Trabalho técnico 1. Investigação Experimental da Eficiência Energética e do Impacto Ambiental de um Sistema de Refrigeração Cascata com CO 2

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1 Trabalho técnico 1 Investigação Experimental da Eficiência Energética e do Impacto Ambiental de um Sistema de Marcus Vinícius Almeida Queiroz Arthur Heleno Pontes Antunes Enio Pedone Bandarra Filho Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Uberlândia Uberlândia, Brasil José Alberto dos Reis Parise Departamento de Engenharia Mecânica, PUC-Rio Rio de Janeiro, Brasil Resumo O presente trabalho apresenta uma comparação do desempenho de um sistema em cascata subcrítico usando o par R744 / R134a, com outro utilizando o par R744 / R290, através de uma operação de drop-in. O aparato experimental é composto por dois ciclos, o ciclo de baixa temperatura (BT) é formado por um compressor alternativo de velocidade variável para o R744 e uma válvula de expansão eletrônica que promove a evaporação direta do CO 2 no interior de uma câmara fria (2,3m x 2,6m x 2,5m) para manter a temperatura interna de ar estável. O ciclo originalmente de alta temperatura (AT) é constituído por um compressor alternativo para o R134a, uma válvula de expansão eletrônica e um condensador arrefecido a ar. Um trocador de calor a placas, que é, ao mesmo tempo, o condensador do R744 e o evaporador para o ciclo AT, completa a bancada experimental. O grau de superaquecimento do R744 variou entre 5 e 15 K e a frequência de operação do compressor de R744 entre 40 e 65 Hz. A operação de drop-in foi realizada no ciclo AT, onde a carga do R134a foi substituída pelo R290 e reduzida em 50%. O sistema de refrigeração alternativo (R744 / R290) foi então submetido à outra etapa de testes, a qual permitiu a comparação energética entre os pares de refrigerantes. Por meio dos resultados obtidos, estimou-se um máximo COP equivalente a 2,09 e um valor mínimo de 1,81 para o par R744 / R134a. Os valores da capacidade de refrigeração estabeleceram-se entre 4,30 e 5,58 kw, demonstrando a aplicabilidade desse sistema cascata em condições de carga térmica variável. O valor mínimo da temperatura operativa do ar no interior da câmara foi -17,7 C e o máximo -0,8 C. Por fim, constatou-se que os resultados obtidos para o par R744 / R290 atenderam à condição de temperatura do ar no interior da câmara fria com valores de COP semelhantes. No entanto, o par R744 / R290 operou em capacidades de refrigeração até superiores, essas se estabeleceram entre 5,20 e 5,88 kw. Quanto ao impacto ambiental, baseado no parâmetro TEWI, os melhores resultados foram também obtidos com o hidrocarboneto, mostrando uma redução de aproximadamente 10%. IIAR

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3 Investigação Experimental da Eficiência Energética e do Impacto Ambiental de um Sistema de Introdução A indústria de refrigeração e a academia tem unido esforços para o desenvolvimento de sistemas que consigam aliar uma boa eficiência energética com a redução do impacto ambiental, associado diretamente à utilização dos fluidos refrigerantes HCFC e HFC. A destruição da camada de ozônio está associada ao uso dos fluidos refrigerantes HCFCs (nos quais se inclui o R22), cujo efeito é medido ou quantificado através do Índice ODP (Ozone Depletion Potential) ou Potencial de Destruição do Ozônio. Os fluidos refrigerantes HFCs possuam um potencial de destruição da camada de ozônio nulo, entretanto é necessário referir que os mesmos implicam num alto potencial de aquecimento global, GWP (Global Warming Potential). Fluidos naturais como os hidrocarbonetos (HCs), amônia e dióxido de carbono são tidos como possíveis soluções, com ODP = 0 e com valores de GWP bastante reduzidos ou nulos. A avaliação quantitativa deste impacto relacionado ao efeito estufa pode ser dada pelo índice GWP100a, definido como a massa de CO 2 que produziria o mesmo impacto por 100 anos, sobre o aquecimento global como a liberação de uma única unidade (kg) do componente dado à atmosfera (Molina e Rowlan, 1974). Os fluidos refrigerantes R22 e R404A são amplamente utilizados no setor comercial em países em desenvolvimento, especificamente em supermercados. O R22 é um HCFC que tem ODP = 0,055 e GWP100a = 1810, enquanto o R404A é um HFC, com ODP é igual a zero e GWP100a de Portanto, esses fluidos refrigerantes liberados na atmosfera apresentam um grande impacto no aumento do aquecimento global. O R744 ou CO2 possui um grande potencial para aplicações em supermercados, apesar de ser um fluido com pressões de trabalho elevadas. Em termos ambientais, o R744 tem um valor ODP igual a zero e GWP100a unitário, sendo por isso, uma boa alternativa para solucionar tais problemas. O R134a é um HFC, com ODP nulo e, de acordo com IPCC (2007), o valor do GWP100a equivale a 1430, calculado de Trabalho técnico #1 IIAR

