Eficiência Energética. Eficiência energética em sistemas de refrigeração. Agosto, 2017

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1 Eficiência Energética Eficiência energética em sistemas de refrigeração Agosto, 2017

2 Refrigeração Pode-se definir refrigeraçãocomo 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.

3 Aplicações Os sistemas de refrigeração podem ser classificados de acordo com a faixa de temperaturas em que operam: Sistemas de baixa temperatura: -40 C T E <-18 C; Sistemas de média temperatura: -18 C T E 0 C; Sistemas de alta temperatura: T E >0 C.

4 Aplicações 4

5 Aplicações Uma das aplicações mais importantes da refrigeração é a preservação de alimentos perecíveis através da armazenagem refrigerada.

6 Aplicações Aumento do tempo de prateleira dos produtos perecíveis: 1frango; 2peixe; 3carne; 4banana; 5laranja; 6maçã; 7ovos; 8maçã. armazenada em atmosfera controlada de dióxido de carbono.

7 Aplicações Algumas temperaturas recomendadas de armazenamento, sem congelamento. 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

8 Aplicações: processamento de alimentos 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 Ce 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 Cpara 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.

9 Aplicações 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.

10 Aplicações O controle da qualidade do ar em sistemas de arcondicionado é de extrema importância. ANVISA, Resolução RE nº 9, de 16 de janeiro de Padrões Referenciais de Qualidade do Ar Interior, em ambientes climatizados artificialmente de uso público e coletivo.

11 Aplicações 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: congelamento do solo para abertura de poços ou túneis ou perfuração de furos.

12 Aplicações: indústrias químicas e petroquímicas 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.

13 Aplicações: manufatura 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 águanele 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.

14 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.

15 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;

16 O Ciclo Ideal de Carnot T 3 2 Processos: 1-2: compressão adiabática e isentrópica; 2-3:rejeição isotérmica de calor; : expansão adiabática e isentrópica; 4-1: recebimento isotérmico de calor; S

17 O Ciclo Ideal de Carnot

18 T s T 2 T 1 s 3 = s 4 s 2 = s 1 Efeito de refrigeração Trabalho líquido Q C Q E T T T S S T T S S T COP = = O Ciclo Ideal de Carnot

19 Como reproduzir o ciclo de Carnot T s

20 Um pouco mais real T S

21 O ciclo padrão P P C 3 Q C 2 s 2 = s 1 W m P E 4 QE 1 h 3 = h 4 h 1 h 2 h

22 O ciclo padrão Para sua operação, são necessários pelo menos 4 componentes: dispositivo de expansão condensador compressor alta pressão evaporador baixa pressão

23 Um sistema de refrigeração completo

24 Sub-resfriamento e super-aquecimento

25 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.

26 A camada de ozônio Fóton ultra violeta (UV) + O 2 O O + O O 2 O 3 + O 3 O O 2 + O O 2 O 3

27 A camada de ozônio F Cl C + C CFCl 3 Cl CFCl 2 Cl + O 3 O 2 + ClO + + O ClO Cl O 2

28 A camada de ozônio

29 O Protocolo de Montreal Data Redução da produção e consumo CFC 1 janeiro % nível de janeiro % nível de janeiro % nível de janeiro % nível de 1986 HCFC 1 janeiro ,1% consumo CFC+HCFC janeiro % da situação de janeiro % da situação de janeiro % da situação de janeiro ,5% da situação de janeiro % da situação de Revisão de Copenhagen, 1992

30 Refrigerantes

31 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.

32 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 33

34 Qualidade dos refrigerantes 34

35 Qualidade dos refrigerantes 35

36 Qualidade dos refrigerantes 36

37 Qualidade dos refrigerantes 37

38 Qualidade dos refrigerantes 38

39 Problemas futuros 39

40 Balanço de energia Baseado na 1ª. Lei da Termodinâmica, considerando o volume de controle: 40

41 Balanço de energia No evaporador: capacidade de refrigeração [kw] P P C 3 Q C 2 s 2 = s 1 W m P E 4 QE 1 h 3 = h 4 h 1 h 2 h 41

42 Balanço de energia No condensador: calor dissipado no meio externo [kw] P P C 3 Q C 2 s 2 = s 1 W m P E 4 QE 1 h 3 = h 4 h 1 h 2 h 42

43 Balanço de energia No compressor: potência de compressão [kw] P Potência real P C 3 Q C 2 s 2 = s 1 W m P E 4 QE 1 h 3 = h 4 h 1 h 2 h 43

