Seminário de Difusão sobre Uso de Refrigerantes
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Seminário de Difusão sobre Uso de Refrigerantes
SEMINÁRIO DE FLUIDOS ALTERNATIVOS AOS CFC‘S NO SETOR DE REFRIGERAÇÃO Organizado pelo MMA – Ministério do Meio Ambiente, em parceria com a ANPRAC – Associação Nacional dos Profissionais de Refrigeração, Ar Condicionado, Ventilação e Aquecimento, com o Instituto Mauá de Tecnologia, e apoio da Revista Climatização & Refrigeração 20 e 21 de Novembro de 2007 São Paulo, Brasil APLICAÇÕES DO CO2 NO SETOR DE REFRIGERAÇÃO COMERCIAL PARA SUPERMERCADOS Eng. Alessandro da Silva [email protected] Tel. (0055) 11 4617 – 9138 www.bitzer.com.br CO2_Utilizado como Refrigerante – 2 Programação Principais características Propriedades Possíveis Aplicações: - Aplicação Sub-crítica (Sistemas em Cascata em LT) - Aplicação Trans-crítica Característica construtivas dos compressores e seus lubrificantes Montagem em Paralelo – Racks - Sistema de equalização de óleo Comparativos de performance com outros refrigerantes (R22, R404A, etc.) CO2_Utilizado como Refrigerante – 3 Dióxido de Carbono (CO2) Principais características Pro‘s × Longa tradição na refrigeração × Baixo potencial de aquecimento global (GWP =1) × Quimicamente inativo, não inflamável × Não 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??? CO2_Utilizado como Refrigerante – 4 Dióxido de Carbono (CO2) Principais características Con‘s Ø 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 descargas Ø Temperatura de evaporação limitada (Ponto triplo = -56,6ºC) Ø Pressão de descarga extremamente elevada (levar em consideração os aspectos de segurança & normas, e o projeto dos componentes) Ø CO2 é “inodoro” – para ambientes fechados é necessário aplicar sistema de detecção de vazamento e adotar medidas especiais de segurança CO2_Utilizado como Refrigerante – 5 Dióxido de Carbono (CO2) Propriedades (1) 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 CO2_Utilizado como Refrigerante – 6 Dióxido de Carbono (CO2) Propriedades (2) Comportamento Pressão/Temperatura Diagrama Pressão/Entalpia Ponto Crítico 73,8 operação transcrítica Líquido Pressão Pressão (bar) Sólido 5 Triple Point Vapor 1 -87,9 -56,6 31,1 Temperatura (°C) Entalpia CO2_Utilizado como Refrigerante – 7 Dióxido de Carbono (CO2) Aspectos de Segurança 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. CO2_Utilizado como Refrigerante – 8 Dióxido de Carbono (CO2) Aspectos Fisiológicos Os sintomas associados a inalação de ar contendo dióxido de carbono são, sob concentrações crescentes de dióxido de carbono: 0.04% Concentração no ar atmosférico 2% 50% de aumento da freqüência de respiração 3% limite de 10 minutos para exposição por curto tempo; 100% de aumento da freqüência de respiração 5% 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 tempo 8–10% Dor de cabeça após 10 ou 15 minutos. Tontura, zumbido no ouvido, aumento da pressão sangüínea, taxa de batimentos cardíacos elevada, excitação e náusea 10-18% 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 CO2_Utilizado como Refrigerante – 9 Dióxido de Carbono (CO2) Ciclo Frigorífico 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 