4 2017 IIAR Natural Refrigeration Conference & Heavy Equipment Expo, San Antonio, TX acordo com o AR4 (Assessment Relatório 4) do IPCC (Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas, 2007). De acordo com a mesma fonte, o hidrocarboneto propano, R290, apresenta GWP igual a 3,3. Montagner e Melo (2011) analisaram, experimentalmente, ciclos termodinâmicos de R744 para refrigeração comercial. O efeito da carga de refrigerante e do tipo de dispositivo de expansão (tubo capilar ou válvula termostática) foram analisados. Os resultados demonstraram que o desempenho do sistema depende de ambos os parâmetros. Silva et al. (2012) apresentaram um trabalho experimental sobre a eficiência energética em três diferentes sistemas utilizados em aplicações de supermercados. Os sistemas consistem de um ciclo em cascata subcrítico R744 / R404A e outros dois sistemas de expansão direta com R22 e R404A. Os resultados obtidos pelos autores mostraram a redução no consumo de energia, %, do sistema em cascata em relação aos sistemas de expansão direta. Outro fato importante, enfatizado pelos autores, está relacionado com a carga de fluido refrigerante dos sistemas. O sistema tipo cascata utilizou 32 kg de CO 2 e 15 kg de R404A, enquanto que o sistema de expansão direta com R404A utilizou 125 kg de R404A e o R kg, respectivamente. A quantidade de refrigerante influencia o custo final da operação, uma vez que deve ter em conta a substituição do fluido no sistema. Lee et al. (2006) analisaram termodinamicamente um sistema em cascata R744 / R717, objetivando determinar a temperatura de condensação ótima do R744 no circuito de baixa temperatura. As exigências das normas ambientais são mais bem atendidas, utilizando refrigerantes naturais tanto no ciclo de baixa temperatura, como no de alta. Messineo (2011) utilizou este mesmo par de fluidos em cascata, para comparar o desempenho com um sistema de refrigeração para baixas temperaturas de evaporação (-30 ºC e 50 C) utilizando R404A em dois estágios. Concluiu que por questões energéticas, ambientais e de segurança, o sistema tipo cascata é uma boa alternativa ao sistema utilizando o R404A. 4 IIAR 2017 Trabalho técnico #1

5 Investigação Experimental da Eficiência Energética e do Impacto Ambiental de um Sistema de Sachdeva et al. (2014) estudaram numericamente um sistema de refrigeração em cascata, trabalhando com R744 no circuito de baixa temperatura e R404A e diversos fluidos no circuito de alta temperatura. Os resultados mostraram que o R717 obteve os maiores valores de COP. O R404A por sua vez, apresentou o pior COP entre os fluidos analisados (R717, R404A, R290, R1270, R12). Antunes e Bandarra Filho (2016) realizaram uma investigação experimental do processo de drop-in do R22 em um sistema de refrigeração com capacidade de 15 kw. A bancada experimental foi composta de um compressor semi-hermético alternativo de velocidade variável, trocadores de calor de tubos concêntricos e uma válvula de expansão eletrônica (VEE). Inicialmente, foi realizada uma análise do desempenho individual de cada refrigerante, em três diferentes temperaturas de evaporação: -15ºC, -10ºC e -5ºC, e todos os refrigerantes testados puderam substituir o R22 nestas aplicações específicas. Ambos os hidrocarbonetos e o R32 proporcionaram capacidades de refrigeração e valores de COP superiores ao sistema original com R22. Em complemento, os autores estimaram os impactos ambientais de cada fluido através do método TEWI, (Total Equivalent Warming Impact). Os HCs apresentaram os menores impactos, enquanto o R404A promoveu os maiores danos ao meio ambiente. O objetivo deste trabalho é avaliar o desempenho do sistema em cascata subcrítico usando o par R744 / R134a, o qual representa o aparato experimental originalmente instalado e, posteriormente, comparar o comportamento do sistema após a substituição do refrigerante R134a pelo R290, por meio de uma operação tipo drop-in. A opção pelo refrigerante R290 ocorreu devido ao restrito número de dados disponíveis na literatura. Trabalho técnico #1 IIAR

