CO 2 (R-744) EM EQUIPAMENTOS DE REFRIGERAÇÃO COMERCIAL. Cláudio Melo, Ph.D.

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1 CO 2 (R-744) EM EQUIPAMENTOS DE REFRIGERAÇÃO COMERCIAL Cláudio Melo, Ph.D.

2 apresentação introdução alguns trabalhos da literatura sistemas comerciais de refrigeração com CO 2 considerações finais

3 apresentação introdução alguns trabalhos da literatura sistemas comerciais de refrigeração com CO 2 considerações finais

4 História 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

5 Instalações As instalações do POLO ocupam uma área de m², onde estão abrigados os seguintes laboratórios: Anemometria Laser Aplicação (Câmaras de Testes) Caracterização Termofísica de Líquidos e Gases Condensadores Tubo-Aleta Condensadores Tubo-Arame Controles de Sistemas de Refrigeração Dispositivos de Expansão Escoamento Multifásicos Evaporadores Tubo-Aleta Evaporadores No-Frost Mancais Sistemas de Refrigeração com CO 2 Sistemas de Sucção e Descarga Tecnologias de Compressão Tubos Capilares Ventiladores 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.

6 apresentação alguns trabalhos da literatura introdução sistemas comerciais de refrigeração com CO 2 conclusões

7 R-11 CFC R-12 R-113 Depleção da Camada de Ozônio -ODP- INTRODUÇÃO Efeito Estufa -GWP- R-22 R-134a HFC & HCFC R-141b R-744 Naturais R-290 R-600a

8 A migração para novos fluidos refrigerantes vem sendo acompanhada por uma redução do consumo energético INTRODUÇÃO KwH kwh Refrigeradores Domésticos CFC s phaseout Ano

9 INTRODUÇÃO Panorama histórico do uso do CO2 Ápice, decadência... Percentual da utilização de CO 2 como fluido refrigerante primário em instalações de transporte marítimo. e revival Número de papers sobre CO 2 apresentados na IIR-Gustav Lorentzen Conference on Natural Working Fluids

10 apresentação introdução alguns trabalhos da literatura sistemas comerciais de refrigeração com CO 2 considerações finais

11 TRABALHOS DA LITERATURA CO 2 APLICADO EM REFRIGERAÇÃO COMERCIAL LEVE The Transcritical CO 2 Cycle in Light Commercial Refrigeration Applications Veje, C. e Suss, J. Danfoss publication Cooler Consumo relativo ao baseline (R-134a) condição C Vendor 18% menor 37% menor 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

12 TRABALHOS DA LITERATURA ANÁLISE COMPARATIVA R-134a R X CO 2 Development of Transcritical R744 Systems for Small Commercial Applications DeAngelis, J. e Pega, S. H. IIR 2005 Vicenza Conference Commercial Refrigeration 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)

13 TRABALHOS DA LITERATURA EFICIÊNCIA Estudos desenvolvidos no POLO Cláudio Melo, Joaquim Gonçalves O sistema com CO 2 pode competir com as tecnologias atualmente em campo? R-134a R-290 R-744 Ciclo Rankine com compressor ideal (isentrópico) e trocador de calor interno Ideal Good Bad

14 TRABALHOS DA LITERATURA EFICIÊNCIA Estudos desenvolvidos no POLO Cláudio Melo, Joaquim Gonçalves (*) Dados provenientes de testes com uma Vending Machine 32 o C temperatura ambiente 65% umidade relativa Maximizar a eficiência isentrópica através da utilização de um compressor totalmente desenvolvido para o uso com CO 2, de forma a obter uma eficiência final competitiva compressor cycle system η comp =. m ( h 2, isent W. comp h1) η cycle = COPisentropic COP carnot η system = η comp η cycle A baixa eficiência do ciclo pode ser suplantada pela maior eficiência isentrópica.

15 apresentação introdução alguns trabalhos da literatura sistemas comerciais de refrigeração com CO 2 considerações finais

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17 ATIVIDADES DE PESQUISA Estudo dos fenômenos relativos a utilização do CO 2 em sistemas de refrigeração tubos capilares; alternativas para o controle da pressão de alta; simulação de componentes e sistemas;

18 cassetes; desenvolvimento e testes de compressores; adequação de sistemas ao novo fluido; Em parceria com empresas, novos produtos são testados e desenvolvidos DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO

19 A pesquisa dá d suporte às s inovações tecnológicas ATIVIDADES DE PESQUISA DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO A necessidade de respostas fomenta a pesquisa

20 ATIVIDADES DE PESQUISA Estudo dos fenômenos relativos a utilização do CO 2 em sistemas de refrigeração tubos capilares;

21 ATIVIDADES DE PESQUISA TUBOS 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

22 ATIVIDADES DE PESQUISA Tubos capilares modelação Capacidade Térmica - Cp Densidade - ρ P choked CHOKED FLOW

23 ATIVIDADES DE PESQUISA Tubos capilares bancada experimental

24 ATIVIDADES DE PESQUISA Tubos capilares resultado modelo algébrico escoamento transcrítico de R pontos experimentais +10% % Vazão calculada [kg/s] Vazão medida [kg/s]

25 ATIVIDADES DE PESQUISA Estudo dos fenômenos relativos a utilização do CO 2 em sistemas de refrigeração tubos capilares; alternativas para o controle da pressão de alta;

26 ATIVIDADES DE PESQUISA BREADBOARD CO 2 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

27 ATIVIDADES DE PESQUISA Ciclo supercrítico Desacoplamento PRESSÃO/TEMPERATURA Pressão [bar]

28 ATIVIDADES DE PESQUISA Ciclo supercrítico pressão ótima de descarga Para cada condição de operação, existe uma pressão de descarga ótima que maximiza o COP do sistema.

