíveis Aplicações:

- Aplicação Sub-crítica (Sistemas em Cascata em LT)- Aplicação Trans-crítica

Característica construtivas dos compressores e seus lubrificantesMontagem em Paralelo – Racks

- Sistema de equalização de óleoComparativos de performance com outros refrigerantes (R22, R404A, etc.)

Programação


Dióxido de Carbono (CO2

) Principais características

Pro‘s

Longa tradição na refrigeraçãoBaixo potencial de aquecimento global (GWP =1)Quimicamente inativo, não inflamávelNão tóxico (de acordo com normas ASHRAE 34-92 e EN 378, anexo E)Capacidade volumétrica de refrigeração elevada

- Sub-crítica: de 6 a 8 vezes maior do que o R22, R404A ou NH3- Trans-crítica: de 4 a 5 vezes maior do que o R22, R404A

Baixo fluxo mássico de refrigerante....e está na cerveja...então deve ser bom!

O refrigerante ideal???


Con‘s

Temperatura crítica é 31ºC- Necessita operação trans-crítica para simples estágio e aplicações

combinadas de 2-estágios (HP até 150 bar)- Propriedades termodinâmicas desfavoráveis para sistemas com

elevadas pressões de descargasTemperatura de evaporação limitada (Ponto triplo = -56,6ºC)Pressão de descarga extremamente elevada (levar em consideração os aspectos de segurança & normas, e o projeto dos componentes)CO2 é “inodoro” – para ambientes fechados é necessário aplicar sistema de detecção de vazamento e adotar medidas especiais de segurança


) Principais características


O dióxido de carbono pode ser produzido através da queima completa de matéria orgânica. Neste processo, os gases da combustão contêm, além do CO2, vapor d'água, oxigênio, nitrogênio, monóxido de carbono e compostos de enxofre, que podem estar contidos na matéria prima. O CO2 separado destes outros gases, purificado, comprimido e liquefeito para sua comercialização. No entanto, a forma mais econômica de se obter o CO2 é recuperá-lo através de uma grande variedade de processos onde ele é sub-produto. Acondicionado liquefeito em cilindros à pressão de vapor de 58,3 kgf/cm2 mantido a 21oC. De acordo com alguns *fabricantes, os cilindros são disponíveis 25 e 45 Kg

* White Martins


) Propriedades (1)


Pres

são

Entalpia

SólidoLíquido

Vapor

Triple Point

Ponto Crítico

Pres

são

(bar

)

Temperatura (°C)

5

31,1

73,8

-56,6

1

-87,9

Comportamento Pressão/Temperatura Diagrama Pressão/Entalpia

operaçãotranscrítica


) Propriedades (2)


A norma ASHRAE 34 –92 classifica o CO2 como refrigerante A1 não tóxico e não inflamável mas, diferente da amônia, o CO2 não apresenta nenhum odor característico. O dióxido de carbono substitui o ar, causando a falta de oxigênio. Na presença de oxigênio em quantidade suficiente, o CO2 , em maiores concentrações, tem um efeito narcótico. Em quantidades menores, o CO2 exerce um efeito estimulador sobre o aparelho respiratório do ser humano. Em função das características ácidas do CO2 , uma certa irritação local poderá aparecer, particularmente na membrana mucosa do nariz, na garganta e nos olhos, podendo também provocar tosse.


) Aspectos de Segurança


Os sintomas associados a inalação de ar contendo dióxido de carbono são, sob concentrações crescentes de dióxido de carbono:

0.04% Concentração no ar atmosférico2% 50% de aumento da freqüência de respiração3% limite de 10 minutos para exposição por curto tempo; 100% de aumento da

freqüência de respiração5% 300% de aumento da freqüência de respiração, dor de cabeça e transpiração podem

começar após cerca de uma hora (É tolerado pela maioria das pessoas, porém representa uma carga física)

8% Limite de exposição por curto tempo8–10% Dor de cabeça após 10 ou 15 minutos. Tontura, zumbido no ouvido, aumento da

pressão sangüínea, taxa de batimentos cardíacos elevada, excitação e náusea10-18% Após poucos minutos, convulsões semelhantes a ataques epilépticos, perda de

consciência e choque (por exemplo: uma queda abrupta da pressão sangüínea). A vítima se recupera rapidamente ao ar fresco.

18-20% Sintomas semelhantes aqueles de um derrame.