6 2017 IIAR Natural Refrigeration Conference & Heavy Equipment Expo, San Antonio, TX Materiais e Métodos O aparato experimental pode ser divido em dois ciclos, o ciclo de baixa temperatura, formado por um compressor alternativo de velocidade variável para o R744 e uma válvula de expansão eletrônica que promove a evaporação direta do CO 2 no interior de uma câmara fria (2,3m x 2,6m x 2,5m), para manter a temperatura interna da mesma estável. Para tanto, o R744 deixa o compressor no estado de vapor superaquecido, é condensado e, em seguida, armazenado em um tanque de líquido. Ao deixar o tanque de líquido em direção à válvula de expansão eletrônica, o mesmo passa por um medidor de vazão tipo Coriolis, e expande na unidade evaporadora; posteriormente, o R744 superaquecido atravessa um trocador de calor intermediário, aumentando ainda mais o grau de superaquecimento. Por fim, o CO 2 retorna à sucção do compressor. A Figura 1 apresenta uma foto da bancada experimental. O ciclo de alta temperatura é constituído por um compressor alternativo para o R134a, uma válvula de expansão eletrônica e um condensador resfriado a ar. Um trocador de calor do tipo placas, que é ao mesmo tempo o condensador do R744 e o evaporador para o sistema de R134a, completa o sistema. Dois parâmetros básicos foram alterados no sistema, o grau de superaquecimento do R744 e a frequência de operação do compressor de R744. A simulação da carga térmica dentro da câmara fria foi realizada por meio de um banco de resistências elétricas, o qual dissipa de 1,5 a 3,5 kw de potência. Apesar das paredes da câmara serem bem isoladas, as trocas de calor por condução nas mesmas, no piso e no teto, além do calor de radiação são inerentes ao processo de evaporação do R744; com isso, os valores da capacidade frigorífica do sistema cascata em todos os testes foram superiores a 3,5 kw. 6 IIAR 2017 Trabalho técnico #1

7 Investigação Experimental da Eficiência Energética e do Impacto Ambiental de um Sistema de A avaliação do desempenho e a determinação da operabilidade do sistema cascata foram possíveis graças a testes experimentais rigorosamente controlados e atendendo aos seguintes padrões: o grau de superaquecimento útil do ciclo BT, medido na saída do evaporador, foi mantido com valores fixos de 5, 10 ou 15 K; a frequência de alimentação do compressor de R744 foi manipulada por meio de um inversor de frequência, possibilitando a execução de testes em cinco condições distintas: 45, 50, 55, 60 e 65 Hz. O compressor do ciclo AT (R134a ou R290) operou com frequência fixa de 60 Hz, o grau de superaquecimento do ciclo AT foi fixado em 20 K e os testes somente foram realizados quando a temperatura ambiente respeitava uma faixa entre 27 e 33 C. A Figura 2 apresenta o diagrama esquemático da bancada experimental. O sistema foi devidamente instrumentado, tornando possível medir valores de pressão e temperatura de vários pontos do sistema, bem como a potência consumida pelos compressores. A partir do conhecimento destas propriedades, os valores de variáveis de interesse, tais como COP do sistema e capacidade frigorífica, foram calculados. Os testes foram realizados em condição de regime permanente, estes foram divididos em três etapas e cada teste durou, em média, cinco horas. O controle do grau de superaquecimento foi alcançado por meio do controle da pressão na saída do evaporador, modulando a abertura da válvula de expansão eletrônica. Trabalho técnico #1 IIAR

8 2017 IIAR Natural Refrigeration Conference & Heavy Equipment Expo, San Antonio, TX Figura 1. Foto ilustrando a bancada experimental. A capacidade de refrigeração do sistema foi calculada de acordo com a primeira lei da termodinâmica e é dada pela Equação 1, considerando a condição de regime permanente, na qual o fluido refrigerante é a única substância presente no volume de controle delimitado pelo evaporador. Q SYST = m LT ( h evap ) (1) L 8 IIAR 2017 Trabalho técnico #1

