8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007

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1 8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007 ESTUDO COMPARATIVO DO DESEMPENHO DE CÂMARAS DE RESFRIAMENTO DE ALIMENTOS COM O MOTOR ELÉTRICO DO VENTILADOR DO CONDENSADOR ACIONADO POR UM CONVERSOR DE FREQÜÊNCIA E CONVENCIONALMENTE *Raphael Nunes de Oliveira ºRicardo Nicolau Nassar Koury ºLuiz Machado * Acadêmico do Curso de Graduação em Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Minas Gerais, Av. Antônio Carlos, 6607 CEP: , Belo Horizonte/Brasil º Professor do Departamento em Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Minas Gerais, Av. Antônio Carlos, 6607 CEP: , Belo Horizonte/Brasil RESUMO Este trabalho objetiva a realização de um estudo comparativo sobre desempenho e consumo de energia elétrica em câmaras frigoríficas com condensação a ar nas quais a rotação do motor elétrico do ventilador do condensador é controlada por um conversor de freqüência ou por um termostato que comanda a ligação desse motor. Durante o funcionamento de um sistema de refrigeração, um aumento da temperatura do ar ambiente pode ocasionar em um aumento considerável na temperatura de condensação, isso faz com que o trabalho realizado pelo compressor aumente e o coeficiente de performance (COP) do sistema fica prejudicado. Além disso, um decréscimo excessivo na temperatura ambiente causa uma diminuição na temperatura de condensação, podendo fazer com que a válvula de expansão do sistema trabalhe em condições inadequadas. Um comando de liga e desliga dos ventiladores que levam ar para o condensador é usado para contornar esse problema. Esse tipo de solução é pouco eficiente, devido aos picos de correntes elétricas na partida do motor, o que aumenta o consumo de energia do sistema e reduz a vida útil do motor. Propõe-se então a utilização de conversores de freqüência na alimentação elétrica do motor do ventilador para uma melhora no desempenho do sistema. PALAVRAS CHAVE: bomba de calor, viabilidade econômica, desempenho térmico

2 INTRODUÇÃO Segundo dados da ABRAS (Associação Brasileira de Supermercados) o conjunto de supermercados e comércios do gênero são responsáveis por cerca de 6,2% do produto interno brasileiro. Isso mostra a importância desse setor em nossa economia, é um setor de grande competitividade e devido a isso as grandes redes de supermercados se vêm obrigadas a investirem em suas instalações no objetivo de maximizar os ganhos e minimizar os gastos. Uma economia no consumo de energia elétrica seria um dos caminhos para se tentar diminuir esses gastos. Alguns estudos como, Marchioro (2004), apontam para o resfriamento e congelamento de alimentos como sendo responsável por até 60% do consumo total de energia elétrica em um supermercado. A partir disso é de se estranhar que o Brasil seja tão carente de pesquisas a respeito, pois um estudo apurado do melhoramento de geração do frio não só poderia ser bem lucrativo para os supermercados como também poderia diminuir a demanda nacional por energia elétrica reduzindo os riscos de um colapso energético, como o ocorrido no ano de Um sistema de refrigeração é muito complexo e pode ser analisado por diversas óticas trazendo várias técnicas para se tentar economizar energia. Um dos caminhos que se poderia seguir, por exemplo, seria o melhoramento no controle da temperatura de condensação da câmara frigorífica. Analisando as condições sob as quais uma câmara frigorífica geralmente trabalha podemos observar que esta está exposta a uma inevitável variação da temperatura ambiente durante o dia e durante o ano, o que acarreta em flutuações significativas na temperatura do ar que circula em seu condensador. Para contornar esse problema o ventilador, ou em muitos dos casos os ventiladores, encarregado de circular o ar através dos dutos do condensador são ligados e desligados constantemente. Quando a temperatura ambiente cai muito os ventiladores são desligados no sentido de diminuir a vazão do ar, o que provoca um aumento na pressão de condensação, já que uma queda excessiva da mesma fará com que a válvula termostática trabalhe em condições inadequadas. Por outro lado se a temperatura ambiente sobe muito todos os ventiladores são ligados para tentar diminuir a pressão de condensação do fluido, pois uma pressão muito alta comprometeria o coeficiente de performance do ciclo e poderia também comprometer o trabalho do compressor. Em resumo existem problemas tanto em uma temperatura de condensação alta como uma baixa. A excessiva ciclagem (controle liga/desliga) dos motores, não só compromete a eficiência da câmara frigorífica devido às suas limitações no controle da temperatura de condensação como também provoca picos de corrente elétrica durante a partida do motor do ventilador aumentando o consumo de energia elétrica e reduzindo a vida útil do mesmo. O uso de conversores de freqüência na alimentação elétrica dos motores dos ventiladores dos condensadores frigoríficos permite reduzir o consumo de energia por dois motivos básicos. Primeiro, o motor elétrico pode girar com uma velocidade variável e adaptada à demanda exigida pelo controle da pressão de condensação do sistema proporcionando um controle mais apurado da pressão de condensação do fluido. E também o fator de potência de um motor alimentado com conversor de freqüência é maior que o fator de um motor ligado diretamente à rede de tensão elétrica, essa grandeza pode ser vista como a medida da eficiência elétrica do motor. No presente trabalho objetiva-se a realização de um estudo elaborado visando quantificar a performance de câmaras frigoríficas de acondicionamento de alimentos com os motores elétricos dos ventiladores dos condensadores alimentados por conversores de freqüência e alimentados diretamente pela rede de tensão elétrica. Também é objetivo incluir nesse estudo uma estimativa de retorno financeiro baseado na economia de energia para um eventual investimento na aquisição de um aparelho conversor de freqüência. PROBLEMAS RELACIONADOS A UMA BAIXA E UMA ALTA PRESSÃO DE CONDENSAÇÃO Durante um ciclo de refrigeração convencional o fluido refrigerante passa pelo compressor onde é comprimido e o deixa a uma alta temperatura e alta pressão em estado de vapor superaquecido (ponto 2), o fluido segue então para o condensador onde troca calor com a fonte quente este que até então estava em estado de vapor superaquecido se condensa durante essa troca de calor até se tornar líquido comprimido (ponto3). Neste momento ele passa pela válvula de expansão voltando a ser bifásico e a ter uma baixa pressão (ponto4), vai para o evaporador onde troca calor com a fonte fria até se evaporar totalmente e se tornar novamente vapor superaquecido (ponto1), segue então para o compressor completando assim o ciclo.