OBS.: Os dados são válidos para adultos em bom estado de saúde


) Aspectos Fisiológicos


O ponto crítico – O que é?O ponto de congelamento – O que é?O ponto triplo (ou linha-ponto-triplo) – O que é?Ciclo Frifogífico

Todas os processos abaixo do ponto críticoAlgumas partes do processo acima do ponto crítico


) Ciclo Frigorífico


Diagrama Pressão & Entalpia do CO2

Fase Sólida

Ponto Triplo (p = 5.2 bar, T = -56.6 °C)Ponto congelamento (@ 5.2 bar) = -56.6 °C

Ponto Crítico(p = 73.6 bar, T = 31.1 °C)


1

10

100

1000

-80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Temperatura [°C]

Pres

são

[bar

]

LíquidoSólido

Vapor

Supercrítico

Ponto Triplo5.2 bar

-56.6 °C

Ponto Crítico73.6 bar

31.1 °C

Diagrama Pressão & Temperatura do CO2


Comparando o CO2

com outros refrigerantes

Temperatura Crítica do CO2 é baixa (31.1 °C)Os refrigerantes mais utilizados têm suas temperaturas críticas no intervalo de 70 °C (R404A) à 130 °C (R717)

O Ponto Triplo do CO2 é alto (-56.6 °C)Os refrigerantes mais utilizados têm suas temperaturas do ponto triplo a –77 °C (R717) e abaixo…


Terminologia

Processo de absorção de calor (acima do ponto triplo)

O processo é chamado de “evaporação” e ocorre em um “evaporador”

Processo de rejeição de calorAbaixo da temperatura crítica o processo é chamado de “condensação” e ocorre em um “condensador”Acima da temperatura crítica o processo é chamado de “resfriamento gasoso” e ocorre em um “resfriador de gás”


Processo Sub-crítico ou Trans-crítico O que isto quer dizer?

Ciclo Sub-crítico

Pressão de descarga abaixo do ponto crítico

Ponto crítico do CO2

@ 31.06 °C e 73.8 bar

Condensação igual refrigerantes convencionais SDT < 31°C

Sistemas cascata típicos LT

Condensação (processo ideal) isobárico e isotérmico (sub. simples)

Ciclo Trans-crítico

Pressão de descarga acima do ponto crítico

Ponto crítico do CO2

@ 31.06 °C e 73.8 bar

Sem condensação mas com dispositivo de expansão

Resfriamento gás (processo ideal) isobárico e não isotérmico


Processo de Refrigeração Sub-Crítico


Resfriamento do gásControle de Pressão?

Processo de Refrigeração Trans-crítico


Processos Termodinâmicos com CO2

SUB-CRÍTICO

TRANSCRÍTICO

COMBINAÇÃO2-ESTÁGIOS


* ou HFC / HC

Sistema Cascata com CO2

– exemplo (1)

CO2

R134a, R404A,…

R290, R1270,…


Exemplo de Sistema Sub-crítico MT com HFC / LT com CO2

em Cascata (2)


Ferramenta para cálculos das propriedades e ciclos frigoríficos com CO2

CoolPack – v. 1.46www.et.dtu.dk/coolpack

Tabelas e diagramas Log(p),h

Simples estágioTranscrítico

Cascata

Simples estágio (DX ou inundado)


R22R134aR404A/R507R407CR417AR410AAmôniaHidrocarbonetosCO2

? ? ?

Escolha do Fluido Refrigerante


Determinando as vazões mássica e volumétrica para cada refrigerante (T.evap.=0ºC) necessárias para promover o resfriamento de uma vazão de 500 L/h de água (calor espec.= 4,187 KJ/kg K) de 12º para 7ºC:

Escolha do Fluido Refrigerante Através do Volume Deslocado do Compressor

(1)


Refrigerante Pressão sucção Vol. Espec. Variação entalpia (bar abs) (L/kg) (KJ/kg)

Isceon 59 (R417A) 4,216 44,90 170,40Isceon 49 (R413A) 3,208 62,79 189,40Isceon 69L R403B 6,305 29,90 153,40Isceon 39TC 2,667 63,37 166,40Isceon 89 7,065 23,69 131,21R417C 4,520 52,86 223,29R410A 7,986 33,58 224,90R404A 6,028 33,28 168,88R134a 2,928 68,89 197,20R12 3,086 55,40 151,48R22 4,976 47,14 205,37R11 0,402 403,19 188,91R123 0,329 442,14 179,52Água R718 0,006 206.199,03 2.834,54 Amônia R717 4,294 288,98 1.260,66Butano R600 1,032 362,12 381,91Isobutano R600a 1,578 234,14 355,60Gás carbônico R744 34,857 10,26 231,05Propano R1270 5,849 81,31 378,34


