APLICAÇÕES DO CO2 NO SETOR AUTOMOTIVO
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APLICAÇÕES DO CO2NO SETOR AUTOMOTIVO
Enio P. Bandarra Filho – [email protected]
Universidade Federal de Uberlândia - UFUFaculdade de Engenharia Mecânica - FEMEC
Laboratório de Energia e Sistemas Térmicos–LEST
Introdução
Ar Condicionado Automotivo
Resultados e Comparações CO2 e R-134a
Análise e Projeção de Mercado para Ar Condicionado Automotivo
Visualização do Escoamento no Interior de Trocadores de Calor tipo Microcanais
Considerações Finais
SUMÁRIO
CO2 não é um novo refrigerante, já foi proposto como refrigerante em 1850.
Pico de utilização como fluido refrigerante em sistemas de refrigeração nos anos de 1920 e 1930.
Com a introdução dos compostos halogenados, seu uso foi suprimido.
Década de 90, ressurgiram as discussões para uso do CO2, devido às características ecológicas (ODP e GWP), juntamente com Hidrocarbonetos e Amônia.
Histórico
CO2 não é um refrigerante tóxico. (Torna-se tóxico em grandes concentrações)
Não é inflamável.
Possui duplo Papel no meio ambiente: é necessário à vida na terra, mas também colabora, em menor escala, para o efeito estufa.
Concentração no ar atmosférico aproximadamente entre 0,03 e 0,06% (Vol.)
Características
Capacidade Volumétrica de Ref.(Relativa)
Fluido Natural
Potential de Destruição do Ozônio
Potential de Aquec. Global 100 anos20 anos
Temperatura Crítica em °C
Pressão Crítica em MPa
Inflamável ou explosivo
Tóxico
Preço aproximado relativo
R12
Não
1,0
71007300
112
4,16
Não
1
1
Não
R22
Não
0,05
15004100
96,2
4,99
Não
Não
1
1.6
R134a
Não
0
13003200
101,2
4,07
Não
4
1
Não
CO2
Sim
0
1 (0)1 (0)
31,1
7,38
Não
Não
0,1
8,4
Refrigerante
Algumas características de refrigerantes halogenados e CO2
Algumas características de refrigerantes halogenados e CO2
Refrigerante R12 R134a CO2
Agressor da Camada de Ozônio SIM NÃO NÃO
Potencial de Aquecimento Global GWP=8100 GWP=1300 GWP=1
Emissão de CO2 – Operação (consumo de comb. e vazamento)
2600 kg/carro 2600 kg/carro 1800 kg/carro
Emissão de CO2 equivalente 8100 kg/carro 1300 kg/carro 0,5 kg/carro
TOTAL 10700 kg/carro 3900 kg/carro 1800 kg/carro
Redução de 2/3 Redução de 1/2
R134aGWP 1300
EU 2011GWP < 150
R152a - 120Blend ‘H’ > 10
DP-1 > 40Auto AC-1 < 150
HoneyDu - ?
CO2GWP 1
Comparativo
Os Automóveis são responsáveis por 10% de toda a emissão dos gases que colaboram com o efeito estufa
Esse número tende a crescer, pois cada vez mais carros saem de fábrica com sistema de A/C.
Os atuais sistemas de A/C colaboram ainda mais com o total de emissões, através de vazamentos, consumo de combustível e também para recuperar e reciclar o fluido refrigerante.
Efeito Estufa
Aspectos de Segurança
0,03 a 0,06% - Concentração no ar atmosférico
2% - 50% de aumento na taxa de respiração
3% - Limite de exposição de 10 minutos; 100% de aumento na taxa de respiração
5% - 300% de aumento na taxa de respiração, dor de cabeça (Obs: Isto é tolerado pela maioriadas pessoas, mas há excessões.
8% - Curto tempo de exposição
Aspectos de Segurança
8-10% - Dor de cabeça após 10 ou 15 minutos. Zumbido nos ouvidos, aumento napressão sanguínea, aumento da frequênciacardíaca, excitação e náusea.
10-18% - Após poucos minutos de exposição, situação similar ao ataque epilético, perda daconsciência e entrada em estado de choque.
18-20% - Sintomas similares aqueles de um derrame.
Comparativo
Configuração de Trocador de Calor Interno
Configuração de Trocador de Calor – Gas Cooler
Padrões de Escoamento observados no LTCM daEPFL para tubos com D=0,79 mm Microcanaiscom G= 500 kg/m2s na saída do Evaporador
(a) Bolhas com x=3% (b) Bolhas/Slug com x=4%
(c) Slug com x=5% (d) Slug/Semi-anular com x=11%
(e) Semi-anular com x=24% (f) Anular ondulado com x=73%
(f) Anular Liso com x=73%Revellin, Thome et al., Int. J. Multiphase Flow, Vol. 32, pp. 755-774, 2006.