9 Investigação Experimental da Eficiência Energética e do Impacto Ambiental de um Sistema de Onde representa a vazão mássica de R744, equivale à diferença de entalpia entre a saída e a entrada da unidade evaporadora. Transdutores de pressão tipo piezoresistivo (com incerteza de medição de 25 kpa) e detectores de temperatura de resistência a PT-100 (com incerteza de medida de 0,15 C) foram usados para medir essas propriedades, determinando o estado termodinâmico do fluido refrigerante em cada ponto de interesse no ciclo de compressão de vapor. Dois medidores de vazão tipo Coriolis foram utilizados para medir a taxa de fluxo de massa com incerteza de medição de 0,07% do valor medido. O consumo de energia de cada compressor foi medido e esses dados possuem uma incerteza de 0,003 kw. Os cálculos dos valores de COP do sistema de cascata foram realizados por meio da relação entre a capacidade de refrigeração e a soma do consumo de energia dos dois compressores, conforme ilustra a Equação 2. COP = Q SYST W LT + W HT (2) Além da proposta de estudar o desempenho energético do sistema de refrigeração em cascata sob diversas condições de operação, é também objetivo desse trabalho, estabelecer uma comparação entre o funcionamento do sistema original (R744 / R134a) e o funcionamento do sistema cascata alternativo (R744 / R290). Assim, realizou-se o drop-in direto do fluido R290 no ciclo AT, substituindo a carga de 3,9 kg de R134a por propano, com redução de 50%, ou seja, 1,9 kg, sem alterar qualquer componente do sistema. Para o cálculo da carga de propano foram utilizados os critérios de segurança contidos na norma EN 378. Cabe destacar que ambos os compressores foram lubrificados por óleos do tipo polioester. Nestas condições, o novo par de refrigerantes deve proporcionar valores de capacidades de refrigeração e temperaturas do ar no interior da câmara, semelhantes aos valores obtidos pelo sistema original, respeitando assim, o que seriam as condições de projeto de uma câmara fria para estocagem em uma aplicação Trabalho técnico #1 IIAR

10 2017 IIAR Natural Refrigeration Conference & Heavy Equipment Expo, San Antonio, TX comercial. O COP proporcionado pelo novo par de refrigerantes, torna-se uma consequência e seus valores serão comparados à performance do par de fluidos original. Figura 2. Diagrama esquemático da bancada experimental. Resultados Experimentais A primeira etapa de resultados refere-se unicamente à análise do sistema cascata original que opera com o fluido R134a no ciclo AT e R744 no ciclo BT. Um total de quinze testes foi realizado e dois parâmetros básicos foram alterados durante esses 10 IIAR 2017 Trabalho técnico #1

11 Investigação Experimental da Eficiência Energética e do Impacto Ambiental de um Sistema de testes, o valor do grau de superaquecimento útil do ciclo BT e o valor da frequência de operação do compressor de R744. A Figura 3a apresenta valores de temperatura de evaporação e temperatura de condensação do ciclo BT. É possível observar que os quinze pontos experimentais, em diferentes condições de operação, permitem que o sistema cascata trabalhe de forma flexível, tornando possível alcançarem diferentes capacidades de refrigeração e diversos valores de temperatura do ar no interior da câmara fria. Temperatura de condensação BT [ C] Hz 60 Hz 55 Hz 50 Hz 45 Hz Potência consumida BT [kw] Hz 60 Hz 55 Hz 50 Hz 45 Hz Temperatura de evaporação BT [ C] (a) Grau de superaquecimento BT [K] (b) Figura 3. Temperaturas de evaporação e condensação (a) e consumo de potência do compressor (b), valores referentes ao ciclo BT para diferentes frequências de operação e grau de superaquecimento. O consumo do compressor de R744 aumenta com o incremento da sua frequência de operação, Figura 3b. De forma geral, foi observado nesta fase de resultados que o ciclo BT apresentou menor consumo quando comparado ao ciclo AT, o qual consumiu em média 1,90 kw. É evidente que o menor consumo ocorre devido à elevada densidade de vapor do R744, mesmo com os pistões deslocando um elevado volume no processo. O compressor de R744 trabalhou a uma razão de compressão de aproximadamente 1,7:1 ao passo que o compressor de R134a alcançou valores de 5:1. De acordo com a Figura 4, pode-se determinar um ponto de operação desejado, a partir da temperatura do ar na câmara fria. É interessante observar que com maiores frequências e menores graus de superaquecimento, obtém-se os menores valores de Trabalho técnico #1 IIAR