(2)


2.91

= 500 * 1/3600*1*4,187*5

= KW


(3)


Refrigerante Pressão sucção Vol. Espec. Variação entalpia Vazão mássica (bar abs) (L/kg) (KJ/kg) (Kg/s) (L/s) (m3/h)

Isceon 59 (R417A) 4,216 44,90 170,40 0,0170774 0,7668 2,76Isceon 49 (R413A) 3,208 62,79 189,40 0,0153643 0,9647 3,47Isceon 69L R403B 6,305 29,90 153,40 0,0189700 0,5672 2,04Isceon 39TC 2,667 63,37 166,40 0,0174879 1,1082 3,99Isceon 89 7,065 23,69 131,21 0,0221781 0,5254 1,89R417C 4,520 52,86 223,29 0,0130323 0,6889 2,48R410A 7,986 33,58 224,90 0,0129390 0,4345 1,56R404A 6,028 33,28 168,88 0,0172311 0,5735 2,06R134a 2,928 68,89 197,20 0,0147565 1,0166 3,66R12 3,086 55,40 151,48 0,0192104 1,0643 3,83R22 4,976 47,14 205,37 0,0141695 0,6680 2,40R11 0,402 403,19 188,91 0,0154041 6,2108 22,36R123 0,329 442,14 179,52 0,0162098 7,1670 25,80Água R718 0,006 206.199,03 2.834,54 0,0010266 211,684 762,06Amônia R717 4,294 288,98 1.260,66 0,0023083 0,6671 2,40Butano R600 1,032 362,12 381,91 0,0076195 2,7592 9,93Isobutano R600a 1,578 234,14 355,60 0,0081833 1,9160 6,90Gás carbônico R744 34,857 10,26 231,05 0,0125946 0,1292 0,47Propileno R1270 5,849 81,31 378,34 0,0076914 0,6254 2,25

Vazão volumétrica


(1)


Comparação entre a capacidade volumétrica de refrigeração do compressor com CO2

e R404A

2HC-3.2K versus 4V-6.2Y (Aplic Booster.)Deslocamento [m³/h]: 6,51 33,07Refrigerante: R744 R404ATemp. Evap. [°C] -35 -35 Temp. Cond.[°C] -5 -5Sup/Sub [K] 20/0 20/0Cap. Frig. [kW] 10,4 10,7


Características construtivas dos compressores Semi-Herméticos Octagon

para CO2


C3

ControleCapacidade (Opcional)


para CO2


Vibrações suaves e mínimasmaiores modelos de 2 cilindros

substituídos por projetos de 4 cilindros

balanço da massa melhorado

Pulsações reduzidas (mufflers)Cabeçote com mufla

integrada (patente Bitzer)

utilizada a partir dos modelos C2

baixo nível de ruído


para CO2

Apresentador

Notas de apresentação

E:\ \cyl-head_e.ppt



para CO2


Características

Cabeçote com mufla integrada

Sucção


para CO2


Conjunto placa de válvulas otimizado com mínima perda de cargaBuchas especiais com revestimento de PTFE (todos os Octagon)Válvula de segurança incorporadaMáx. pressão sucção com o compressor parado = 25 barMáx. pressão descarga com o compressor funcionando = 40 bar

Óleo Lubrificante Tipo: Polioléster (POE) BSE60K especialmente formulado para uso com CO2


para CO2

Apresentador

Notas de apresentação

Der Grund für diesen kurzen Vortrag ist eine Verdichterexplosion in China.