z Todas os processos abaixo do ponto crítico z Algumas partes do processo acima do ponto crítico CO2_Utilizado como Refrigerante – 10 Diagrama Pressão & Entalpia do CO2 Ponto Crítico (p = 73.6 bar, T = 31.1 °C) Ponto Triplo (p = 5.2 bar, T = -56.6 °C) Ponto congelamento (@ 5.2 bar) = -56.6 °C Fase Sólida CO2_Utilizado como Refrigerante – 11 Diagrama Pressão & Temperatura do CO2 Pressão [bar] 1000 Sólido Líquido Supercrítico 100 73.6 bar Ponto Crítico 10 5.2 bar Vapor Ponto Triplo 1 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 -56.6 °C 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 31.1 °C Temperatura [°C] CO2_Utilizado como Refrigerante – 12 Comparando o CO2 com outros refrigerantes Temperatura Crítica do CO2 é baixa (31.1 °C) z 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) z Os refrigerantes mais utilizados têm suas temperaturas do ponto triplo a –77 °C (R717) e abaixo… CO2_Utilizado como Refrigerante – 13 Terminologia Processo de absorção de calor (acima do ponto triplo) z O processo é chamado de “evaporação” e ocorre em um “evaporador” Processo de rejeição de calor z Abaixo da temperatura crítica o processo é chamado de “condensação” e ocorre em um “condensador” z Acima da temperatura crítica o processo é chamado de “resfriamento gasoso” e ocorre em um “resfriador de gás” CO2_Utilizado como Refrigerante – 14 Processo Sub-crítico ou Trans-crítico O que isto quer dizer? Ciclo Sub-crítico Ciclo Trans-crítico Pressão de descarga abaixo do Pressão de descarga acima do ponto crítico z Ponto crítico do CO2 @ 31.06 °C e 73.8 bar ponto crítico z Ponto crítico do CO2 @ 31.06 °C e 73.8 bar Condensação igual refrigerantes Sem condensação mas com convencionais Ö SDT < 31°C dispositivo de expansão z Sistemas cascata típicos LT Condensação (processo ideal) Resfriamento gás (processo ideal) isobárico e não isotérmico isobárico e isotérmico (sub. simples) CO2_Utilizado como Refrigerante – 15 Processo de Refrigeração Sub-Crítico CO2_Utilizado como Refrigerante – 16 Processo de Refrigeração Trans-crítico Resfriamento do gás Controle de Pressão? CO2_Utilizado como Refrigerante – 17 Processos Termodinâmicos com CO2 TRANSCRÍTICO COMBINAÇÃO 2-ESTÁGIOS SUB-CRÍTICO CO2_Utilizado como Refrigerante – 18 Sistema Cascata com CO2 – exemplo (1) R134a, R404A,… CO2 R290, R1270,… * ou HFC / HC CO2_Utilizado como Refrigerante – 19 Exemplo de Sistema Sub-crítico MT com HFC / LT com CO2 em Cascata (2) CO2_Utilizado como Refrigerante – 20 Ferramenta para cálculos das propriedades e ciclos frigoríficos com CO2 Tabelas e diagramas Log(p),h Simples estágio (DX ou inundado) Cascata Simples estágio Transcrítico CoolPack – v. 1.46 www.et.dtu.dk/coolpack CO2_Utilizado como Refrigerante – 21 Escolha do Fluido Refrigerante ??? R22 R134a R404A/R507 R407C R417A R410A Amônia Hidrocarbonetos CO2 CO2_Utilizado como Refrigerante – 22 Escolha do Fluido Refrigerante Através do Volume Deslocado do Compressor (1) 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: CO2_Utilizado como Refrigerante – 23 Escolha do Fluido Refrigerante Através do Volume Deslocado do Compressor (2) Refrigerante Pressão sucção Vol. Espec. Variação entalpia (bar abs) (L/kg) (KJ/kg) Isceon 