Eficiência energética em sistemas de refrigeração
Agosto, 2017
Eficiência Energética
Pode-se definir refrigeração como o processo de alcançar e manter uma temperatura inferior àquela do meio, cujo objetivo é resfriar algum corpo (sólido) ou fluido até uma dada temperatura
ou
o processo de mover calor de um local para outro utilizando um refrigerante em um ciclo fechado.
Refrigeração
Os sistemas de refrigeração podem ser classificados de acordo com a faixa de temperaturas em que operam:
� Sistemas de baixa temperatura: -40 °C ≤TE<-18 °C;
� Sistemas de média temperatura: -18 °C ≤TE≤0 °C;
� Sistemas de alta temperatura: TE>0 °C.
Aplicações
4
Aplicações
Uma das aplicações mais importantes da refrigeração é a preservação de alimentos perecíveis através da armazenagem refrigerada.
Aplicações
Aplicações
Aumento do tempo de prateleira dos produtosperecíveis:
1 frango;2 peixe;3 carne;4 banana;5 laranja;6 maçã;7 ovos;8 maçã†.
†armazenada em atmosfera controlada de dióxido de carbono.
Produto Temperatura de armazenamento, °C
Abacate 4 a 13
Alface 0 a 1
Banana 13 a 14
Frango -1 a 2
Maçã -1 a 0
Morango -0,5 a 0
Pêra -2 a 0
Queijo 0 a 1
Repolho 0
Tomate 3 a 4
Algumas temperaturas recomendadas de armazenamento, sem congelamento.
Aplicações
No processamento de alimentos, a refrigeração é utilizada para provocar mudanças das características ou da sua estrutura química.
Exemplos: queijo, cerveja e vinho.
Na cura do queijo, dependendo do tipo, utilizam-se temperaturas entre 10 °C e 20 °C, por períodos que variam de alguns dias até vários meses.
Na fabricação da cerveja, o açúcar é convertido em álcool e dióxido de carbono. É uma reação exotérmica onde a temperatura do produto deve ser mantida entre 7 e 13 °C para evitar a redução ou até mesmo a interrupção da transformação do açúcar. A refrigeração também é utilizada no processo de maturação da cerveja, que deve ser mantida em ambiente refrigerado por um período entre 15 dias até 3 meses.
Na produção do vinho, após a fermentação, ele é mantido em tonéis de aço inox de 6 meses a 2 anos, em temperaturas na ordem de 10 °C.
Aplicações: processamento de alimentos
Conforto: o uso extensivo da refrigeração para conforto térmico por meio de ar-condicionado. O termo ar-condicionado refere-se ao tratamento do ar, de forma que haja controle simultâneo da temperatura, umidade, limpeza, odor e circulação, conforme requerido pelos ocupantes, processo ou produtos no espaço.
Aplicações
O controle da qualidade do ar em sistemas de ar-condicionado é de extrema importância.
Aplicações
†ANVISA, Resolução RE nº 9, de 16 de janeiro de 2003. Padrões Referenciais de Qualidade do Ar Interior, em ambientes climatizados artificialmente de uso público e coletivo.
� Construção civil, onde se utilizam grandes volumes de concreto, o processo da cura do concreto é um processo exotérmico, com liberação de calor. Esse calor deve ser removido para evitar que temperaturas elevadas provoquem tensões térmicas, com a formação de fissuras ou trincas. O concreto pode ser resfriado antes da aplicação ou durante a cura.
� Outras aplicações: congela-mento do solo para aberturade poços ou túneis ou perfura-
ção de furos.
Aplicações
Outras aplicações da refrigeração são:
� Sistemas de refrigeração de grande porte normalmente estão presentes em industrias químicas, petroquímicas, de refino de petróleo e farmacêutica.
� As operações em que a refrigeração é normalmente aplicada são: separação e condensação de gases; separação de um produto químico de uma mistura através da solidificação; controle de pressão no interior de vasos de armazenamento mediante a redução da temperatura e remocado de calor em reações químicas.
� Liquefação de gases, etc.
Aplicações: indústrias químicas e petroquímicas
Na manufatura:
� Em instalações de ar comprimido, a temperatura do ar, após a compressão, é reduzida ao nível da temperatura ambiente, podendo ocorrer a condensação do vapor d’água nele contido. Para evitar este problema, é comum resfriar o ar após a descarga do compressor para condensar e remover a água.
� Em industrias de manufatura existem ainda compartimentos de testes que devem reproduzir condições extremas de temperatura e umidade sob as quais o produto deverá operar. Condições de baixa temperatura e umidade podem ser obtidas por meio da refrigeração.