Lubrificação centrífuga otimizadaRápido suprimento de óleo depois da partidaMancal com grande reserva de óleoSeparação da espuma de óleo e refrigerante por gravidade Princípio de lubrificação por Hidro-dinâmica

Não necessita de pré-pressãoRedução do arraste de óleo

Mínima circulação de óleoSistema de proteção eletrônica para o monitoramento de óleo através do INT265


para CO2


KP-120-2

Compressores alternativos Semi-herméticos para CO2

“Sistema Cascata”


para CO2


NomenclaturaSemi-Herméticos Octagon

para CO2

4DHC-7K-40S

código do motor

aplicação para CO2 e carga de óleo (BSE 60K)

potência nominal do motor (HP)

compressor Compacto (série Octagon)

aplicação sub-crítica com CO2 (sistema cascata)

codificação para diâmetro e curso

número de cilindros / pistões


Compressores Semi-Herméticos Alternativos Bitzer para CO2

em Sistema Cascata

-

(50 Hz, Sup=20K, Sub=0K)


Possíveis Aplicações

Aplicação Sub-crítica (Sistemas em Cascata em LT)


Sistemas em Cascata com CO2

ConteúdoComparação: níveis de pressão (R22, R404A, R410A)

Comparação: propriedades & performance R22

Recomendações especiais para o projeto

Exemplos de sistemas na condição Sub-crítica com CO2

Experiências na Operação

Status atual

Comentários


Nível de Pressão do CO2

vs. R22 e 404A

0

10

20

30

40

50

60

70

80

-60 -40 -20 0 20 40 60 80

Temperatura [°C]

Pres

são

[bar

]

Temperatura crítica 31.06°C

CO2

R404A

R22


Faixas de Pressão Cascata com CO2

vs. R22 e R410A

Comparação dos níveis de pressão CO2 & R410A vs. R22

5

10

15

20

25

30

35

40

0 5 10 15 20

Pressão de sucção [bar]

Pres

são

desc

arga

[bar

] '

R22


Faixas de Pressão Cascata com CO2

vs. R22 e R410A

Comparação dos níveis de pressão CO2 & R410A vs. R22

5

10

15

20

25

30

35

40

0 5 10 15 20

Pressão de sucção [bar]

Pres

são

desc

arga

[bar

] ' R410A

CO2

Cascade

R22


Comparação das Propriedades & Performance – Baixa Temp. com CO2

em Cascata vs. R22

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

R22 Reference

CoolingCapacity

COP SuctionPressure

DischargePressure

VapourDensity (LP)

Com

para

ção

CO2

vs.

R22

[%]

R22 / to -35°C, tc -10°CCO2 / to -35°C, tc -10°C

Deslocamento Compressor inversamente proporcional às capacidades frigoríficas relativas

R22 Referencia

Capacidade Frigorífica

Pressão Sucção

Pressão Descarga

Densidade Vapor (LP)


Comparação das Propriedades & Performance – Baixa Temp. com CO2

em Cascata vs. R22

Comparação nas condições sub-crítica

2HC-3.2K versus 4TCS-8.2 (Booster)Deslocamento [m³/h]: 6.51 41.33Refrigerante: R744 R22Tevap [°C] -35 -35 Tcond [°C] -5 -5Super./ Sub [K] 20 / 0 20 / 0CAP [kW] 10.41 10.88

DL

SLSL

Linha LinhaSucção Líquido

Sistema DX com R404A 100%

Sistema secundário com brine 250%

Sistema DX com CO2 35%

Comparação dos tamanhos dos compressores

R22CO2


Recomendações especiais para o projeto

(1)


Recomendações especiais para o projeto (2)

Concentração de CO2 no ArEm ambientes fechados são necessárias medidas de segurança

apropriadas utilizando dispositivos de monitoramento do sistema!A inalação de maiores concentrações de CO2 pode levar a perda

da conciência e causar sufocamento!Concentração máxima no espaço de trabalho = 5 000 ppmPerigo iminente de vida e problemas à saúde = 50 000 ppmO CO2 é inodoro e incolor, portanto não pode ser percepitível

diretamente em caso de emissão.

Níveis de Pressão do CO2Durante a parada do sistema a pressão aumenta

Perigo de explosão!


Pressão de 50 kg CO2

com Volume de 150 l @ diferentes temperaturas

12,00

57,00


Pressões durante o tempo de parada

Octagon série K: Nível máximo de pressão permitido

Lado de Sucção: 25 barLado descarga: 40 bar


Recomendações especiais para o projeto (3)

Medidas de segurança contra Pressão ExcessivaInstalar válvulas de segurança!

Requerimentos e Layout EN378-2 EN13136Atenção! Gelo seco, CO2 sublimado

Isolamento do tanque de líquido!Tanque de expansão de pressão?Unidade de refrigeração adicional?

