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CO2 (R-744) EM EQUIPAMENTOS DE REFRIGERAÇÃO COMERCIAL
CO2 (R-744) EM EQUIPAMENTOS DE REFRIGERAÇÃO COMERCIAL
Cláudio Melo, Ph.D.
alguns trabalhos da literatura
introdução
apresentação
sistemas comerciais de refrigeração com CO2
considerações finais
apresentaapresentaççãoão
alguns trabalhos da literatura
introdução
sistemas comerciais de refrigeração com CO2
considerações finais
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
História
Anemometria Laser Aplicação (Câmaras de Testes) Caracterização Termofísica de Líquidos e Gases Condensadores Tubo-AletaCondensadores Tubo-Arame Controles de Sistemas de Refrigeração Dispositivos de ExpansãoEscoamento MultifásicosEvaporadores Tubo-AletaEvaporadores No-FrostMancais Sistemas de Refrigeração com CO2Sistemas de Sucção e Descarga Tecnologias de Compressão Tubos CapilaresVentiladores
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.
Instalações
As instalações do POLO ocupam uma área de 2.500 m², onde estão abrigados os seguintes laboratórios:
introduintroduççãoãoalguns trabalhos da literatura
apresentaapresentaapresentaçççãoãoão
sistemas comerciais de refrigeração com CO2
conclusões
INTRODUÇÃO
Efeito Estufa -GWP-
Depleção da Camada
de Ozônio -ODP-CFCCFC
RR--1212 RR--113113
RR--1111
HCFCHCFCRR--141b141b
RR--134a134a
RR--2222
NaturaisNaturaisRR--600a600aRR--290290
RR--744744HFCHFC&&
A migração para novos fluidos refrigerantes vem sendo acompanhada por uma redução do consumo energético
INTRODUÇÃO
Refrigeradores Domésticos
375450
700550
1750
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
1972 1993 2001 2004 2007Ano
Kw
HkW
h
CFC s phaseout
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
INTRODUÇÃO
introduintroduintroduçççãoãoão
sistemas comerciais de refrigeração com CO2
considerações finais
alguns trabalhos da literatura
apresentaapresentaapresentaçççãoãoão
TRABALHOS DA LITERATURACOCO 22 APLICADO EM REFRIGERAAPLICADO EM REFRIGERAÇÇÃO COMERCIAL LEVE ÃO COMERCIAL LEVE The Transcritical CO2 Cycle in Light Commercial Refrigeration ApplicationsVeje, C. e Suss, J. – Danfoss publication
Consumo relativo ao baseline (R-134a) – condição CCooler Vendor
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
18% menor
37% menor
Consumo relativo ao baseline (R-134a) – condição C
Development of Transcritical R744 Systems for Small Commercial ApplicationsDeAngelis, J. e Pega, S. H. – IIR 2005 Vicenza Conference – Commercial Refrigeration
ANANÁÁLISE COMPARATIVA RLISE COMPARATIVA R--134a X CO134a X CO 22
TRABALHOS DA LITERATURA
• 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)
R-134a
R-290
R-744
O sistema com CO2 pode competir com
as tecnologias atualmente em
campo?
Estudos desenvolvidos no POLOCláudio Melo, Joaquim Gonçalves
EFICIÊNCIAEFICIÊNCIA
TRABALHOS DA LITERATURA
Ciclo Rankine com compressor ideal (isentrópico)e trocador de calor interno
Ideal Good Bad
.1isent,2
.)(
comp
comp
W
hhm −⋅=η
carnotcycle
COPCOPisentropic
=η cyclecompsystem ηηη ⋅=
Estudos desenvolvidos no POLOCláudio Melo, Joaquim Gonçalves
EFICIÊNCIAEFICIÊNCIA
A baixa eficiência do ciclo pode ser suplantada pela maior eficiência isentrópica.