Aplicações: manufatura
Na manufatura:
� No processo de usinagem e conformação de materiais e na fabricação de produtos metálicos ou de outros materiais, normalmente, é exigido o emprego da refrigeração, como:
� Controle de temperatura em injetoras;
� Controle de temperatura nas ferramentas de usinagem;
� Etc.
Aplicações: manufatura
O Ciclo de compressão mecânica do vapor: o início
Carnot, em 1824, publica a obra “Sobre a potência motriz do fogo e sobre as máquinas próprias para desenvolver esta potência”;
Em 1852, Lord Kelvin publica sua demonstração da ‘reversibilidade’, começando então a formulação de uma ciência da refrigeração;
O Ciclo Ideal de Carnot
T
S
1
23
4
Processos:
1-2: compressão adiabática e isentrópica;
2-3: rejeição isotérmica de calor;
3-4: expansão adiabática e isentrópica;
4-1: recebimento isotérmico de calor;
O Ciclo Ideal de Carnot
T
s
1
23
4
T2
T1
s3 = s4 s2 = s1
Efeito de refrigeração
Trabalho líquido
�
QC
�QE
12
1
4112
411TT
T
SSTT
SSTCOP −=
−−
−=
O Ciclo Ideal de Carnot
s
T
Como reproduzir o ciclo de Carnot
T
1
2
3
4 �
S
Um pouco mais real
O ciclo padrão
P
1
23
4
PC
PE
�
QC
� QE
hh3 = h4
s2 = s1
� Wm
h1h2
O ciclo padrão
condensador
evaporador
compressoralta
pressão
baixa
pressão
dispositivo de
expansão
Para sua operação, são necessários pelo menos 4 componentes:
Um sistema de refrigeração completo
Sub-resfriamento e super-aquecimento
A camada de ozônio
Rowland (esq.) e Molina (dir.) descobrem, em 1973, através de experimentos em laboratório, a influência do cloro na destruição da camada de ozônio.
Mais tarde, em 1995, esses dois mais Paul J. Crutzen, receberiam o prêmio Nobel de Química por suas obras relacionadas à destruição da camada de ozônio.
+O2 O O
Fóton ultra violeta (UV)
+
O O2 O3
O3
+
O O2
+
O O2O3
A camada de ozônio
CFCl3
CCl
F
+ C
CFCl2Cl
+
O3Cl O2
+
ClO
O
+
ClO Cl
+
O2
A camada de ozônio
A camada de ozônio
O Protocolo de Montreal
Data Redução da produção e consumo
CFC1 janeiro 1993 100% nível de 19861 janeiro 1994 25% nível de 19861 janeiro 1995 25% nível de 19861 janeiro 1996 0% nível de 1986
HCFC1 janeiro 1996 3,1% consumo CFC+HCFC
19861 janeiro 2004 65% da situação de 19961 janeiro 2010 35% da situação de 19961 janeiro 2015 10% da situação de 19961 janeiro 2020 0,5% da situação de 19961 janeiro 2030 0% da situação de 1996
+ Revisão de Copenhagen, 1992
Refrigerantes
Segurança
Classe A: compostos cuja toxicidade não foi identificada;Classe B: compostos com evidências identificadas de toxicidade.Classe 1: não se observa propagação da chama;Classe 2: baixa a média inflamabilidade;Classe 3: elevada inflamabilidade;Classe A2L e B2L: em implantação, associadas em função da velocidade da chama < 10 cm/2.
Segurança
Correlação entre velocidade da chama vs. mínima energia de ignição (MIE)
33
Qualidade dos refrigerantes
� Os refrigerantes devem apresentar elevada pureza, acima de 99,5%.� Qualquer tipo de contaminação poderá originar sérios riscos aos sistema e ao operador.
