Seminário de Difusão sobre Uso de Refrigerantes

Transcrição

CO
CO22 (R-744)
(R-744) EM
EM EQUIPAMENTOS
EQUIPAMENTOS DE
DE
REFRIGERAÇÃO
REFRIGERAÇÃO COMERCIAL
COMERCIAL
Cláudio Melo, Ph.D.

apresentação

introdução

alguns trabalhos da literatura

sistemas comerciais de refrigeração com CO2

considerações finais
apresentação

introdução

História
POLO - Laboratórios de Pesquisa em Refrigeração e Termofísica
• parceria de 24 anos entre o Departamento de Engenharia Mecânica da
Universidade Federal de Santa Catarina e a EMBRACO, Empresa Brasileira de
Compressores
• apoio das agências governamentais de fomento à pesquisa e pós-graduação,
FINEP, CNPq e CAPES
68 dissertações de mestrado
21 teses de doutorado
307 trabalhos completos em anais de congressos
48 artigos em periódicos indexados
Instalações
As instalações do POLO ocupam uma área de 2.500 m², onde estão abrigados os
seguintes laboratórios:

Anemometria Laser
Aplicação (Câmaras de Testes)
Caracterização Termofísica de Líquidos e Gases
Condensadores Tubo-Aleta
Condensadores Tubo-Arame
Controles de Sistemas de Refrigeração
Dispositivos de Expansão
Escoamento Multifásicos
Evaporadores Tubo-Aleta
Evaporadores No-Frost
Mancais
Sistemas de Refrigeração com CO2
Sistemas de Sucção e Descarga
Tecnologias de Compressão
Tubos Capilares
Ventiladores
As instalações abrigam ainda diversas salas para alunos, pesquisadores e professores, salas de
aula e treinamento, auditório, oficina de protótipos, sala de máquinas, almoxarifado e depósitos.

apresenta
apresentaçção
ão

conclusões
introdução
INTRODUÇÃO
R-11
CFC
R-12
Depleção da
Camada
de Ozônio
-ODP-
Efeito
Estufa
-GWP-
R-113
R-22
HCFC
HFC
R-134a
&
R-141b
R-744
Naturais
R-290
R-600a
INTRODUÇÃO
A migração para novos fluidos refrigerantes vem sendo acompanhada
por uma redução do consumo energético
Refrigeradores Domésticos
2000
1800
1750
1600
KwH
kWh
1400
1200
1000
800
700
600
550
450
400
375
200
0
1972
1993
CFC s phaseout
2001
Ano
2004
2007
INTRODUÇÃO
Panorama histórico do uso do CO2
Ápice, decadência ...
Percentual da utilização de CO2 como
fluido refrigerante primário em instalações
de transporte marítimo.
… e revival
Número de papers sobre CO2
apresentados na IIR-Gustav
Lorentzen Conference on Natural
Working Fluids