Umidade no CO2Vepor de CO2: baixa solubilidade com água

Corrosão ácida pela formação de geloFiltros secadores apropriados, generosamente dimensionados (Al2O3 < 25 por cento)CO2 com baixo grau de umidade (< 5 ppm, por exemplo: grau de pureza 4.5)



em Cascata

Baixa Temp. DX

Sistema DX para LT

Trocador de calor

inter-estágio

para o sistema R404A


Trocador de Calor Inter-estágio

Sucção estágio de Alta

Válvulas TX estágio de Alta

Linha Descarga

Válvulas de Segurança

Linha de Líquido

Filtro Secador

Separador de Óleo

Compressores 2EC-6.2-K

Dispositivos de Segurança

Reg. Nível Óleo Traxon

Acumuladores de Sucção

RACK CO2 3 x 2EC-6.2K

Qo = 72 kW @

TE -31 °C / TC -10 °C


em Cascata


Sistema Cascata: “Enviro-Cold CO2 System” – Bitzer Austrália


em Cascata




em Cascata



Compressores Octagon serie K

Separador de óleo Centrífugo

(Construído com reservatório de óleo)

Regulador de nível de óleo Traxon

(Apropriada para altas pressões com CO2)

Válvulas de segurança

(Os lados de HP e LP são protegidos)

Condensador cascata

Tanque de líquido / separador de líquido

Bomba semi-hermética de recirculação de líquido

Coletores de distribuição de líquido


em Cascata


Câmaras e Balcões de Média temperatura

Loja

SalaMáquina

Exterior

CompressoresMT

Circuito MTcom R404A

Condensador Resfriado a AR

Condensador - CO2

Compressores CO2

Ilhas e CâmarasBaixa temperatura

Tanque Líquido -CO2

Circuito - CO2TanqueLíquido


em Cascata


Compressores Cascata com CO2


em Cascata


C1

Propane (-14°C)

CO2 (-32°C)

C3

K1

K..

K6

F1

F2

F3

C2

P

P

P

P

PP

P P

P Propane (+30°C)

CO2 (-10°C)

P

Brine (-11°C)

Brine (-7°C)

Lokal BrugsenJuelsmindevej, Odense

DTI /Super Køl A/S

© Danish Technological Institute, Teknologiparken, DK-8000 Aarhus C, www.teknologisk.dk

Exemplo de Sistema Sub-crítico MT com HC (R290)/ LT com CO2

em Cascata

CO2_Utilizado como Refrigerante – 59© Danish Technological Institute, Teknologiparken, DK-8000 Aarhus C, www.teknologisk.dk

Compressores - R290

Compressor - CO2

Exemplo de Sistema Sub-crítico MT com HC (R290)/ LT com CO2

em Cascata


Temperaturas de Operação

Em relação á solubilidade do CO2 no óleo POE e o resultado das condições de lubrificação devem seguir os requisitos abaixo:

Necessário utilizar resistência do cárter

Superaquecimento mínimo gás de sucção = 20 K * Necessário utilizar trocador calor Necessário utilizar separador de líquido

Temperatura mínima do óleo = 20 °C

Temperatura mínima de descarga = 40 °C

*) superaquecimento menor é possível, porém as temperaturas mínimas do óleo e descarga deverão ser respeitadas.


Temperaturas de Descarga

Modelo Compressor 2JC-3.2K, R744

20

40

60

80

100

120

140

160

5 10 15 20 25 30 35 40

Superaquecimento na Sucção [K]

Tem

pera

tura

Des

carg

a [°

C]

-35 / -4-33 / -20-40 / 0


Espumação

no Óleo

Para evitar baixas viscosidades do lubrificante e fortes efeitos de desgaseificação:

Suficiente superaquecimento gás sucção – p.e. através de trocador (es) linha de sucção / líquido

Isto evitará o retorno de CO2 líquido na sucção

Temperatura do óleo acima de 20 °C

Evitará rápida queda de pressão dentro do cárter


Importante:

Entalpia de Evaporação Elevada (1.5 vezes maior vs. R404A @ -10 °C)Densidade Vapor Elevada (3.2 vezes maior vs. R404A @ -10 °C)

Conseqüência:

O CO2 líquido na saída do evaporador poderá entrar muito rápido na sucção do compressor! A “união” entre a linha de sucção e líquido não poderá evitar que o CO2 na fase líquida evapore rápido o suficiente!

Recomenda-se instalar obrigatoriamente um separador de líquido na sucção do compressor!