44 Balanço de energia No dispositivo de expansão: P P C 3 Q C 2 s 2 = s 1 W m P E 4 QE 1 h 3 = h 4 h 1 h 2 h 44

45 Balanço de energia Coeficiente de performance: P P C 3 Q C 2 s 2 = s 1 W m P E 4 QE 1 h 3 = h 4 h 1 h 2 h 45

46 Propriedades termodinâmicas Obtidas através de diagramas e tabelas pressão vs. entalpia 46

47 Compressores Na refrigeração são utilizados praticamente todos os tipos de compressores: Deslocamento positivo Dinâmicos Alternativos Rotativos Centrífugos Parafuso Scroll Pistão Rolante Palhetas 47

48 (a) (b) (c) (d) (e) 48

49 Compressores Em aplicações industriais, os mais utilizados são os compressores alternativos e os rotativos, tipo parafuso. Compressor alternativo: 7:1 49

50 Compressores Compressor parafuso: 50

51 Recuperação de calor 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. 51

52 Recuperação de calor 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?). 52

53 Recuperação de calor 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. 53

54 Recuperação de calor 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). 54

55 Potenciais para recuperação de calor Desuperaquecimentodo vapor na descarga do compressor (compressores alternativos): 55

56 Potenciais para recuperação de calor 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): 56

57 Potenciais para recuperação de calor 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. 57

58 Potenciais para recuperação de calor Entretanto, esse óleo é indesejável nas outras partes do processo, principalmente nos trocadores de calor, onde funciona como uma incrustação, exigindo o uso de separadores de óleo. Um tipo de separador de óleo muito utilizado é apresentado abaixo. Separador de óleo em um compressor parafuso. 58

59 Potenciais para recuperação de calor Utilizando abaixo como referencia, o óleo quente deixa o separador de óleo passando por um filtro, dirigindo-se até a bomba de óleo. O óleo é então bombeado para um trocador de calor, onde o calor é rejeitado para uma corrente de água ou outro fluido secundário. O óleo frio passa por um filtro e retorna ao compressor enquanto a água ou outro fluido secundário são resfriados. No caso da água, utiliza-se uma torre de arrefecimento. 59 Processo de resfriamento a água.

60 Potenciais para recuperação de calor 60

61 Potenciais para recuperação de calor 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. T e, C T c, C T d, C W comp, kw Q oleo, kw Desup, kw Vazão, L/min

62 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 Médias Claras

63 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: 63

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? 64

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. 65

66 Carga térmica por infiltração de ar Oganhodecaloratravésdeportas,emkW,devido àstrocasdearédadopelaeq.: Q& a = qd D 1 t f ( E) onde qé a carga térmica sensível e latente para fluxo completamente estabelecido, em kw; D t é a fração de tempo de abertura das portas; D f é fator de fluxo da porta e Eé a efetividade do sistema de proteção da porta. A carga térmica sensível e latente, q, em kw, pode ser calculada por: 0, 5, q 0 ρ ( ) i 0 5, 221A ii ir r 1 ( gh ) Fm r = ρ ρ ondeaéaárea daporta,emm 2 ;i i éaentalpiado ar deinfiltração (arexterno),em kj/kg;i r é a entalpia do ar refrigerado, em kj/kg; ρ i é a massa específica do ar de infiltração, em kg/m 3 ; ρ r é a massa específica do ar refrigerado, em kg/m 3 ; g é a aceleração da gravidade, em m/s 2 ;Héaaltura da porta ef m o fator de densidade, dado por: 1, 5 F m 2 = ρ 1 r + ρi 1 3

67 Carga térmica por infiltração de ar F m 2 = ρ 1 r + ρi 1 3 1, 5 Os valores de entalpia específica e volume específico podem ser obtidos na carta psicrométrica para temperaturas de bulbo seco (TBS) internas maiores que -10 C. Para temperaturas menores (T i et i,k ) que -10 C, podem ser obtidas através das equações: respectivamente. i = Ti + 1,0 ρ = 353 T i,k com T i,k em Kelvin

68 Carga térmica por infiltração de ar Efetividade dos dispositivos de proteção da porta: Dispositivo Efetividade E Cortina de ar vertical 0,79 Cortina de ar horizontal 0,76 Cortina de tiras de plástico 0,93 Cortina de ar + cortina de plástico 0,91

69 Carga térmica por infiltração de ar Carta psicrométrica TBS, C 69