R-415b comercializado em embalagem de R-134a
34
Qualidade dos refrigerantes
35
Qualidade dos refrigerantes
36
Qualidade dos refrigerantes
37
Qualidade dos refrigerantes
38
Qualidade dos refrigerantes
39
Problemas futuros
40
� Baseado na 1ª. Lei da Termodinâmica, considerando o volume de controle:
Balanço de energia
41
� No evaporador: capacidade de refrigeração [kW]
Balanço de energia
P
1
23
4
PC
PE
�
QC
� QE
hh3 = h4
s2 = s1
� Wm
h1h2
42
� No condensador: calor dissipado no meio externo [kW]
Balanço de energia
P
1
23
4
PC
PE
�
QC
� QE
hh3 = h4
s2 = s1
� Wm
h1h2
43
� No compressor: potência de compressão [kW]
Balanço de energia
P
1
23
4
PC
PE
�
QC
� QE
hh3 = h4
s2 = s1
� Wm
h1h2
Potência real
44
� No dispositivo de expansão:
Balanço de energia
P
1
23
4
PC
PE
�
QC
� QE
hh3 = h4
s2 = s1
� Wm
h1h2
45
� Coeficiente de performance:
Balanço de energia
P
1
23
4
PC
PE
�
QC
� QE
hh3 = h4
s2 = s1
� Wm
h1h2
46
� Obtidas através de diagramas e tabelas pressão vs. entalpia
Propriedades termodinâmicas
47
Na refrigeração são utilizados praticamente todos os tipos de compressores:
AlternativosDeslocamento
positivo
Dinâmicos
Rotativos
Parafuso
Scroll
Pistão Rolante
Palhetas
Centrífugos
Compressores
48
(a) (b)
(c)
(d)
(e)
49
� Em aplicações industriais, os mais utilizados são os compressores alternativos e os rotativos, tipo parafuso.
Compressor alternativo:
Compressores
7:1
50
Compressor parafuso:
Compressores
51
A refrigeração é, geralmente, o maior consumidor de energia elétrica na área de produção de alimentos, podendo representar, no caso de grandes frigoríficos, mais de 60% do consumo total da planta.
O foco na identificação de processos de operação e novas tecnologias que possam aumentar a eficiência e reduzir custos é uma preocupação crescente dessas empresas, principalmente em função dos crescentes custos da energia elétrica.
O potencial de recuperação de energia térmica em sistemas industriais de refrigeração é um fato bastante conhecido.
A recuperação de calor, nesses sistemas ou em outros, oferece o potencial de reduzir tanto o consumo primário de energia na operação do próprio sistema bem como com o consumo de energia para atender demandas de energia térmica em outros processos.
Recuperação de calor
52
O que é recuperação de calor?
É a coleta e uso de energia térmica que normalmente seria rejeitada do sistema para o meio ambiente.
Aspectos importantes:
� Quantidade de calor requerido;� Taxa de calor requerido;� Qualidade do calor requerido;� Perfil do uso da energia térmica (consumo junto com a geração ou
necessidade de armazenamento térmico?).
Recuperação de calor
53
Teoricamente, qualquer quantidade de calor pode ser recuperada de um sistema de refrigeração industrial.
No entanto, a quantidade deve ser suficientemente grande para suplantar o investimento de capital em equipamentos bem como eventuais aumento do custo de manutenção ou de aumento da complexidade do uso.
A “qualidade” do calor é outro fator importante que pode limitar a recuperação de rejeito térmico.
Recuperação de calor
54
Aplicações potenciais:
� Aquecimento do piso de câmaras frigoríficas (evitar a formação de gelo);
� Pré-aquecimento de água para limpeza;� Aquecimento de água para outras finalidades da planta;� Pré-aquecimento de água de caldeira;� Aquecimento de espaços (para controle de temperatura ou para
controle de umidade).
Recuperação de calor
55
Desuperaquecimento do vapor na descarga do compressor (compressores alternativos):
Potenciais para recuperação de calor
56
Exemplo: compressor alternativo de 1 estágio operando entre uma temperatura de condensação de 35 °C e temperatura de vaporização de -20 °C. Temperatura de descarga de aproximadamente 130 °C. Refrigerante R-717 (amônia):
Potenciais para recuperação de calor
57
A maioria dos compressores parafuso usados atualmente usa a injeção de óleo na região de compressão para lubrificação, vedação entre os parafusos durante a compressão e para o resfriamento. A quantidade de óleo injetado pode ficar em torno de 38 a 75 L/min por cada 75 kW de potencia do compressor. Dessa forma, a maior parte do calor resultante do processo de compressão é transferido para o óleo, fazendo com que a temperatura de descarga do compressor seja bastante reduzida, mesmo em altas relações de compressão.
Potenciais para recuperação de calor
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Entretanto, esse óleo é indesejável nas outras partes do processo,principalmente nos trocadores de calor, onde funciona comoumaincrustação, exigindo o uso de separadores de óleo. Um tipo de separadorde óleo muito utilizado é apresentado abaixo.
Separador de óleo em um compressor parafuso.
Potenciais para recuperação de calor
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Utilizando abaixo como referencia, o óleo quente deixa o separador deóleo passando por um filtro, dirigindo-se até a bomba de óleo. O óleo éentão bombeado para um trocador de calor, onde o calor é rejeitado parauma corrente de água ou outro fluido secundário. O óleo frio passa porum filtro e retorna ao compressor enquanto a água ou outro fluidosecundário são resfriados. No caso da água, utiliza-se uma torre dearrefecimento.