3 Fig. 1: Representação esquemática do ciclo frigorífico A figura 2 traduz o esquema do ciclo da figura 1 no diagrama Pxh. Analisando as duas figuras pode-se perceber a correlação entre os pontos indicados em ambas. Fig. 2: Diagrama Pxh A pressão de condensação depende diretamente da troca de calor do condensador com o ambiente. Quanto menor a temperatura ambiente menor a temperatura de condensação o que acarreta em uma menor pressão de

4 condensação, essa pressão se for caindo sistematicamente chega um momento em que o fluido que sai do condensador ainda se encontra bifásico, isso é facilmente compreendido pela figura 2. A válvula de expansão é projetada para fazer a expansão do fluido no estado de líquido comprimido de modo que ao fazermos passar vapor na entrada dessa componente isso fará com que ela passe a trabalhar em condições inadequadas o que provavelmente irá danificá-la. Este então seria o principal problema de se ter uma pressão de condensação excessivamente baixa. Partindo das conclusões extraídas anteriormente sobre os problemas de uma baixa pressão de condensação poder-se-ia dizer, erroneamente, que não haveria problema algum em uma pressão de condensação excessivamente alta, afinal isso garantiria que o fluido entraria na válvula de expansão sempre em estado de líquido comprimido. Porém um aumento na pressão de condensação diminui o rendimento do ciclo e pode até danificar o compressor. O rendimento do ciclo é definido como a razão entre o calor retirado na região de evaporação, frio produzido, e o trabalho de compressão, energia gasta. Com esta relação definimos o coeficiente de performance (COP) como mostra a equação 1, retirada de Sonntag (2003), onde a grandeza Q L simboliza o frio produzido no evaporador e o W comp é o trabalho de compressão. Ao aumentarmos a pressão de condensação exigimos mais do compressor fazendo com este gaste uma maior energia para mandar o fluido da região de baixa pressão para a de alta isso faz com que o COP fique prejudicado. COP Q L = (1) W comp Além disso, um aumento excessivo da pressão de condensação pode trazer prejuízos à vida útil do compressor. Um incremento na pressão de condensação do fluido aumenta também a temperatura do fluido vapor superaquecido que sai do compressor essa temperatura não pode atingir a temperatura crítica do fluido caso isso ocorra a compressor pode sofrer danos irreparáveis. BANCADA DE TESTES A bancada de testes em questão se encontra no laboratório de refrigeração e bomba de calor da universidade. Ela foi construída com o objetivo de se estudar o comportamento transiente e permanente do ciclo de refrigeração. Ela é composta de dois evaporadores em paralelo, sendo um deles de troca de calor com a água e o outro de troca de calor com o ar, os condensadores também são dois sendo dispostos da mesma maneira. Dessa forma a bancada pode operar no regime água-água, água-ar, ar-água e ar-ar. Além disso, ela possui um compressor acionado por um motor elétrico controlado por um conversor de freqüência que permite variar a rotação de 700rpm a 800rpm. Possui também uma válvula de expansão convencional e uma eletrônica que trabalham em paralelo. Um contador de energia ligado ao ventilador do condensador de modo a medir o consumo de energia elétrica somente desse equipamento. Um conversor de freqüência aciona o motor elétrico do ventilador do condensador de maneira que se permita controlar a velocidade de rotação do mesmo. O fluido refrigerante usado é o R134a. A bancada em questão apresenta um altíssimo grau de controle, com sensores de medidas de temperatura, pressão e de vazão de alta qualidade, todos ligados a um sistema de aquisição de dados. Sistemas de controle PID são ligados nos evaporadores, tanto no de troca de calor com o ar como o de troca de calor com a água, permitindo que se entre com valor de temperatura de evaporação e o sistema trata de manter a temperatura desejada. O projeto inicial da bancada é de 1998 e contava apenas com o sistema de troca de calor água-água. Mais tarde, mais precisamente em 2006, a bancada foi ampliada e agora conta com um sistema de troca de calor que permite combinar água-ar, ar-água ar-ar e água-água. Desde 1999, quando ficou pronta, a bancada atende aos alunos da universidade, sendo ela objeto de estudos em trabalhos de graduação, teses de mestrado e doutorado além de auxiliar os professores em suas aulas práticas. Na figura 5 podemos ver o projeto da bancada e as identificações dos seus componentes. A figura 6 mostra a foto da bancada de testes. A seguir temos duas figuras que mostram a bancada de testes. A figura 3 mostra um desenho esquemático da bancada de testes mostrando a disposição das componentes e como é feita a circulação do fluido.