59 (R417A) 4,216 44,90 170,40 Isceon 49 (R413A) 3,208 62,79 189,40 Isceon 69L R403B 6,305 29,90 153,40 Isceon 39TC 2,667 63,37 166,40 Isceon 89 7,065 23,69 131,21 R417C 4,520 52,86 223,29 R410A 7,986 33,58 224,90 R404A 6,028 33,28 168,88 R134a 2,928 68,89 197,20 R12 3,086 55,40 151,48 R22 4,976 47,14 205,37 R11 0,402 403,19 188,91 R123 0,329 442,14 179,52 Água R718 0,006 206.199,03 2.834,54 Amônia R717 4,294 288,98 1.260,66 Butano R600 1,032 362,12 381,91 Isobutano R600a 1,578 234,14 355,60 Gás carbônico R744 34,857 10,26 231,05 Propano R1270 5,849 81,31 378,34 CO2_Utilizado como Refrigerante – 24 Escolha do Fluido Refrigerante Através do Volume Deslocado do Compressor (3) = 500 * 1/3600*1*4,187*5 2.91 = KW CO2_Utilizado como Refrigerante – 25 Escolha do Fluido Refrigerante Através do Volume Deslocado do Compressor (1) Refrigerante Pressão sucção Vol. Espec. Variação entalpia Vazão mássica Vazão volumétrica (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 2,76 Isceon 49 (R413A) 3,208 62,79 189,40 0,0153643 0,9647 3,47 Isceon 69L R403B 6,305 29,90 153,40 0,0189700 0,5672 2,04 Isceon 39TC 2,667 63,37 166,40 0,0174879 1,1082 3,99 Isceon 89 7,065 23,69 131,21 0,0221781 0,5254 1,89 R417C 4,520 52,86 223,29 0,0130323 0,6889 2,48 R410A 7,986 33,58 224,90 0,0129390 0,4345 1,56 R404A 6,028 33,28 168,88 0,0172311 0,5735 2,06 R134a 2,928 68,89 197,20 0,0147565 1,0166 3,66 R12 3,086 55,40 151,48 0,0192104 1,0643 3,83 R22 4,976 47,14 205,37 0,0141695 0,6680 2,40 R11 0,402 403,19 188,91 0,0154041 6,2108 22,36 R123 0,329 442,14 179,52 0,0162098 7,1670 25,80 Água R718 0,006 206.199,03 2.834,54 0,0010266 211,684 762,06 Amônia R717 4,294 288,98 1.260,66 0,0023083 0,6671 2,40 Butano R600 1,032 362,12 381,91 0,0076195 2,7592 9,93 Isobutano R600a 1,578 234,14 355,60 0,0081833 1,9160 6,90 Gás carbônico R744 34,857 10,26 231,05 0,0125946 0,1292 0,47 Propileno R1270 5,849 81,31 378,34 0,0076914 0,6254 2,25 CO2_Utilizado como Refrigerante – 26 Comparação entre a capacidade volumétrica de refrigeração do compressor com CO2 e R404A Deslocamento [m³/h]: Refrigerante: Temp. Evap. [°C] Temp. Cond.[°C] Sup/Sub [K] Cap. Frig. [kW] 2HC-3.2K versus 4V-6.2Y (Aplic Booster.) 6,51 33,07 R744 R404A -35 -35 -5 -5 20/0 20/0 10,4 10,7 CO2_Utilizado como Refrigerante – 27 Características construtivas dos compressores Semi-Herméticos Octagon para CO2 CO2_Utilizado como Refrigerante – 28 Características construtivas dos compressores Semi-Herméticos Octagon para CO2 Controle Capacidade (Opcional) C3 CO2_Utilizado como Refrigerante – 29 Características construtivas dos compressores Semi-Herméticos Octagon para CO2 Vibrações suaves e mínimas ¾ maiores modelos de 2 cilindros substituídos por projetos de 4 cilindros ¾ balanço da massa melhorado Pulsações reduzidas (mufflers) ¾ Cabeçote com mufla integrada (patente Bitzer) ¾ utilizada a partir dos modelos C2 ¾ baixo nível de ruído CO2_Utilizado como Refrigerante – 30 Características construtivas dos compressores Semi-Herméticos Octagon para CO2 CO2_Utilizado como Refrigerante – 31 Características construtivas dos compressores Semi-Herméticos Octagon para CO2 Características z Cabeçote com mufla integrada Sucção CO2_Utilizado