12 2017 IIAR Natural Refrigeration Conference & Heavy Equipment Expo, San Antonio, TX temperaturas do ar. Ao observar os testes realizados a 60Hz é possível identificar, em ambas as figuras, que o diferencial de temperatura da unidade evaporadora, ou seja, a diferença entre o valor da temperatura do ar e a temperatura de evaporação é afetada pelo valor do grau de superaquecimento útil imposto ao sistema. Este comportamento se repete em cada frequência de operação. Temperatura do ar [ C] Grau de superaquecimento BT [K] 65 Hz 60 Hz 55 Hz 50 Hz 45 Hz (a) Temperatura do ar [ C] Pressão de evaporação BT [bar] 65 Hz 60 Hz 55 Hz 50 Hz 45 Hz (b) Figura 4. Comportamento da temperatura do ar no interior da câmara fria para diversas frequências de operação em função do grau de superaquecimento (a) e em função da pressão de evaporação do R744 (b). A Figura 5a ilustra os valores de COP do sistema relacionados com os valores da temperatura do ar. O menor valor da temperatura do ar na câmara foi -17,7 C e o maior de -0,8 C. É importante mencionar que o compressor do ciclo AT operou com frequência fixa de 60 Hz e o grau de superaquecimento útil desse ciclo foi fixado em 20 K. Além disso, os testes foram realizados com valores de temperatura ambiente na faixa entre 27 e 33 C e a simulação da carga térmica na câmara fria foi realizada por intermédio de um banco de resistências elétricas, o qual dissipou 3,0 kw de potência para todos os testes realizados. 12 IIAR 2017 Trabalho técnico #1

13 Investigação Experimental da Eficiência Energética e do Impacto Ambiental de um Sistema de COP [-] Hz 60 Hz 55 Hz 50 Hz 45 Hz COP [-] Hz 60 Hz 55 Hz 50 Hz 45 Hz Temperatura do ar [ C] (a) Capacidade de refrigeração [kw] (b) Figura 5. Comportamento do COP do sistema de acordo com os valores de temperatura do ar (a) e COP do sistema relativo à capacidade frigorífica (b). Os valores da capacidade de refrigeração, Figura 5b, variaram entre 4,30 e 5,58 kw, demonstrando a aplicabilidade desse sistema cascata em condições de carga térmica variável. A capacidade de refrigeração mais elevada, 5,58 kw, ocorreu para a frequência de 65 Hz, operando com superaquecimento de 15 K. O maior COP do sistema cascata foi de 2,09, operando a 60 Hz e 10 K de superaquecimento. O menor COP do sistema foi de 1,81 em condição de 65 Hz e 5 K de superaquecimento. Os valores de temperaturas de evaporação e condensação referentes a esses resultados são os mesmos apresentados na Figura 3a. Os dados experimentais de Sanz-Kock et al. (2014) foram utilizados como parâmetros de comparação para os valores de desempenho encontrados neste trabalho. Os autores avaliaram experimentalmente, um sistema em cascata R744 / R134a para refrigeração comercial. O aparato experimental utilizado operou em condições semelhantes, como resultados os autores estimaram valores para o COP do sistema entre 1,05 e 1,65. Os valores de capacidades de refrigeração variaram entre 4,5 e 7,5 kw. Trabalho técnico #1 IIAR