TRABALHOS DA LITERATURA
32oC temperatura ambiente65% 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
(*) Dados provenientes de testes com uma Vending Machine
compressor cycle system
introduintroduintroduçççãoãoão
alguns trabalhos da literaturaalguns trabalhos da literaturaalguns trabalhos da literatura
considerações finais
sistemas comerciais de sistemas comerciais de refrigerarefrigeraçção com COão com CO 22
apresentaapresentaapresentaçççãoãoão
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;
ATIVIDADES ATIVIDADES DE PESQUISADE PESQUISA
DESENVOLVIMENTO DESENVOLVIMENTO DE PRODUTODE PRODUTO
Em parceria com empresas, novos
produtos são testados e
desenvolvidos
• cassetes;
• desenvolvimento e testes de compressores;
• adequação de sistemas ao novo fluido;
A necessidade de respostas fomenta a pesquisaA necessidade de respostas fomenta a pesquisa
A pesquisa dA pesquisa dáá suporte suporte ààs inovas inovaçções tecnolões tecnolóógicasgicas
DESENVOLVIMENTO DESENVOLVIMENTO DE PRODUTODE PRODUTO
ATIVIDADES ATIVIDADES DE PESQUISADE PESQUISA
Estudo dos fenômenos relativos a utilização do CO2 em sistemas de refrigeração
• tubos capilares;
ATIVIDADES ATIVIDADES DE PESQUISADE PESQUISA
ATIVIDADES DE PESQUISA
TUBOS CAPILARESTUBOS 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
PchokedCHOKED FLOW
ATIVIDADES DE PESQUISATubos capilares – modelação
Capacidade Térmica - Cp
Densidade - ρ
Tubos capilares – bancada experimental
ATIVIDADES DE PESQUISA
Tubos capilares – resultado
ATIVIDADES DE PESQUISA
0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.0080.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0.006
0.007
0.008
Vazão medida [kg/s]
Vaz
ão c
alcu
lada
[kg/
s]+10%
-10%
36 pontos experimentais
escoamento transcrítico de R744
modelo algébrico
Estudo dos fenômenos relativos a utilização do CO2 em sistemas de refrigeração
• tubos capilares;
• alternativas para o controle da pressão de alta;
ATIVIDADES ATIVIDADES DE PESQUISADE PESQUISA
ATIVIDADES DE PESQUISA
BREADBOARD COBREADBOARD CO22
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
Ciclo supercrítico – Desacoplamento PRESSÃO/TEMPERATURA
Pre
ssão
[ba
r]
ATIVIDADES DE PESQUISA
Para cada condição de operação, existe
uma pressão de descarga ótima que maximiza o COP do
sistema.
Ciclo supercrítico – pressão ótima de descarga
ATIVIDADES DE PESQUISA
Arranjos diferenciados de ciclo, com adição de novos componentes para permitir o controle da pressão de alta e uma alimentação adequada do evaporador.
Ciclo supercrítico – ciclos modificados
CONTROLE DA PRESSÃO DE ALTACONTROLE DA PRESSÃO DE ALTA
ATIVIDADES DE PESQUISA
),/(),( TmVpTvpp ==
Breadboard CO2
EVAPORATOR
5°C
V
T
T GAS
COOLER
M 32°C
T
T
V
Oil metering
iHEX
P
T
P
T
T
T
V
M
0.000g
T P
P T
T
T
T T
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;
ATIVIDADES ATIVIDADES DE PESQUISADE PESQUISA
CCÓÓDIGOS COMPUTACIONAISDIGOS COMPUTACIONAIS
OBJETIVO:
Desenvolver uma ferramenta capaz
de simular o comportamento de
sistemas de refrigeração, diminuindo
a necessidade de trabalhos
experimentais.
Dr. Joaquim Manuel Gonçalves
ATIVIDADES DE PESQUISA
• Trocadores de calor;
• Tubos capilares;
• Gabinete
Softwares
ATIVIDADES DE PESQUISA
DESENVOLVIMENTO DESENVOLVIMENTO DE PRODUTODE PRODUTO
Em parceria com empresas, novos
produtos são testados e
desenvolvidos
• cassetes;
CASSETTESCASSETTES
OBJETIVO:
Desenvolvimento de cassettes para aplicação em beverage coolers.