como Refrigerante – 32 Características construtivas dos compressores Semi-Herméticos Octagon para CO2 Conjunto placa de válvulas otimizado com mínima perda de carga Buchas especiais com revestimento de PTFE (todos os Octagon) Válvula de segurança incorporada Máx. pressão sucção com o compressor parado = 25 bar Máx. pressão descarga com o compressor funcionando = 40 bar Óleo Lubrificante Tipo: Polioléster (POE) BSE60K especialmente formulado para uso com CO2 CO2_Utilizado como Refrigerante – 33 Características construtivas dos compressores Semi-Herméticos Octagon para CO2 Lubrificação centrífuga otimizada z Rápido suprimento de óleo depois da partida z Mancal com grande reserva de óleo z Separação da espuma de óleo e refrigerante por gravidade z Princípio de lubrificação por Hidro-dinâmica Î Não necessita de pré-pressão z Redução do arraste de óleo Î Mínima circulação de óleo z Sistema de proteção eletrônica para o monitoramento de óleo através do INT265 CO2_Utilizado como Refrigerante – 34 Características construtivas dos compressores Semi-Herméticos Octagon para CO2 KP-120-2 Compressores alternativos Semi-herméticos para CO2 “Sistema Cascata” CO2_Utilizado como Refrigerante – 35 Nomenclatura Semi-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 CO2_Utilizado como Refrigerante – 36 Compressores Semi-Herméticos Alternativos Bitzer para CO2 em Sistema Cascata - (50 Hz, Sup=20K, Sub=0K) CO2_Utilizado como Refrigerante – 37 Compressores Semi-Herméticos Alternativos Bitzer para CO2 em Sistema Cascata - (50 Hz, Sup=20K, Sub=0K) CO2_Utilizado como Refrigerante – 38 Possíveis Aplicações Aplicação Sub-crítica (Sistemas em Cascata em LT) CO2_Utilizado como Refrigerante – 39 Sistemas em Cascata com CO2 Conteúdo Comparação: 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 CO2_Utilizado como Refrigerante – 40 Nível de Pressão do CO2 vs. R22 e 404A 80 Temperatura crítica 31.06°C 70 Pressão [bar] 60 50 CO2 40 30 R404A 20 R22 10 0 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 Temperatura [°C] CO2_Utilizado como Refrigerante – 41 Faixas de Pressão Cascata com CO2 vs. R22 e R410A Comparação dos níveis de pressão CO2 & R410A vs. R22 40 Pressão descarga [bar] ' 35 30 25 20 R22 15 10 5 0 5 10 15 20 Pressão de sucção [bar] CO2_Utilizado como Refrigerante – 42 Faixas de Pressão Cascata com CO2 vs. R22 e R410A Comparação dos níveis de pressão CO2 & R410A vs. R22 40 Pressão descarga [bar] ' 35 CO2 Cascade R410A 30 25 20 R22 15 10 5 0 5 10 15 20 Pressão de sucção [bar] CO2_Utilizado como Refrigerante – 43 Comparação das Propriedades & Performance – Baixa Temp. com CO2 em Cascata vs. R22 Deslocamento Compressor inversamente proporcional às capacidades frigoríficas relativas 1000 Comparação CO2 vs. R22 [%] 900 R22 / to -35°C, tc -10°C CO2 / to -35°C, tc -10°C 800 700 600 500 400 300 200 100 0 R22 R22 Reference Referencia Cooling Capacidade Capacity Frigorífica COP Suction Pressão Pressure Sucção Discharge Pressão Pressure Descarga Vapour Densidade Vapor (LP) Density CO2_Utilizado como Refrigerante – 44 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 41.33 Refrigerante: R744 R22 Tevap [°C] -35 -35 Tcond [°C] -5 -5 Super./ Sub [K] 20 / 0 