apresenta
apresentaçção
ão

introdu
introduçção
ão

TRABALHOS DA LITERATURA
CO2 APLICADO EM REFRIGERAÇÃO COMERCIAL LEVE
The Transcritical CO2 Cycle in Light Commercial Refrigeration Applications
Veje, C. e Suss, J. – Danfoss publication
Cooler
Consumo relativo ao baseline (R-134a) – condição C
Vendor
18%
menor
37%
menor
O sistema de CO2 recebeu as seguintes
melhorias em relação ao baseline R-134a
• gas-cooler e trocador interno tipo micro-canal
• válvula de controle de pressão de alta
• evaporador aletado adequado à alta pressão
O controle da pressão de alta
mostrou-se um fator importante
para condições ambiente variáveis
ANÁLISE COMPARATIVA R-134a X CO2
Development of Transcritical R744 Systems for Small Commercial Applications
DeAngelis, J. e Pega, S. H. – IIR 2005 Vicenza Conference – Commercial Refrigeration
•
•
•
•
Baseline R-134a comparado com 3 configurações (BC1, BC2, BC3) para R-744
Todos com capacidade de refrigeração aproximada de 1kW
Configuração BC1 serviu apenas para teste de conceito (gas-cooler de 10kW parcialmente bloqueado)
Configuração BC3 empregou a melhor combinação de componentes
Configuração BC2 para R-744 com evaporador aletado de baixo custo (convencional)
RESULTADOS
Melhoria relativa no COP
A comparação poderia ser
melhorada com o uso de
tecnologias semelhantes para o
baseline (R-134a)
EFICIÊNCIA
Estudos desenvolvidos no POLO
Cláudio Melo, Joaquim Gonçalves
O sistema com CO2
pode competir com
as tecnologias
atualmente em
campo?
R-134a
R-290
R-744
Ciclo Rankine com compressor ideal (isentrópico)
e trocador de calor interno
Ideal
Good
Bad
EFICIÊNCIA
Estudos desenvolvidos no POLO
Cláudio Melo, Joaquim Gonçalves
(*)
Dados provenientes de testes com uma Vending Machine
32oC temperatura ambiente
65% umidade relativa
Maximizar a eficiência isentrópica através da utilização de
um compressor totalmente desenvolvido para o uso com
CO2, de forma a obter uma eficiência final competitiva
compressor
cycle
system
.
ηcomp =
m⋅ (h 2, isent − h1)
.
Wcomp
ηcycle =
COPisentropic
COPcarnot
ηsystem = ηcomp ⋅ηcycle
A baixa eficiência do ciclo pode ser suplantada pela maior eficiência isentrópica.