Coe
f. Tr
ansf
. de
Cal
or–
kW/m
2 .o C
Título
Cheng, Ribatski e Thome (2007)
Modelo para cálculo do hem Evaporador com CO2
Resultados ComparativosC
OP
Temperatura do Ar (Condensador / Gas Cooler)
Estados Unidos - 2002
21%
30%
34%34%
51%60%
Resultados Comparativos
Estados Unidos - 2002
Gas Cooler
Temperatura do Ar (Condensador / Gas Cooler)
Ger
ação
de E
ntro
pia
/C
apac
idad
ede
Ref
riger
ação
(x 1
0-4 .K
-1)
Evaporador Evaporador
Condensador
Geração Total
Geração Total
Estados Unidos - 2002
Resultados – Efeito da Carga de CO2
Carga de Refrigerante - gramas
CO
P
Cap
acid
ade
de R
ef. e
Pot
ênci
a -k
W
Consumo de Potência do Compressor
Capacidade de Refrigeração
Rotação compressor: 1800 rpmTemperatura do ar no Gas Cooler: 35oCVelocidade face Gas Cooler: 4,5m/sVelocidade face Evaporador: 2,5 m/sUmidade: 50%
China - 2005
Carga de Refrigerante - gramas
Vazã
o de
CO
2–
kg/s
Títu
lo
Título de entradaVazão de CO2
Resultados – Efeito da Carga de CO2
Carga de Refrigerante - gramas
Pres
são
-Bar
Tem
pera
tura
-o C
COP
Capacidade de Refrigeração
Potência de Compressão
Efeito da Pressão de Descarga do Compressor
Pressão de Saída Evaporador - Bar
CO
P
Cap
acid
ade
de R
ef. e
Pot
ênci
a -k
W
COPCapacidade de RefrigeraçãoPotência de compressão
Efeito da Pressão de Saída do Evaporador
Temp. Entrada de Ar no Gas Cooler - oC
Cap
acid
ade
de R
efrig
eraç
ão –
kW
CO
P
COP com 2,5 m/sCapacidade de refrig.com 2,5 m/s
Capacidade 1,4 m/s
COP a 1,4 m/s
Efeito da Temperatura do Ar na Entrada Gas Cooler
Velocidade do Ar – Gas Cooler (m/s)
Cap
acid
ade
de R
ef. e
Pot
ênci
a –
kW
CO
PCOPCapacidade de Refrig.
Potência de Compressão
Efeito da Velocidade de Face do Ar no Gas Cooler
Comparação R134a x CO2
Temperatura Inicial da cabine: 75oCSol: 1000 W/m2
Temperatura Ambiente: 40oC
Tem
po e
m M
inut
os Zona de Conforto
Desconforto ‘’Quente’’
Desconforto ‘’FRIO’’
Tem
pera
tura
não
éat
ingi
da
Temperatura na cabine
CO
2
CO
2
CO
2
CO
2
Série 3
Comparação R134a x CO2
Tempo em Minutos
Tem
pera
tura
5 10 15 20 25 30
Redução de tempo: 50%
R134a – CabineCO2 - Cabine
R134a – Saída de ArCO2 – Saída de Ar
Resumo dos Testes
O sistema com CO2 mostrou melhor desempenho para atingir a temperatura desejada,
Alcança valores reduzidos da temperatura da cabine,
Elevado potencial no desenvolvimento de componentes com melhor desempenho,
Redução no consumo de combustível comparado ao sistema com R-134a.
Comparação R134a x CO2 – 1000cm3
Teste com 43oC, 40% de umidade e carga de 1000 W/m2
R134a: Em 10 min a temperatura na saída do Evaporador era 12oC
CO2: Sistema teve uma melhora de desempenho. Em 10 minutos a temperatura de saída do Evaporador era 6oC
Tsaída Evap. CO2Tsaída Evap. R-134aTmédia Int. CO2Tmédia Int. R-134a
Parado
Tem
pera
tura
do
Ar -
o C
Comparação R134a x CO2 – 1000cm3
Testes nas mesmas condições anterioresCO2 foi levado às mesmas condições do R134a
Parado
Tempo em segundos
- 4,5%
- 5,5%
Tem
pera
tura
do
Ar -
o C
Comparação R134a x CO2 – 1000cm3
Comparação com Temperatura de 45oC
COP médio (900-1200s) = 2,52
COP médio (900-1200s) = 2,0R134a
CO2
Resumo dos Testes
Sistema com CO2 para Veículos de baixa potência provou ser viável e pode ser projetado com os componentes padrões.