20 / 0 CAP [kW] 10.41 10.88 Comparação Linha Linha Sucção Líquido dos tamanhos DL dos compressores Sistema DX com 100% R404A Sistema secundário com brine Sistema DX com CO2 SL 250% CO2 R22 SL 35% CO2_Utilizado como Refrigerante – 45 Recomendações especiais para o projeto (1) CO2_Utilizado como Refrigerante – 46 Recomendações especiais para o projeto (2) Concentração de CO2 no Ar z Em ambientes fechados são necessárias medidas de segurança apropriadas utilizando dispositivos de monitoramento do sistema! z A inalação de maiores concentrações de CO2 pode levar a perda da conciência e causar sufocamento! z Concentração máxima no espaço de trabalho = 5 000 ppm z Perigo iminente de vida e problemas à saúde = 50 000 ppm z O CO2 é inodoro e incolor, portanto não pode ser percepitível diretamente em caso de emissão. Níveis de Pressão do CO2 z Durante a parada do sistema a pressão aumenta Perigo de explosão! CO2_Utilizado como Refrigerante – 47 Pressão de 50 kg CO2 com Volume de 150 l @ diferentes temperaturas 57,00 12,00 CO2_Utilizado como Refrigerante – 48 Pressões durante o tempo de parada Octagon série K: Nível máximo de pressão permitido Lado de Sucção: Lado descarga: 25 bar 40 bar CO2_Utilizado como Refrigerante – 49 Recomendações especiais para o projeto (3) Medidas de segurança contra Pressão Excessiva z Instalar válvulas de segurança! Î Requerimentos e Layout EN378-2 EN13136 Î Atenção! Gelo seco, CO2 sublimado z Isolamento do tanque de líquido! Î Tanque de expansão de pressão? Î Unidade de refrigeração adicional? Umidade no CO2 z Vepor de CO2: baixa solubilidade com água Î Corrosão ácida pela formação de gelo Î Filtros secadores apropriados, generosamente dimensionados (Al2O3 < 25 por cento) Î CO2 com baixo grau de umidade (< 5 ppm, por exemplo: grau de pureza 4.5) CO2_Utilizado como Refrigerante – 50 Exemplo de Sistema Sub-crítico MT com HFC / LT com CO2 em Cascata Sistema DX para LT Baixa Temp. DX para o sistema R404A Trocador de calor inter-estágio CO2_Utilizado como Refrigerante – 51 Exemplo de Sistema Sub-crítico MT com HFC / LT com CO2 em Cascata 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 RACK CO2 3 x 2EC-6.2K Qo = 72 kW @ Dispositivos de Segurança Reg. Nível Óleo Traxon Acumuladores de Sucção TE -31 °C / TC -10 °C CO2_Utilizado como Refrigerante – 52 Exemplo de Sistema Sub-crítico MT com HFC / LT com CO2 em Cascata Sistema Cascata: “Enviro-Cold CO2 System” – Bitzer Austrália CO2_Utilizado como Refrigerante – 53 Exemplo de Sistema Sub-crítico MT com HFC / LT com CO2 em Cascata Sistema Cascata: “Enviro-Cold CO2 System” – Bitzer Austrália CO2_Utilizado como Refrigerante – 54 Exemplo de Sistema Sub-crítico MT com HFC / LT com CO2 em Cascata Compressores Octagon serie K Condensador cascata Separador de óleo Centrífugo (Construído com reservatório de óleo) Tanque de líquido / separador de líquido Regulador de nível de óleo Traxon (Apropriada para altas pressões com CO2) Bomba semi-hermética de recirculação de líquido Válvulas de segurança (Os lados de HP e LP são protegidos) Coletores de distribuição de líquido Sistema Cascata: “Enviro-Cold CO2 System” – Bitzer Austrália CO2_Utilizado como Refrigerante – 55 Exemplo de Sistema