14 2017 IIAR Natural Refrigeration Conference & Heavy Equipment Expo, San Antonio, TX A segunda etapa de resultados refere-se à análise comparativa entre o sistema cascata original e o sistema alternativo, operando com o R290 no ciclo AT e R744 no ciclo BT. Novos testes foram realizados e os mesmos parâmetros básicos foram alterados durante esses testes: o valor do grau de superaquecimento útil do ciclo BT (5, 10 ou 15 K) e o valor da frequência de operação do compressor de R744 (60 e 65 Hz). A Tabela 1 permite uma comparação entre os sistemas, essa se refere a doze testes experimentais, onde o compressor de R744 operou em frequências, f BT, de 60 e 65 Hz. Diversos parâmetros podem ser observados, tais como a temperatura de evaporação do ciclo BT, T EV BT, ou mesmo a temperatura do R744 medida na linha de líquido, T L BT. Os demais parâmetros permitem a completa avaliação da performance do sistema em cascata e serão comentados em sequência. Sistemas f BT Δ T SA T BT EV T BT CD T BT D T BT LBT m! BT W! BT W! T AT EV T AT CDAT AR T SIST Q! COP [Hz] [kw] [ C] [ C] [ C] [ C] [kg s -1 ] [kw] [kw] [ C] [ C] [ C] [kw] [-] R744/ R134a R744/R ,7-9,6 84,5-9,6 0,0202 0,69 2,00-5,1 31,0-8,5 5,58 2, ,9-9,8 81,6-9,9 0,0178 0,67 1,90-6,2 30,1-13,6 4,83 1, ,7-8,6 79,6-8,7 0,0184 0,68 2,00-5,1 31,0-17,7 4,85 1, ,1-9,9 80,1-10,0 0,0194 0,63 1,95-6,2 29,7-7,6 5,39 2, ,4-9,9 76,6-10,0 0,0172 0,59 1,80-6,2 27,8-11,7 4,68 1, ,4-9,2 76,1-9,2 0,0181 0,60 1,90-6,2 31,4-16,5 4,79 1, ,7-17,7 71,2-17,8 0,0200 0,45 2,30-15,9 35,2-10,8 5,88 2, ,7-17,7 71,6-17,8 0,0180 0,46 2,35-14,9 39,8-15,8 5,20 1, ,5-17,7 72,8-17,8 0,0193 0,47 2,38-13,9 41,1-20,0 5,47 1, ,9-18,7 68,1-18,7 0,0181 0,40 2,30-16,9 37,5-9,2 5,37 1, ,5-18,3 67,4-18,4 0,0185 0,39 2,35-15,9 39,2-13,0 5,39 1, ,5-18,5 68,5-18,5 0,0196 0,40 2,40-13,9 40,1-18,0 5,62 2,01 Tabela 1 Comparação entre os pares de refrigerantes, resultados obtidos na condição em que compressor de R744 a 60 e 65 Hz e grau de superaquecimento do ciclo BT de 5, 10 ou 15 K. O uso do R290 no compressor dimensionado para R134a promove mudanças significativas no comportamento do sistema cascata. Avaliando potência do compressor AT com o refrigerante R290, nota-se um aumento médio de 20% em relação a esse mesmo compressor com R134a. Explica-se tal fato pela diferença da taxa de compressão destes refrigerantes, para a operação com R134a a taxa 14 IIAR 2017 Trabalho técnico #1

15 Investigação Experimental da Eficiência Energética e do Impacto Ambiental de um Sistema de corresponde a 5:1, enquanto com R290 essa se eleva a 6:1. O HC apresenta uma capacidade de refrigeração volumétrica superior ao R134a, o uso de um inversor de frequência associado a este compressor do ciclo AT seria uma opção para efetivar a aplicação de drop-in. No entanto, o compressor AT permaneceu operando em frequência nominal de 60 Hz e a única alteração técnica aplicada a este novo sistema foi fechar a VEE do ciclo AT, de forma a permitir que o grau de superaquecimento do ciclo com R290 permanecesse fixo em 20K durante os testes. Os valores das temperaturas de evaporação e condensação do ciclo AT são indicados na Tabela 1; esses permitem avaliar as diferenças operacionais entre os dois sistemas, como por exemplo: o fato dos valores das temperaturas de condensação do ciclo BT com o R290 serem inferiores quando comparados ao sistema R744 / R134a. Ainda de acordo com a Tabela 1, os valores relativos às temperaturas de descarga de R744, T D BT, são inferiores para o sistema alternativo, garantindo melhores condições de lubrificação, prolongando a vida útil do compressor. Os valores de capacidade de refrigeração para o par R744 / R290 são em média 10% maiores quando comparados ao sistema original. Por mais que a vazão mássica, m! BT, para os dois sistemas possuam valores semelhantes, o propano permite uma maior diferença entre as entalpias de entrada e saída da unidade evaporadora. Tal efeito é vinculado às condições de pressão e temperaturas estabelecidas no trocador de calor cascata. Em outras palavras, o sistema contendo propano promove menores temperaturas de condensação do ciclo BT, T CD BT, consequentemente o consumo do compressor BT, observado na Tabela 1. W! BT, é reduzido para todas as condições de operação, conforme A Figura 6 apresenta o comportamento do COP e da capacidade frigorífica para diversos pontos de operação em função da temperatura do ar no interior da câmara fria, T AR. Vale destacar que as condições de evaporação e condensação de ambos os ciclos estão contidas na Tabela 1. Trabalho técnico #1 IIAR