apresenta
apresentaçção
ão

introdu
introduçção
ão

alguns
alguns trabalhos
trabalhos da
da literatura
literatura

sistemas comerciais de
refrigeração com CO2
ATIVIDADES
DE PESQUISA
Estudo dos
fenômenos
relativos a
utilização do CO2
em sistemas de
refrigeração
• tubos capilares;
• alternativas para o controle da pressão de alta;
• simulação de componentes e sistemas;
• cassetes;
• desenvolvimento e testes de compressores;
• adequação de sistemas ao novo fluido;
Em parceria com
empresas, novos
produtos são
testados e
desenvolvidos
DESENVOLVIMENTO
DE PRODUTO
A pesquisa dá suporte às inovações tecnológicas
ATIVIDADES
DE PESQUISA
DESENVOLVIMENTO
DE PRODUTO
A necessidade de respostas fomenta a pesquisa
ATIVIDADES
DE PESQUISA
Estudo dos
fenômenos
relativos a
utilização do CO2
em sistemas de
refrigeração
ATIVIDADES DE PESQUISA
TUBOS CAPILARES
OBJETIVO:
Avaliar as particularidades da
aplicação de tubos capilares como
dispositivo de expansão em ciclos
transcríticos de refrigeração.
Trabalho de Mestrado
Eng. Diogo Lôndero da Silva
Tubos capilares – modelação
Capacidade Térmica - Cp
Densidade - ρ
Pchoked
CHOKED FLOW
Tubos capilares – bancada experimental
Tubos capilares – resultado
0.008
modelo algébrico
+10%
escoamento transcrítico de R744
0.007
36 pontos experimentais
-10%
Vazão calculada [kg/s]
0.006
0.005
0.004
0.003
0.002
0.001
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
Vazão medida [kg/s]
0.006
0.007
0.008
ATIVIDADES
DE PESQUISA
Estudo dos
fenômenos
relativos a
utilização do CO2
em sistemas de
refrigeração
BREADBOARD CO2
OBJETIVO:
Avaliar alternativas para o
controle da pressão do lado de
alta e para o processo de
expansão do fluido refrigerante
no circuito.
Trabalho de Doutorado
Eng. Gustavo Portella Montagner
Pressão [bar]
Ciclo supercrítico – Desacoplamento PRESSÃO/TEMPERATURA
Ciclo supercrítico – pressão ótima de descarga
Para cada condição
de operação, existe
uma pressão de
descarga ótima que
maximiza o COP do
sistema.
Ciclo supercrítico – ciclos modificados
CONTROLE DA PRESSÃO DE ALTA
p = p(v, T ) = p (V / m, T )
Arranjos diferenciados
de ciclo, com adição
de novos componentes
para permitir o
controle da pressão de
alta e uma
alimentação adequada
do evaporador.
Breadboard CO2
T
T
P
T
P
iHEX
Oil metering
T
T
T
T
T
V
T
E
V
A
P
O
R
A
T
O
R
M
V
G
A
S
C
O
O
L
E
R
0.000g
T
T
M
32°C
5°C
T
T
P
P
T
V
ATIVIDADES
DE PESQUISA
Estudo dos
fenômenos
relativos a
utilização do CO2
em sistemas de
refrigeração
• simulação de componentes e sistemas;
CÓDIGOS COMPUTACIONAIS
OBJETIVO:
Desenvolver uma ferramenta capaz
de simular o comportamento de
sistemas de refrigeração, diminuindo
a necessidade de trabalhos
experimentais.
Dr. Joaquim Manuel Gonçalves
Softwares
• Trocadores de calor;
• Tubos capilares;
• Gabinete
• cassetes;
Em parceria com
empresas, novos
produtos são
testados e
desenvolvidos
DESENVOLVIMENTO
DE PRODUTO
DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO
CASSETTES
OBJETIVO:
Desenvolvimento de cassettes
para aplicação em beverage
coolers.
Dr. Jackson Braz Marcinichen
Norma Coca-Cola
Normas Coca-Cola
(SE-SP-200/201 e SE-PR-202 a 204)
As normas Coca-Cola estabelecem critérios de
desempenho para cassetes com relação a
vazão do lado do ar através do evaporador, a
capacidade de refrigeração (Qe) e o
coeficiente de performance (COP) para
ambientes em condições distintas de
temperatura e umidade relativa.
Vazão do lado do ar
Vazão, m3/h
Perda de carga, Pa
Pequeno
Médio
Grande
254,9
339,8
679,6
0,0
212,4
288,8
552,2
24,9
190,3
263,3
487,6
37,3
COP mínimo
condição “C” (32,2 ºC/65 %)
Tamanho
COP mínimo
pequeno
1,00
médio
1,20
grande
1,25
Capacidade de refrigeração
condição “D” (40,5 ºC/75 %)
Capacidade de refrigeração, W
Tamanho
Tr = 2 ºC
Média
Tr = 2 ºC, 20 oC e 38 oC
pequeno
230
500
médio
380
900
grande
520
1300
Avaliação do desempenho hidrodinâmico do cassette: túnel de vento
Resultado típico
60
AMCA 210-99
Standard
Pressão estática, Pa
50
Eco A
Hex
HeatCraft
Hex B
Coca-Cola
Normalizado
40
30
20
10
0
150
175
200
225
250
Vazão, m³/h
275
300
325
Capacidade de refrigeração e COP: Calorímetro
câmara de poliuretano
acoplamento cassete-calorímetro
duto de insuflamento:
- banco de resistências elétricas para controle da carga térmica.
- ventilador auxiliar e damper para controle da perda de carga.
geração das condições de contorno para testes de pulldown e de