Processo de resfriamento a água.
Potenciais para recuperação de calor
60
Potenciais para recuperação de calor
61
Tipicamente, um resfriador de óleo recebe óleo quente do compressor a uma temperatura muito próxima a da temperatura de descarga do compressor (71 a 85 °C), resfriando até uma temperatura de fornecimento de óleo para o mesmo compressor, a 54 °C.
Potenciais para recuperação de calor
Te, °°°°C Tc, °°°°C Td, °°°°C Wcomp, kW Qoleo, kW Desup, kW Vazão, L/min
-23 35 83 1475 323 51 152
-18 35 83 1892 310 65 145
-12 35 82 2399 286 79 134
-7 35 80 3003 252 92 118
-1 35 77 3721 208 102 98
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Potenciais para redução do consumo de energia
Paredes de câmaras frigoríficas:
Em função da diferença de temperaturas entre o ar externo e o ar interno, há um fluxo de calor para o interior do espaço refrigerado que pode ser incrementado se a parede da câmara estiver exposta aos raios solares.
Nesse caso, o aumento da temperatura do lado externo da parede é dado pela tabela abaixo:
Orientação da parede Tipo de superfície Leste Norte Oeste Teto Escuras 5 3 5 11 Médias 4 3 4 9 Claras 3 2 3 5
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Potenciais para redução do consumo de energia
Exemplo:
Uma câmara frigorífica possui uma parede (oeste) de 40 m de comprimento por 8 m de altura, de cor branca, com espessura de isolamento de 150 mm (poliestireno). A temperatura externa do ar (média das máximas de verão) é igual a 34 °C enquanto que a temperatura interna é igual a -15 °C. Considerando que a condutividade térmica do poliuretano é de 0,036 W/mK, qual é a carga térmica por infiltração de calor no espaço?
Use a equação de Fourier, em regime permanente e unidimensional:
64
Potenciais para redução do consumo de energia
Exemplo:
Se em lugar do poliestireno for utilizado o poliuretano expandido, com k=0,028 W/mK?
E se a espessura de isolamento for aumentada para 200 mm, com o PU?
65
Potenciais para redução do consumo de energia
Quando a porta de uma câmara frigorífica é aberta, a diferença entre as pressões parciais do ar (externo e interno) fazem com que exista um fluxo de ar quente em direção ao interior da câmara.
A energia do fluxo de ar quente deverá ser retirada pelo sistema de refrigeração, aumentando o consumo de energia do compressor.
O ganho de calor através de portas, em kW, devido às trocas de ar é dado pela Eq.:
Carga térmica por infiltração de ar
( )EDqDaQ ft −= 1&
onde q é a carga térmica sensível e latente para fluxo completamente estabelecido, em kW; Dt é a fração de tempo de abertura das portas; Df é fator de fluxo da porta e E é a efetividade do sistema de proteção da porta.A carga térmica sensível e latente, q, em kW, pode ser calculada por:
( ) ( ) m,
,
r
irri FgHiiA,q 50
50
12210
−−=
ρρρ
onde A é a área da porta, em m2; ii é a entalpia do ar de infiltração (ar externo), emkJ/kg; ir é a entalpia do ar refrigerado, em kJ/kg; ρi é a massa específica do ar deinfiltração, em kg/m3; ρr é a massa específica do ar refrigerado, em kg/m3; g é aaceleração da gravidade, em m/s2; H é a altura da porta e Fm o fator de densidade,dado por: 51
31
1
2
,
i
r
mF
+
=
ρρ
Carga térmica por infiltração de ar
Os valores de entalpia específica e volume específico podem ser obtidos na cartapsicrométrica para temperaturas de bulbo seco (TBS) internas maiores que -10 °C.Para temperaturas menores (Ti e Ti,k) que -10 °C, podem ser obtidas através dasequações: respectivamente.
51
31
1
2
,
i
r
mF
+
=
ρρ
01,Ti i +=
k,iT
353=ρ com Ti,k em Kelvin
Carga térmica por infiltração de ar
Dispositivo Efetividade ECortina de ar vertical 0,79Cortina de ar horizontal 0,76Cortina de tiras de plástico 0,93Cortina de ar + cortina de plástico 0,91
Efetividade dos dispositivos de proteção da porta:
69
Carga térmica por infiltração de ar
TBS, °C
Carta psicrométrica
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