16 2017 IIAR Natural Refrigeration Conference & Heavy Equipment Expo, San Antonio, TX COP [-] Temperatura do ar [ C] R134a R290 (a) Capacidade de refrigeração [kw] Temperatura do ar [ C] R134a R290 (b) Figura 6. Comportamento do COP (a) e capacidade frigorífica (b) para diversos pontos de operação em função da temperatura do ar dentro da câmara fria. Observa-se na Figura 6a uma compatibilidade entre a temperatura do ar na câmara e o COP para ambos os sistemas. O par contendo R290 apresenta COP máximo de 2,14, este ocorre quando o compressor opera em frequência de 65 Hz e superaquecimento, ΔT SA BT, de 15 K. Já o sistema original apresenta COP máximo de 2,09. Por mais que as condições de COP e temperatura operativa do ar sejam compatíveis, a capacidade de refrigeração do sistema com R290 é ligeiramente superior em quase toda faixa analisada, Figura 6b. O impacto causado ao ambiente foi calculado com base no TEWI. Este método considera os impactos diretos e indiretos associados ao uso de fluidos refrigerantes em aplicações no setor de HVACR. A Equação 3 representa a metodologia utilizada neste cálculo. TEWI = CO 2 equ DIRECT + CO 2 equ INDIRECT (3) O efeito direto pode ser calculado pela Equação IIAR 2017 Trabalho técnico #1

17 Investigação Experimental da Eficiência Energética e do Impacto Ambiental de um Sistema de C C Onde: CO 2 equ DIRECT = M REF L RATE L TIME GWP + M REF 1-α GWP (4) M REF : Massa de refrigerante no sistema, [kg]; L RATE : Taxa anual de refrigerante emitido (substituição e vazamento), [%]; L TIME : Tempo de vida útil do equipamento [anos]; α : Recuperação / reciclagem ao final da vida útil do equipamento [%]. Para realização dos cálculos, adotou-se uma vida útil de 10 anos para o sistema com todos os fluidos. De acordo com o método de cálculo do Total Equivalent Warming Impact (Methods of calculating Total Equivalent Warming Impact (TEWI), 2012), os vazamentos anuais (operações normais, perdas catastróficas e serviços de manutenção) foi de 12,5% para um sistema centralizado. Utilizou-se 70% para as taxas de recuperação dos fluidos refrigerantes, valor esse adotado para sistema com carga de refrigerante menor do que 100 kg. Foram utilizados os valores para GWP de acordo com o Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas (Fourth assessment report, 2007). O Impacto indireto no aquecimento global pode ser calculado pela Equação 5. CO 2 equ INDIRECT = βe ANNUAL L TIME (5) Onde: N E ANUAL : Energia elétrica consumida pelo equipamento, [kwh ano-1]; β : Emissão de CO 2 para geração de eletricidade, [kgco 2 kwh-1]. Trabalho técnico #1 IIAR

18 2017 IIAR Natural Refrigeration Conference & Heavy Equipment Expo, San Antonio, TX Dois pontos experimentais da Tabela 1, um de cada sistema, mostraram-se extremamente semelhantes em termos de performance. Referente ao sistema R744 / R134a a temperatura do ar no interior da câmara estabilizou-se em -8,5 ºC, atingindo uma capacidade de refrigeração de 5,58 kw. Enquanto o sistema R744 / R290 manteve a temperatura da câmara fria em -9,2 ºC (diferença de 8% em relação ao sistema original) e a capacidade de refrigeração de 5,37 kw, 4% de diferença. O cálculo do TEWI para o sistema R744/R134a resultou em kgco 2 kwh -1, enquanto o sistema contendo o hidrocarboneto apresentou um valor inferior de kgco 2 kwh -1. O total de horas em operação foi admitido como sendo a mesma para ambos os sistemas. A emissão de CO 2 por kwh de energia elétrica gerada (valor extraído do CO 2 Emissions from fuel combustion, International Energy Agency, 2011) foi adotada em referência a matriz energética norte americana, 0,531 kgco2 kwh -1. O uso de um fluido refrigerante com baixo GWP reduz o dano referente ao impacto direto no meio ambiente, para o sistema R744 / R290 este valor foi estimado em 45,9 kgco 2 kwh -1, enquanto o sistema original resultou em 8680 kgco 2 kwh -1. A economia de energia é importante na redução do impacto indireto, calculado em kgco 2 kwh -1 para o sistema com propano, já o sistema original resultou em um valor muito próximo, kgco 2 kwh -1. Nessas condições, o R290 apresentou valor total de TEWI de 9,9 % menor quando comparado ao sistema original. Conclusões A fim de contribuir para a melhoria dos processos de refrigeração, bem como a sustentabilidade e eficiência energética, este estudo experimental comparou o desempenho de um sistema em cascata subcrítico originalmente utilizando o par de refrigerantes R744 / R134a a um segundo sistema, onde o R134a foi substituído por R290 por meio de uma operação de drop-in. 18 IIAR 2017 Trabalho técnico #1