29 ATIVIDADES DE PESQUISA Ciclo supercrítico ciclos modificados CONTROLE DA PRESSÃO DE ALTA p = p( v, T ) = p( V / m, T ) Arranjos diferenciados de ciclo, com adição de novos componentes para permitir o controle da pressão de alta e uma alimentação adequada do evaporador.

30 Breadboard CO 2 E V A P O R A T O R 5 C V T T G A S C O O L E R 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

31 ATIVIDADES DE PESQUISA Estudo dos fenômenos relativos a utilização do CO 2 em sistemas de refrigeração tubos capilares; alternativas para o controle da pressão de alta; simulação de componentes e sistemas;

32 ATIVIDADES DE PESQUISA CÓDIGOS COMPUTACIONAIS OBJETIVO: Desenvolver uma ferramenta capaz de simular o comportamento de sistemas de refrigeração, diminuindo a necessidade de trabalhos experimentais. Dr. Joaquim Manuel Gonçalves

33 ATIVIDADES DE PESQUISA Softwares Trocadores de calor; Tubos capilares; Gabinete

34 cassetes; Em parceria com empresas, novos produtos são testados e desenvolvidos DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO

35 DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO CASSETTES OBJETIVO: Desenvolvimento de cassettes para aplicação em beverage coolers. Dr. Jackson Braz Marcinichen

36 DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO Norma Coca-Cola Normas Coca-Cola (SE-SP-200/201 e SE-PR-202 a 204) Vazão, m 3 /h Vazão do lado do ar Pequeno Médio Grande Perda de carga, Pa 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 (Q e ) e o coeficiente de performance (COP) para ambientes em condições distintas de temperatura e umidade relativa. 254,9 339,8 679,6 0,0 212,4 288,8 552,2 24,9 190,3 263,3 487,6 37,3 COP mínimo condição C (32,2 ºC/65 %) Tamanho COP mínimo pequeno 1,00 médio 1,20 grande 1,25 Capacidade de refrigeração condição D (40,5 ºC/75 %) Capacidade de refrigeração, W Tamanho T r = 2 ºC Média T r = 2 ºC, 20 o C e 38 o C pequeno médio grande

37 DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO Avaliação do desempenho hidrodinâmico do cassette: túnel de vento 60 Resultado típico AMCA Standard Pressão estática, Pa Eco Hex A HeatCraft Hex B Coca-Cola Normalizado Vazão, m³/h

38 DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO Capacidade de refrigeração e COP: Calorímetro 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

39 DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO Capacidade de refrigeração e COP: Calorímetro Capacidade de refrigeração Teste T r [ C] Carga [g] Q e [W] COP 1 2, ,9 0, , ,9 1, , ,2 1,01 Q e_média = 527,0 W > 500 W Coeficiente de performance Capilar T r [ C] Carga [g] Q e [W] COP #1 2, ,2 1,10 > 1,00 Capacidade de refrigeração, W Resultado típico fornecido pelo calorímetro Capilar #1 Capilar #2 Capilar # Carga de CO2, g

40 cassetes; desenvolvimento e testes de compressores; Em parceria com empresas, novos produtos são testados e desenvolvidos DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO

41 DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO CALORÍMETRO PARA TESTES DE COMPRESSORES OBJETIVO: Caracterização termodinâmica de compressores de refrigeração para subsidiar programas de simulação.

42 DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO Calorímetro compressor de CO2

43 DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO Curvas de caracterização de compressores Calorímetro Comparação entre os resultados obtidos no POLO e na Embraco

44 cassetes; testes de compressores em calorímetro; Adequação de sistemas ao novo fluido; Em parceria com empresas, novos produtos são testados e desenvolvidos DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO

45 DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO Adequação de sistemas para utilização com CO 2 OBJETIVO: Adequação de sistemas para a operação com CO 2.

46 DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO O compressor de CO 2 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 CATÁLOGO DE SELEÇÃO

47 DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO Parceria científica Linha de produção capaz de suprir a demanda inicial de compressores para testes em campo

48 DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO Testes comparativos diretos de compressores

49 DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO Testes comparativos diretos de compressores

50 DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO CO 2 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?)

51 DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO Testes DN 5000 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

52 DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO Testes DN 5000 Compressores testados R134a R290 CO 2 1ª geração CO 2 2ª geração

53 DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO Testes DN C compressor cycle system

54 DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO Característica do sistema: LBP Conservação de sorvete Original: Chest freezer 350 litros R404A compressor recíproco o C) 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: CO 2 compressor recíproco 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

55 DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO Resultado: Conservação de sorvete otimização de comprimento do tubo capilar e carga de refrigerante 2,0m 3,0m 4,0m 3,5m

56 DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO Conservação de sorvete Resultado: Comparação original (R-404A) X solução drop-in (R-744) Queda da eficiência em altas temperaturas ambiente

57 DESENVOLVIMENTO DE PRODUTO Avaliação honesta: sazonalidade Conservação de sorvete Regiões com alta temperatura ambiente

58 apresentação introdução alguns trabalhos da literatura sistemas comerciais de refrigeração com CO 2 considerações finais

59 CONSIDERAÇÕES FINAIS É possível desenvolver sistemas comerciais de CO 2 com performance igual ou superior a dos produtos existentes no mercado É possível desenvolver sistemas comerciais de CO 2 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.

60 Universidade Federal de Santa Catarina Laboratórios de Pesquisa em Refrigeração e Termofísica Research Laboratories for Emerging Technologies in Refrigeration and Thermophysics Empresa Brasileira de Compressores C l á u d i o M e l o. melo@polo.ufsc.br Universidade Federal de Santa Catarina Departamento de Engenharia Mecânica Florianópolis - SC - BRASIL Fone: +55 (48) / Fax: +55 (48)

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