Dr. Jackson Braz Marcinichen
DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO
Norma Coca-Cola
DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO
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/hPerda 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
Normas Coca-Cola (SE-SP-200/201 e SE-PR-202 a 204)
COP mínimocondição “C” (32,2 ºC/65 %)
Tamanho COP mínimo
pequeno 1,00
médio 1,20
grande 1,25
Capacidade de refrigeraçãocondição “D” (40,5 ºC/75 %)
Capacidade de refrigeração, W
Tamanho Tr = 2 ºC MédiaTr = 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
DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO
AMCA 210-99 Standard
Resultado típico
0
10
20
30
40
50
60
150 175 200 225 250 275 300 325Vazão, m³/h
Pre
ssão
est
átic
a, P
a EcoHeatCraftCoca-Cola
Hex AHex BNormalizado
Capacidade de refrigeração e COP: Calorímetro
DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO
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
DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO
Capacidade de refrigeração
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
200
240
280
320
360
400
300 350 400 450 500Carga de CO2, g
Cap
acid
ade
de re
frig
eraç
ão ,
W
Capilar #1
Capilar #2
Capilar #3
Resultado típico fornecido pelo calorímetro
DESENVOLVIMENTO DESENVOLVIMENTO DE PRODUTODE PRODUTO
Em parceria com empresas, novos
produtos são testados e
desenvolvidos
• cassetes;
• desenvolvimento e testes de compressores;
CALORCALORÍÍMETRO PARA TESTES METRO PARA TESTES DE COMPRESSORESDE COMPRESSORES
OBJETIVO:
Caracterização termodinâmica
de compressores de
refrigeração para subsidiar
programas de simulação.
DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO
compressor de CO2
Calorímetro
DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO
Calorímetro
Curvas de caracterização de compressores
Comparação
entre os resultados
obtidos no POLO
e na Embraco
DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO
DESENVOLVIMENTO DESENVOLVIMENTO DE PRODUTODE PRODUTO
Em parceria com empresas, novos
produtos são testados e
desenvolvidos
• cassetes;
• testes de compressores em calorímetro;
• Adequação de sistemas ao novo fluido;
AdequaAdequaçção de sistemas ão de sistemas para utilizapara utilizaçção com COão com CO22
OBJETIVO:
Adequação de
sistemas para a
operação com CO2 .
DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO
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
CA
TÁLO
GO
DE
SELE
ÇÃ
O
DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO
Parceria científica
Linha de produção capaz de suprir a demanda inicial de compressores para testes em campo
DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO
DESENVOLVIMENTO DE PRODUTOTestes comparativos diretos de compressores
DESENVOLVIMENTO DE PRODUTOTestes 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?)
DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO
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
DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO
Testes DN 5000
Compressores testados
CO2
2ª geração
CO2
1ª geração
R134a R290
DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO
Testes DN 5000
DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO
EFFICIENCIES @ 32°C
compressor cycle system
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
DESENVOLVIMENTO DE PRODUTOConservação de sorvete
Resultado:otimização de comprimento do tubo capilar e carga de refrigerante
2,0m
3,0m
3,5m
4,0m
DESENVOLVIMENTO DE PRODUTOConservação de sorvete
Resultado:Comparação original (R-404A) X solução drop-in (R-744)
DESENVOLVIMENTO DE PRODUTOConservação de sorvete
Queda da eficiência em altas temperaturas ambiente
Avaliação honesta: sazonalidade
DESENVOLVIMENTO DE PRODUTOConservação de sorvete
Regiões com alta temperatura ambiente
introduintroduintroduçççãoãoão
alguns trabalhos da literaturaalguns trabalhos da literaturaalguns trabalhos da literatura
consideraconsideraçções finaisões finais
apresentaapresentaapresentaçççãoãoão
sistemas comerciais de refrigerasistemas comerciais de refrigerasistemas comerciais de refrigeraççção com COão com COão com CO222
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.
C l á u d i o M e l o .melo@polo.ufsc.br
Universidade Federal de Santa CatarinaDepartamento de Engenharia Mecânica 88040-900 - Florianópolis - SC - BRASIL
Fone: +55 (48) 3721.9397 / Fax: +55 (48) 3234.5166
Universidade Federal de Santa Catarina
Laboratórios de Pesquisa em Refrigeração e TermofísicaResearch Laboratories for Emerging Technologies in Refrigeration and Thermophysics
Empresa Brasileira de Compressores
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