19 Investigação Experimental da Eficiência Energética e do Impacto Ambiental de um Sistema de Inicialmente, observou-se que os valores de capacidade de refrigeração do sistema original foi estabelecida entre 4,30 e 5,58 kw, demonstrando a aplicabilidade deste sistema em cascata funcionando nas condições de carga térmica variável. Tal flexibilidade operacional estendeu-se também aos valores estabelecidos para a temperatura do ar no interior da câmara fria, o menor valor foi -17,7 C e o maior -0,8 C. O maior valor do COP do sistema cascata original resultou em 2,09 operando a 60 Hz e 10 K de superaquecimento. O menor COP obtido foi de 1,81 para condição de 65 Hz e 5 K de superaquecimento. Após a realização do drop-in, o uso do R290 promoveu mudanças significativas quanto à performance do novo sistema. A carga de refrigerante utilizada no ciclo BT permaneceu inalterada, já a massa no interior do ciclo AT foi reduzida em 50%. O compressor AT permaneceu operando em frequência nominal de 60 Hz, e a única alteração técnica aplicada a este novo sistema foi o fechamento considerável da VEE do ciclo AT, de forma a permitir valores positivos para o grau de superaquecimento do ciclo com R290. Os valores de capacidade de refrigeração para o par R744 / R290 foram em média 10% superiores ao sistema original. No entanto, a potência consumida por estes compressores foi maior, resultando em valores de COP semelhantes quando comparados sob o mesmo grau de superaquecimento. Assim, o uso do R290 em cascata com o R744 mostrou-se como boa opção de drop-in ao R134a. Finalmente, realizada a avaliação do impacto ambiental causado pelos dois sistemas, observou-se para o sistema R744 / R290 que o valor do TEWI foi 9,9 % menor quando comparado ao sistema original. Agradecimentos Os autores agradecem o suporte à pesquisa concedido pela CAPES, CNPq e FAPEMIG. Trabalho técnico #1 IIAR

20 2017 IIAR Natural Refrigeration Conference & Heavy Equipment Expo, San Antonio, TX Referências Antunes, A. H. P., Bandarra Filho, E. P., Experimental investigation on the performance and global environmental impact of a refrigeration system retrofitted with alternative refrigerants, International Journal of Refrigeration, vol. 70, pp CO 2 Emissions from fuel combustion, International Energy Agency; EN European Standard, Refrigerating systems and heat pumps - Safety and environmental requirements. Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment. Lee, T.S., Liu, C.H., Chen, T.W., Thermodynamic analysis of optimal condensing temperature of cascade-condenser in CO 2 /NH 3 cascade refrigeration systems. International Journal of Refrigeration, vol. 29, pp Messineo, A., R744-R717 Cascade Refrigeration System: Performance Evaluation compared with a HFC Two-Stage System. Energy Procedia, vol. 14, pp Methods of calculating Total Equivalent Warming Impact (TEWI) 2012, The Australian Institute of Refrigeration, Air Conditioning and Heating, Molina, M.J., Rowlan, F.S. Stratospheric sink for chlorofluorometanes: chlorine atom catalyzed destruction of ozone. Nature, 249, 1974, pp Montagner, G. P., Melo, C., 2011, Experimental evaluation of CO 2 cycles under different expansion strategies. International Congress of Refrigeration. 20 IIAR 2017 Trabalho técnico #1

21 Investigação Experimental da Eficiência Energética e do Impacto Ambiental de um Sistema de Sachdeva, G., Jain, V., Kachhwaha, S. S., Performance Study of Cascade Refrigeration System Using Alternative Refrigerants. International Journal of Mechanical, Aerospace, Industrial and Mechatronics Engineering, vol. 8, No 3. Sanz-Kock, C., Llopis, R., Sanchez, D., Cabello, R., Torrella, E., Experimental evaluation of an R134a/CO 2 cascade refrigeration plant. Applied Thermal Engineering, vol. 73, pp Silva, A., Bandarra Filho, E. P., Antunes, A. H. P., Comparison of a R744 cascade refrigeration system with R404A and R22 conventional systems for supermarkets, Applied Thermal Engineering, vol. 41, pp Trabalho técnico #1 IIAR