Sub-crítico MT com HFC / LT com CO2 em Cascata Exterior Sala Máquina Compressores MT Condensador Resfriado a AR Tanque Líquido Circuito - CO2 Condensador CO2 Circuito MT com R404A Compressores CO2 Tanque Líquido -CO2 Loja Câmaras e Balcões de Média temperatura Ilhas e Câmaras Baixa temperatura CO2_Utilizado como Refrigerante – 56 Exemplo de Sistema Sub-crítico MT com HFC / LT com CO2 em Cascata Compressores Cascata com CO2 CO2_Utilizado como Refrigerante – 57 Exemplo de Sistema Sub-crítico MT com HC (R290)/ LT com CO2 em Cascata K1 Lokal Brugsen Juelsmindevej, Odense DTI / Super Køl A/S K.. K6 P P P C1 P C2 Propane (+30°C) P P Brine (-11°C) Propane (-14°C) CO2 (-10°C) Brine (-7°C) F1 P P P P C3 F2 F3 CO2 (-32°C) © Danish Technological Institute, Teknologiparken, DK-8000 Aarhus C, www.teknologisk.dk CO2_Utilizado como Refrigerante – 58 Exemplo de Sistema Sub-crítico MT com HC (R290)/ LT com CO2 em Cascata Compressores - R290 Compressor - CO2 © Danish Technological Institute, Teknologiparken, DK-8000 Aarhus C, www.teknologisk.dk CO2_Utilizado como Refrigerante – 59 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 * z Necessário utilizar trocador calor z 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. CO2_Utilizado como Refrigerante – 60 Temperaturas de Descarga Temperatura Descarga [°C] Modelo Compressor 2JC-3.2K, R744 160 140 120 -35 / -4 100 -33 / -20 80 -40 / 0 60 40 20 5 10 15 20 25 30 35 40 Superaquecimento na Sucção [K] CO2_Utilizado como Refrigerante – 61 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 z Isto evitará o retorno de CO2 líquido na sucção Temperatura do óleo acima de 20 °C Evitará rápida queda de pressão dentro do cárter CO2_Utilizado como Refrigerante – 62 Separador de Líquido 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! CO2_Utilizado como Refrigerante – 63 Sistemas em Cascata com CO2 Status atual 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) z 5 … 120 kW Refrigerantes utilizados nos estágios de MT z R404A, R134a, R717, R290, fluidos secundários z e desde 2005: todos os sistemas com CO2 CO2_Utilizado como Refrigerante – 64 Sistemas em Cascata com CO2 Comentários (1) CO2 como Fluido Secundário Possui um bom potencial nos sistemas indiretos para média (baixa) temperatura nas aplicações comerciais & industrial. z elevado calor latente e grande potencial de troca de calor z menor fluxo de massa, viscosidade muito baixa mesmo em baixa temperatura – resultando-se em: Î menor potência consumida no trabalho de bombeamento Î menor diâmetro da tubulação z quimicamente inativo, não inflamável, baixa toxidade Exigências especiais com relação: z elevados níveis de pressão z trocadores de calor, bombas & controles CO2_Utilizado como Refrigerante – 65 Sistemas em Cascata com CO2 Comentários (2) Experiência Operacional Os testes experimentais apresentaram bons resultados nas modificações das versões “standard” dos compressores semi-herméticos Octagon z Exigências especiais com relação aos elevados níveis de pressão – resistência dos materiais & lubrificantes z Os óleos polioéster apresentam características favoráveis z Os trabalhos de pesquisas ainda continuam Possui um elevado potencial energético