5 Fig. 3: Esquema de funcionamento da Bancada de Testes PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL E RESULTADOS Os testes foram realizados nos períodos da manhã, tarde e noite, para que pudesse englobar diferentes condições ambientais de temperatura e umidade. Os ensaios podem ser divididos em duas etapas distintas: condensador funcionando com o sistema de liga e desliga e o condensador funcionando com o sistema de controle de rotação do motor do ventilador pelo conversor de freqüência. Ensaio com o ventilador do condensador controlado por um sistema de liga e desliga Apesar de se saber que uma câmara frigorífica para resfriamento de alimentos funciona com o evaporador trocando calor com o ar, optou-se por fazer o ensaio com o evaporador de troca de calor com a água. O sistema que possuímos para controle da temperatura do evaporador a água se mostrou mais eficiente que o do ar. O sistema de troca de calor do evaporador não irá influenciar no desempenho de nossa câmara além do que o nosso objeto de estudo é o condensador. Programou-se o sistema PID para manter a temperatura de evaporação(t ev ) em 4 C para simular uma câmara de laticínios, por exemplo, (Arquivos Plotter Engenharia s/c Ltda). Então se definiu a temperatura de condensação (T co ) de 30 C de modo o sistema de liga/ desliga conectado a um termostato que tratou de manter essa temperatura. A temperatura de condensação foi definida por ser uma temperatura relativamente baixa, mas que garante a entrada de líquido comprimido na válvula de expansão. À medida que se mexia no sistema de renovação do ar que troca calor com o condensador na tentativa de mudar a temperatura de condensação o sistema de liga/desliga do ventilador atuava no sentido de manter a temperatura de condensação a 45 C. Um total de 3 ensaios foram realizados nos períodos da manhã, tarde e noite como mencionado anteriormente. Cada ensaio durou 3 horas e o consumo de energia elétrica foi medido durante esse tempo. Os resultados se encontram na tabela 1. Tabela. 1: Resultados do consumo de energia no sistema liga/desliga Ensaio Consumo 1 o ensaio 2292,9 Wh 2 o ensaio 2286,3 Wh 3 o ensaio 2279,4 Wh 5 o ensaio 2282,4 Wh 6 o ensaio 2297,4 Wh