Separador de Líquido


Commissionamento das primeiras instalações com compressores Bitzer para CO2 em 1998

Mais de 100 sistemas instalados em supermercados na Europa e Australia

Mais de 800 compressores em operação – várias aplicações

Capacidades frigoríficas em LT com (CO2) 5 … 120 kW

Refrigerantes utilizados nos estágios de MTR404A, R134a, R717, R290, fluidos secundáriose desde 2005: todos os sistemas com CO2

Sistemas em Cascata com CO2 Status atual


CO2 como Fluido Secundário

Possui um bom potencial nos sistemas indiretos para média (baixa) temperatura nas aplicações comerciais & industrial.

elevado calor latente e grande potencial de troca de calormenor fluxo de massa, viscosidade muito baixa mesmo em baixa temperatura – resultando-se em:

menor potência consumida no trabalho de bombeamentomenor diâmetro da tubulação

quimicamente inativo, não inflamável, baixa toxidade

Exigências especiais com relação:elevados níveis de pressãotrocadores de calor, bombas & controles

Sistemas em Cascata com CO2 Comentários (1)


Experiência OperacionalOs testes experimentais apresentaram bons resultados nas modificações das versões “standard” dos compressores semi-herméticos Octagon

Exigências especiais com relação aos elevados níveis de pressão –resistência dos materiais & lubrificantesOs óleos polioéster apresentam características favoráveisOs trabalhos de pesquisas ainda continuam

Possui um elevado potencial energético aplicado em sistema cascata para baixa temperatura

elevada capacidade volumétrica de refrigeração e características de performance constante

... O projeto do sistema torna-se mais compacto e econômico utilizando o CO2

Sistemas em Cascata com CO2 Comentários (2)


Possíveis Aplicações

Aplicação Trans-crítica com CO2


Operação Trans-crítica Uma opção para o Futuro?

Vamos olhar mais de perto!


Operação Trans-crítica

ConteúdoProcesso Trans-crítico com CO2

Avaliação do sistema

Aplicação dos compressores para operação Trans-crítica com CO2

Sistema Paralelo para Supermercado


Diagrama Pressão e Entalpia Operação

Trans-crítica


Exemplo

de sistema para operação

Trans-crítica

com CO2

Resfriadorgás

Evaporador

Válvula TX *

HX

CompressorSeparadorlíquido

*Regulagem da válvula TX depende da pressão HP

HP ótima


Processo Trans-crítico: Pressão Alta Ótima

Para uma dada temperatura na saída do resfriador de gás o COP é uma função da pressão de alta (descarga). Por que?Temperatura e pressão são independentes uma da outra

Optimum HP


Processo Trans-crítico: Transferência

de Calor

O CO2 possui propriedades termodinâmica exclusivasEm comparação com os HCFCs (R22) e HFCs (R404A) o CO2apresenta um menor DT (temperature approach)

Referência: Skaugen G.: International Refrigeration Conference of Purdue, USA, 2000


Aplicação dos Compressores Operação Trans-crítica com CO2

Ciclo Trans-crítico



4 cilindros

Deslocamento:12 m3/h @ 50 Hz

Peso: 150 kg

Máx. Pressão:HP 120 barLP 75 bar (parada)

Lubrificante:BSE 85 K


20

40

60

80

100

120

140

10 20 30 40 50 60

Pressão sucção [bar]

Pres

são

desc

arga

[bar

]

Sup. 20 K

min. Sup. 20 K

max. SH 10 K

TipoDeslocamento(1450 RPM)

m3/h

Peso kg

LD LS Capac.Frigorífica

Watt*

4JTC-15K 9.2 157 DN 18 DN 22 20400

4HTC-20K 12.0 165 DN 18 DN 22 (28) 26700

Faixa de Aplicação

Dados Técnicos

* Baseado em -7°C / Super 10 K / Saída resfriador gás 35°C / Trocador calor HX interno



Rack Supermercado

com Compressors 4HTC-20K para sistema Trans-crítico

com CO2

Referência: Haaf, Heinbokel, Dr. Gernemann.: Die Kälte

& Klimatechnik, 02/2005

Média pressão < 40 bar


Rack Supermercado

com Compressors 4HC4-20K para sistema Trans-crítico

com CO2 (1)


Rack Supermercado

com Compressors 4HC4-20K para sistema Trans-crítico

com CO2 (2)


0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

ReferênciaR22

Cap.Frigorífica

COP PressãoSucção

PressãoDescarga

Fluxo Massa Temp. Gásdescarga

Rel

ação

CO

2 vs.