aplicado em sistema cascata para baixa temperatura z elevada capacidade volumétrica de refrigeração e z características de performance constante ... O projeto do sistema torna-se mais compacto e econômico utilizando o CO2 CO2_Utilizado como Refrigerante – 66 Possíveis Aplicações Aplicação Trans-crítica com CO2 CO2_Utilizado como Refrigerante – 67 Operação Trans-crítica Uma opção para o Futuro? Vamos olhar mais de perto! CO2_Utilizado como Refrigerante – 68 Operação Trans-crítica Conteúdo Processo Trans-crítico com CO2 Avaliação do sistema Aplicação dos compressores para operação Trans-crítica com CO2 Sistema Paralelo para Supermercado CO2_Utilizado como Refrigerante – 69 Diagrama Pressão e Entalpia Operação Trans-crítica CO2_Utilizado como Refrigerante – 70 Exemplo de sistema para operação Trans-crítica com CO2 HX Resfriador gás HP ótima Válvula TX * Compressor Evaporador Separador líquido *Regulagem da válvula TX depende da pressão HP CO2_Utilizado como Refrigerante – 71 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 CO2_Utilizado como Refrigerante – 72 Processo Trans-crítico: Transferência de Calor O CO2 possui propriedades termodinâmica exclusivas Em comparação com os HCFCs (R22) e HFCs (R404A) o CO2 apresenta um menor DT (temperature approach) Referência: Skaugen G.: International Refrigeration Conference of Purdue, USA, 2000 CO2_Utilizado como Refrigerante – 73 Aplicação dos Compressores Operação Trans-crítica com CO2 Ciclo Trans-crítico CO2_Utilizado como Refrigerante – 74 Aplicação dos Compressores Operação Trans-crítica com CO2 4 cilindros Deslocamento: 12 m3/h @ 50 Hz Peso: 150 kg Máx. Pressão: HP 120 bar LP 75 bar (parada) Lubrificante: BSE 85 K CO2_Utilizado como Refrigerante – 75 Aplicação dos Compressores Operação Trans-crítica com CO2 Dados Técnicos LD LS Capac. Frigorífica Watt* 157 DN 18 DN 22 20400 165 DN 18 DN 22 (28) 26700 Deslocamento (1450 RPM) m3/h Peso kg 4JTC-15K 9.2 4HTC-20K 12.0 Tipo * Baseado em -7°C / Super 10 K / Saída resfriador gás 35°C / Trocador calor HX interno 140 max. SH 10 K Faixa de Aplicação Pressão descarga [bar] 120 100 min. Sup. 20 K 80 60 Sup. 20 K 40 20 10 20 30 40 50 60 Pressão sucção [bar] CO2_Utilizado como Refrigerante – 76 Rack Supermercado com Compressors 4HTC-20K para sistema Trans-crítico com CO2 Média pressão < 40 bar Referência: Haaf, Heinbokel, Dr. Gernemann.: Die Kälte & Klimatechnik, 02/2005 CO2_Utilizado como Refrigerante – 77 Rack Supermercado com Compressors 4HC4-20K para sistema Trans-crítico com CO2 (1) CO2_Utilizado como Refrigerante – 78 Rack Supermercado com Compressors 4HC4-20K para sistema Trans-crítico com CO2 (2) CO2_Utilizado como Refrigerante – 79 CO2 na Condição Trans-crítica vs. R22 Aplicação de Média Temperatura 900 Relação CO2 vs. R22 [%] 700 R22 / to -10°C, tc 45°C 160 R22 / to -10°C, tc 25°C CO2 / to -7°C, tg 35°C 140 CO2 / to -7°C, tc 22°C 600 120 500 100 400 80 300 60 200 40 100 20 Temperatura descarga [°C] 800 Condições: 180 Ambiente: 30°C / 10°C R22 simples estágio to -10°C, Δtoh 10 K tc 45°C / 25°C Δtsubc 2 K CO2 simples estágio to -7°C, Δtoh 10 K - melhor transf. calor - menor perda carga tg 35°C (30° ambiente) - Trocador HX interno tc 22°C (10° ambiente) - Δtsubc 2 K * eficiência isoentrópica 0 0 Referência R22 Cap. Frigorífica COP * Pressão Sucção Pressão Fluxo Massa Temp. Gás Descarga descarga ideal para R22 (0.7) CO2_Utilizado como Refrigerante – 80 Exemplo de sistema com operação Trans-crítica com CO2 Conceito de expansão Simples • p.e. Sistemas A/C, bomba calor HX Resf. gás Dispositivo TX * Evaporador Compressor Separador Líquido * Regulagem da válvula TX depende da pressão HP − não é possível controlar o superaquecimento no evaporador CO2_Utilizado como Refrigerante – 81 Exemplo de sistema com operação Trans-crítica com CO2 Conceito de Expansão Dupla • p.e. sistemas de refrigeração Válv. Reg. Pressão HP c (HX) Resf. gás d Tanque líquido Válvula TX * c d Evaporador Compressor Controle de alta pressão depende da TXV − é possível controlar o superaquecimento útil Válvula alívio pressão CO2_Utilizado como Refrigerante – 82 Comparação das Propriedades & Performance Sistema CO2 MT vs. R22 Condições de aplicação R22 30 CO2 Temp. ambiente [°C] 10 30 10 Temp. evaporação [°C] -10 -7 c Superaquecimento [K] 10 10 Temp. condensação [°C] Sub-resfriamento [K] Saída resf. gás N/A 22 c 2 N/A 2 [°C] N/A 35 N/A TC Líquido/Sucção [-] Não Sim Eficiência comp. [%] 70 70 45 25 c Menor DT devido à melhor transferência de calor e menor perda de carga com CO2 CO2_Utilizado como Refrigerante – 83 Comparação das Propriedades & Performance Sistema CO2 MT vs. RR404A Condições de aplicação R404A CO2 Temp. ambiente. [°C] 0 … 32 Temp. evaporação [°C] Superaquecimento [K] DT condensador [K] 13 N/A 10 / 9 c Sub-resfriamento [K] 2 N/A 2 Saída resf. gás d [K] N/A 5/3c N/A Trocador Líquido/sucção [-] Sim Sim Não Eficiência comp. [%] -7 c -10 10 c Tamanhos diferentes resf. gás / condensador 70 d Saída resf. gás vs. tem. ambiente. CO2_Utilizado como Refrigerante – 84 Comparação do COP – Sistema CO2 MT vs. R404A 120 COP relativo -- CO2 vs. R404A 110 Condensador DT 9 K R404A = 100% 100 Resf. Gás DT 3 K Condensador DT 10 K 90 80 Resf. Gás DT 5 K 70 60 CO2 trans-crítico CO2 sub-crítico P > 73,8 bar 50 0 5 10 15 20 25 30 35 Temperatura ambiente [°C] CO2_Utilizado como Refrigerante – 85 Dados de Performance do CO2 / R22 / NH3 com mesmo Deslocamento Volumétrico Capacidade Refrigeração -- CO2 / R22 / NH3 (Compressor com deslocamento de 220 m3/h) 450 Temperatura de condensação -10°C Capacidade Refrigeração [kW] 400 CO2 R22 NH3 350 300 250 200 150 100 50 0 -35 -40 -45 -50 Temperatura de evaporação [°C] CO2_Utilizado como Refrigerante – 86 Dados Performance Relativo do CO2 / R22 / NH3 com mesmo Deslocamento Volumétrico Relação da Capacidade Refrigeração -- CO2 / R22 / NH3 (R22 = 100%) 900 Capacidade Refrigeração Relativa [%] 800 Temperatura de condensação -10°C CO2 700 R22 NH3 600 500 400 300 200 100 0 -35 -40 -45 -50 Temperatura de evaporação [°C] CO2_Utilizado como Refrigerante – 87 Variação Relativa da Capacidade Refrigeração do CO2 / R22 / NH3 Variação Relativa da Capacidade de refrigeração -- CO2 / R22 / NH3 (Tevap 35°C = 100%) 120 Capacidade refrigeração Relativa [% ] Temperatura de condensação -10°C 100 CO2 R22 NH3 80 60 40 20 0 -35 -40 -45 -50 Temperatura de evaporação [°C] CO2_Utilizado como Refrigerante – 88