Seminário de Difusão sobre Uso de Refrigerantes

Transcrição

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.)
Dióxido de Carbono (CO2)
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???
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
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
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
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.
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
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
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
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]
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…
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”
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)
Processo de Refrigeração Sub-Crítico
Processo de Refrigeração Trans-crítico
Resfriamento do gás
Controle
de Pressão?
Processos Termodinâmicos com CO2
TRANSCRÍTICO
COMBINAÇÃO
2-ESTÁGIOS
SUB-CRÍTICO
Sistema Cascata com CO2 – exemplo (1)
R134a, R404A,…
CO2
R290, R1270,…
* ou HFC / HC
Exemplo de Sistema Sub-crítico
MT com HFC / LT com CO2 em Cascata (2)
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
Escolha do Fluido Refrigerante
???
R22
R134a
R404A/R507
R407C
R417A
R410A
Amônia
Hidrocarbonetos
CO2
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:
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
= 500 * 1/3600*1*4,187*5
2.91
= KW
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
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
Características construtivas dos compressores
Semi-Herméticos Octagon para CO2
Controle
Capacidade
(Opcional)
C3

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
Características
z
Cabeçote com mufla integrada
Sucção
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
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
KP-120-2
Compressores
alternativos
Semi-herméticos
para CO2
“Sistema
Cascata”
Nomenclatura
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)
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
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
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]
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]
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]
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
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%
Recomendações especiais para o projeto (1)
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!
Pressão de 50 kg CO2 com Volume de 150 l
@ diferentes temperaturas
57,00
12,00
Pressões durante o tempo de parada
Octagon série K: Nível máximo de pressão permitido
Lado de Sucção:
Lado descarga:
25 bar
40 bar
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)
MT com HFC / LT com CO2 em Cascata
Sistema DX para LT
Baixa Temp. DX
para o sistema R404A
Trocador de calor
inter-estágio
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
Sistema Cascata: “Enviro-Cold CO2 System” – Bitzer Austrália
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
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
Compressores
Cascata com
CO2
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
MT com HC (R290)/ LT com CO2 em Cascata
Compressores - R290
Compressor - CO2
© Danish Technological Institute, Teknologiparken, DK-8000 Aarhus C, www.teknologisk.dk
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.
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]
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
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!
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
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
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
Possíveis Aplicações
Aplicação Trans-crítica com CO2
Operação Trans-crítica
Uma opção para o Futuro?
Vamos olhar mais
de perto!
Conteúdo
Processo Trans-crítico com CO2
Avaliação do sistema
Aplicação dos compressores para operação Trans-crítica com CO2
Sistema Paralelo para Supermercado
Diagrama Pressão e Entalpia
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
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 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
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 bar
LP 75 bar (parada)
Lubrificante:
BSE 85 K
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]
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
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)
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)
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
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
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
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.
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]
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]
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
CO2
700
R22
NH3
600
500
400
300
200
100
0
-35
-40
-45
-50
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 [% ]
100
CO2
R22
NH3
80
60
40
20
0
-35
-40
-45
-50