R22

[%]

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Tem

pera

tura

des

carg

a [°C

]

R22 / to -10°C, tc 45°CR22 / to -10°C, tc 25°CCO2 / to -7°C, tg 35°CCO2 / to -7°C, tc 22°C

CO2

na Condição Trans-crítica

vs. R22 Aplicação de Média

Temperatura

Condições:

Ambiente: 30°C / 10°CR22 simples estágioto -10°C, Δtoh 10 Ktc 45°C / 25°CΔtsubc 2 KCO2 simples estágioto -7°C, Δtoh 10 K- melhor transf. calormenor perda cargatg 35°C (30° ambiente)- Trocador HX internotc 22°C (10° ambiente)- Δtsubc 2 K

* eficiência isoentrópica ideal para R22 (0.7)*


Exemplo

de sistema com operação Trans-crítica

com CO2

Resf. gás

Evaporador

Dispositivo TX *

HX

Compressor

SeparadorLíquido

* Regulagem da válvula TX depende da pressão HP − não é possível controlar o superaquecimento no evaporador

Conceito de expansão Simples• p.e. Sistemas A/C, bomba calor


Resf.gás

EvaporadorVálvula TX *

(HX)

Compressor

Controle de alta pressão depende da TXV −é possível controlar o superaquecimento útilVálvula alívio pressão

Conceito de Expansão Dupla• p.e. sistemas de refrigeração

Válv. Reg. Pressão HP

Tanquelíquido

Exemplo

de sistema com operação Trans-crítica

com CO2


Comparação

das Propriedades

& Performance Sistema CO2

MT vs. R22

R22 CO2

Temp. ambiente [°C] 30 10 30 10

Temp. evaporação [°C] -10 -7

Superaquecimento [K] 10 10

Temp. condensação [°C] 45 25 N/A 22

Sub-resfriamento [K] 2 N/A 2

Saída resf. gás [°C] N/A 35 N/A

TC Líquido/Sucção [-] Não Sim

Eficiência comp. [%] 70 70

Condições de aplicação

Menor DT devido à melhor transferência de calor e menor perda de carga com CO2


R404A CO2

Temp. ambiente. [°C] 0 … 32

Temp. evaporação [°C] -10 -7

Superaquecimento [K] 10

DT condensador [K] 13 N/A 10 / 9

Sub-resfriamento [K] 2 N/A 2

Saída resf. gás [K] N/A 5 / 3 N/A

Trocador Líquido/sucção [-] Sim Sim Não

Eficiência comp. [%] 70

Condições de aplicação

Tamanhos diferentes resf. gás / condensador Saída resf. gás vs. tem. ambiente.

Comparação

das Propriedades

& Performance Sistema CO2

MT vs. RR404A


Comparação

do COP – Sistema CO2 MT vs. R404A

50

60

70

80

90

100

110

120

0 5 10 15 20 25 30 35

Temperatura ambiente [°C]

CO

P re

lativ

o --

CO2

vs.

R40

4A

CO2 trans-críticoP > 73,8 bar

R404A = 100%

CO2 sub-crítico

Resf. Gás DT 5 K

Resf. Gás DT 3 K

Condensador DT 10 K

Condensador DT 9 K


Dados de Performance do CO2

/ R22 / NH3 com mesmo

Deslocamento Volumétrico

Capacidade Refrigeração -- CO2 / R22 / NH3 (Compressor com deslocamento de 220 m3/h)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

-35 -40 -45 -50

Temperatura de evaporação [°C]

Cap

acid

ade

Ref

riger

ação

[kW

]

CO2R22NH3

Temperatura de condensação -10°C


Dados Performance Relativo do CO2

/ R22 / NH3 com mesmo

Deslocamento Volumétrico

Relação da Capacidade Refrigeração -- CO2 / R22 / NH3 (R22 = 100%)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

-35 -40 -45 -50


Cap

acid

ade

Ref

riger

ação

Rel

ativ

a [%

] CO2R22NH3



Variação Relativa da Capacidade Refrigeração do CO2

/ R22 / NH3

Variação Relativa da Capacidade de refrigeração -- CO2 / R22 / NH3 (Tevap -35°C = 100%)

0

20

40

60

80

100

120

-35 -40 -45 -50


Cap

acid

ade

refri

gera

ção

Rel

ativ

a [%

] CO2R22NH3


Seminário de Difusão sobre Uso de Refrigerantes

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