consumo de energia
Capacidade de refrigeração e COP: Calorímetro
Teste
Tr [°C]
Carga [g]
Qe [W]
COP
1
2,0
405
395,9
0,75
2
20,0
405
581,9
1,00
3
38,0
405
603,2
1,01
Qe_média = 527,0 W > 500 W
Coeficiente de performance
Capilar
Tr [°C]
Carga [g]
Qe [W]
COP
#1
2,0
405
544,2
1,10 > 1,00
Capacidade de refrigeração , W
Resultado típico fornecido pelo calorímetro
Capacidade de refrigeração
400
360
320
280
Capilar #1
Capilar #2
240
Capilar #3
200
300
350
400
Carga de CO2, g
450
500
• cassetes;
• desenvolvimento e testes de compressores;
Em parceria com
empresas, novos
produtos são
testados e
desenvolvidos
DESENVOLVIMENTO
DE PRODUTO
CALORÍMETRO PARA TESTES
DE COMPRESSORES
OBJETIVO:
Caracterização termodinâmica
de compressores de
refrigeração para subsidiar
programas de simulação.
Calorímetro
compressor de CO2
Calorímetro
Curvas de caracterização de compressores
Comparação
entre os
resultados
obtidos no POLO
e na Embraco
• cassetes;
• testes de compressores em calorímetro;
• Adequação de sistemas ao novo fluido;
Em parceria com
empresas, novos
produtos são
testados e
desenvolvidos
DESENVOLVIMENTO
DE PRODUTO
Adequação de sistemas
para utilização com CO2
OBJETIVO:
Adequação de
sistemas para a
operação com CO2.
Parceria científica
CATÁLOGO DE SELEÇÃO
O compressor de CO2 tem sido testado em
diferentes sistemas com resultados
encorajadores: COP e/ou consumo energético
melhor (5-10%) ou equivalente aos
respectivos compressores baseline sob
mesmas condições de teste
Parceria científica
Linha de produção capaz de suprir a demanda inicial de
compressores para testes em campo
Testes comparativos diretos de compressores
Testes comparativos diretos de compressores
CO2 surge como uma alternativa Drop-in para fluidos refrigerantes
com alto GWP (global warming potential)
Driving principle:
• “ASAP” ( “as simple as possible” ) design
Requisitos mandatórios:
• Preço acessível
• Cobertura geográfica e de aplicação
• Ser tão eficiente quanto as tecnologias atuais
Tecnologias competitivas ao CO2:
• Máquina Stirling (performance e custo?)
• Hidrocarbonetos (restrições geográficas de aplicação?)
• Refrigerantes com baixo GWP em desenvolvimento (tempo de desenvolvimento?)
Testes DN 5000
Unidade do tipo Vending-Machine da marca DIXIE-NARCO
405 latas de refrigerante / capacidade de refrigeração de 600 W
Fluido refrigerante original – R134a, carga de 400g
Testes DN 5000
Compressores testados
R134a
R290
CO2
CO2
1ª geração
2ª geração
Testes DN 5000
EFFICIENCIES @ 32°C
compressor
cycle
system
Conservação de sorvete
Característica do sistema: LBP
Original:
•
•
•
•
•
•
Chest freezer
350 litros
R404A compressor recíproco (477W @-23.3C/54.4oC)
Evaporador – skin (tube on plate)
Condensador – pre-condensador (convecção forçada) + condensador skin.
Tubo capilar (3.25m x 0.6 mm i.d.) x linha de sucção HEx (1.5m)
CO2 drop-in:
• CO2 compressor recíproco (360W @-23.3C/85bar)
• Evaporador original – skin (tube on plate)
• Condensador (gas cooler) original – pre-gas cooler
(convecção forçada) + condensador skin
• Tubo capilar x linha de sucção Hex ajustado
Resultado:
otimização de comprimento do tubo capilar e carga de refrigerante
2,0m
3,0m
4,0m
3,5m
Resultado:
Comparação original (R-404A) X solução drop-in (R-744)
Queda da eficiência em altas
temperaturas ambiente
Avaliação honesta: sazonalidade
Regiões com alta temperatura ambiente

apresenta
apresentaçção
ão

introdu
introduçção
ão

alguns
alguns trabalhos
trabalhos da
da literatura
literatura

sistemas
sistemas comerciais
comerciais de
de refrigera
refrigeraçção
ão com
com CO
CO22
CONSIDERAÇÕES FINAIS
• É possível desenvolver sistemas comerciais de CO2
com performance igual ou superior a dos produtos
existentes no mercado
•É possível desenvolver sistemas comerciais de CO2
dentro de uma estratégia drop-in, bastando para tanto
o ajuste do capilar e da carga de refrigerante
• É 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.
Universidade Federal de Santa Catarina
Laboratórios de Pesquisa em Refrigeração e Termofísica
Research Laboratories for Emerging Technologies in Refrigeration and Thermophysics
Empresa Brasileira de Compressores
Cláudio Melo
[email protected]
Universidade Federal de Santa Catarina
Departamento de Engenharia Mecânica
88040-900 - Florianópolis - SC - BRASIL
Fone: +55 (48) 3721.9397 / Fax: +55 (48) 3234.5166
.