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