Consumo de combustível em média 5% menor com o CO2. Isso pode levar a uma redução na emissão de CO2 pelo escapamento entre 6 e 10 g/km.
Isso leva a crer que a medida que forem projetados equipamentos melhores, a tendencia é de maior vantagem para utilização do CO2.
Elastômeros para uso com CO2
Lado Baixa Pressão Lado Alta PressãoSaída do Gas Cooler
Lado Alta PressãoSaída do Compressor
Vazamento de 0,5 g/ano
Vaza
men
to d
e C
O2
–g/
ano
Comparação – Tipo de Óleo CO2
Condições de Ensaio
Compressor (RPM)
Pressão Sucção, P1
Pressão Descarga, P2
Veloc. Face no Evaporador
Temp. Ar entrada Evaporador
Veloc. Face Gas Cooler
Temp. Ar entrada Gas Cooler
Temp. Ambiente - Compressor
Condições de EnsaioCondições de Ensaio
Compressor (RPM)
Pressão Sucção, P1
Pressão Descarga, P2
Veloc. Face no Evaporador
Temp. Ar entrada Evaporador
Veloc. Face Gas Cooler
Temp. Ar entrada Gas Cooler
Temp. Ambiente - Compressor
CO
P
Projeção Carros com A/C de fábrica
1988 1992 1996 2000 2004 2008 20120
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
A
% V
eícu
los
com
Ar C
ondi
cion
ado
de F
ábri
ca
75%
47%
58%
10%18%
27%38%
46%
Projeção DENSO
ANFAVEA
Dados Reais Previsão
90%Europa:
2007
Decisão da Legislação da Comunidade Européia sobre os Gases Fluorados
Parlamento Europeu
ComissãoEuropéia
Conselho (Estados membros)
1a
Leitura2a
Leitura
PosiçãoComum
Conselho e Parlamentonegociam através de
Procedimento de Conciliação
NÃO
SIM
2a
Leitura=
Posição Comum?
Proposta
Agosto 2003
MAR2004
Abril 2005
Proposta da Comissão Européia
Propuseram a retirada (phase-out) dos compostos fluorados entre 2009 e 2013.
Propuseram a inclusão do HFC-152a comoopção.
Redução nos níveis de vazamentos dos gases fluorados nos equipamentos.
Com a implementação dessas medidas, teria-se umaredução desses gases fluorados em cerca de 30 milhões de Toneladas de CO2 equivalente por ano.
Posição Parlamento Europeu
Na 1a. Leitura, (Março 2004), o Parlamentoconcordou com a necessidade de retiradado HFC 134a.
Propuseram a retirada (phase-out) dos compostos fluorados entre 2011 e 2014.
Propuseram a EXCLUSÃO do HFC-152a.
Posição do Conselho Europeu
Concordam com a necessidade de retiradado HFC 134a.
Propuseram que a retirada (phase-out) dos compostos fluorados seja entre 2011 e 2017.
Propuseram a INCLUSÃO do HFC-152a.
Concordaram a redução nos níveis de vazamentos desses gases nos equipamentos.
Emissões Diretas Emissões Indiretas
* Vazamentos* Acidentes
* Fim de Vida
* Escapamento* Combustível* Peso do A/C
Emissões de CO2 para Atmosfera
O CO2 já tem tecnologia desenvolvida para utilização em sistemas de Ar Condicionadoautomotivo.
Na Europa, a BMW e a Mercedes jáiniciarão a instalação do A/C com CO2.
Em 2011 a Toyota já produzirá veículoscom CO2, incluindo aqueles com motor 1.0.
Estima-se que haja somente na Europa ummercado de 15 milhões de novas unidades, potendo atingir 5 bilhões de Euros.
Considerações Finais
Resfriamentomais rápido
Aquecimentomais rápidoutilizando omesmo equipamento
75oC para 25oC em10 min. Menor Consumo
de Combustível
Menor Emissão
Economia de $
CO2 não é Inflamável e não é Tóxico
Considerações Finais
Sistemas com CO2 tem melhor eficiência em pelo menos 90% das condições.
São menores em tamanho e apesar do reforço devido à pressão, são cerca de 2kg mais leves que os atuais sistemas.
Com a utilização do CO2, poderá haver uma redução de 5% do total das emissões indiretas e 7% das emissões diretas.
Na Europa há a possibilidade de se reduzir 30 milhões de toneladas até 2011 com a introdução de 3 milhões de novas unidades de A/C com CO2 a partir de 2008.
Considerações Finais
Referências e Links úteis
http://www.r744.com
http://www.wlv.com/products/databook/db3/DataBookIII.pdf
http://ltcm.epfl.ch/
http://www.valeo.com/
http://www.visteon.com/
http://www.globaldenso.com
http://europa.eu/scadplus/leg/en/lvb/l24280.htm