6 Tem-se, portanto um consumo médio (C) nos ensaios de 2287,7 kwh. Dividindo tal resultado pelo tempo de ensaio encontra-se uma potência média de 762,6 kw para o condensador funcionando no sistema liga/desliga. Ensaio com o ventilador do condensador controlado pelo conversor de freqüência As condições dos ensaios realizados neste sistema são as mesmas. Também foi feito no sentido de perturbar a temperatura de condensação alterações no sistema de renovação do ar do condensador para forçar a intervenção no conversor de freqüência. Os resultados medidos nos 3 períodos estão expostos a seguir. Tabela. 2: Resultados do consumo de energia no controle pelo conversor de freqüência Ensaio Consumo 1 o ensaio 2144,7 Wh 2 o ensaio 2137,3 Wh 3 o ensaio 2130,4 Wh 5 o ensaio 2134,2 Wh 6 o ensaio 2141,2 Wh Um consumo médio de 2134,56 kw-h foi apontado nesse caso. Fazendo os mesmos cálculos realizados para o consumo no sistema liga/desliga encontramos uma potência média de 712,56 kw para o sistema que opera com o conversor de freqüência. ANÁLISE DO CONSUMO DE ENERGIA Analisando as tabelas acima, uma pequena economia de energia no sistema controlado pelo conversor de freqüência é notada. Usando a seguinte equação, França (2006), que relaciona o gasto inicial para a aquisição do equipamento e o tempo em dias com o gasto total do dono da câmara frigorífica. Para a dedução dessa equação foi considerado um custo de energia elétrica (E) de U$ 0, /kw-h, Cemig (2007). Tentando prever a variação no preço da energia elétrica foi feita uma extrapolação da variação do preço da energia nos últimos 10 anos para os próximos 5 anos, então se chegou nesse valor. Também foi considerado que a câmara trabalha 24 horas por dia. ( ) ( 24 ) G t = CxE xt + I (2) Com a potência média (P) em ambos os casos conhecidos. Com o preço da aquisição e instalação de cada equipamento também conhecidos (I), que no caso do sistema de liga e desliga foi de U$19,75 e no caso do conversor de freqüência foi de U$742,57. Temos então o seguinte gráfico que mostra o gasto de cada equipamento (G) ao longo do tempo (t).

7 Fig. 4: Retorno do conversor de freqüência No início, como pode ser percebido, o gasto com o conversor de freqüência é maior, no entanto após um tempo as curvas se cruzam, e a partir daí, o sistema controlado por um conversor de freqüência passa a ser mais vantajoso. Este momento seria de 1900 dias, cerca de 5 anos e 2 meses. CONCLUSÃO Esse trabalho apresenta uma sugestão de utilização de um conversor de freqüência, no ventilador do condensador, em sistemas de refrigeração que são utilizados para o resfriamento e congelamento de alimentos. Essa sugestão visa, principalmente, reduzir o consumo de energia elétrica do sistema. O custo inicial de instalação como foi mostrado a partir dos resultados encontrados têm um retorno no prazo de menos de 6 anos. Esse foi considerado um bom resultado, pois o uso de conversores de freqüência no ventilador do condensador além de aumentar a vida útil do ventilador e economizar energia favorecendo o setor energético brasileiro também se mostrou um investimento economicamente viável. A ampliação desses estudos e a sugestão de novas técnicas nas instalações de frio alimentar devem ser encorajadas poi tendem a resultar em novas estratégias para o dimensionamento de câmaras frigoríficas com melhor desempenho energético trazendo grandes ganhos no setor supermercadista brasileiro. REFERENCIAS 1. ABRAS (Associação Brasileira de Supermercados) < data de acesso de março de F.S. Marchioro, Análise técnica para redução do consumo de energia em sistema de refrigeração para supermercado, Pontifícia Universidade Católica do Paraná, Curitiba, Brasil, p. (Dissertação, Mestrado em Ciências em Planejamento Energético).

8 3. R. E.Sonntag, C. Borgnakke, Introdução à Termodinâmica para Engenharia, LTC Editora, 2003,381 p. 4. Arquivos Plotter Engenharia s/c Ltda 5. G.A.C. França e E.C. Vasconcelos, Relatório Técnico - Cogeração na Indústria de Cimento, 2003,Projeto CEMIG/ANEEL 6. CEMIG (Companhia energética de Minas Gerais) < data de acesso de março de UNIDADES E NOMENCLATURA Cop Q L W comp T ev T co C E P I G t Coeficiente de performance (adimensional) calor entregue a fonte fria (kj) trabalho de compressão (kj) temperatura de evaporação ( C) temperatura de condensação ( C) consumo médio (kw) custo de energia elétrica (U$/kW-h) potencia média (kw) preço de aquisição e instalação de cada equipamento (U$) gasto ao longo do tempo (U$) tempo (dias)

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