Universidade Federal de Uberlândia - UFU Faculdade de Engenharia Mecânica - FEMEC Laboratório de Energia e Sistemas Térmicos LEST APLICAÇÕES DO CO 2 NO SETOR AUTOMOTIVO Enio P. Bandarra Filho bandarra@mecanica.ufu.br
SUMÁRIO Introdução Ar Condicionado Automotivo Resultados e Comparações CO 2 e R-134a Análise e Projeção de Mercado para Ar Condicionado Automotivo Visualização do Escoamento no Interior de Trocadores de Calor tipo Microcanais Considerações Finais
INTRODUÇÃO
Histórico CO 2 não é um novo refrigerante, já foi proposto como refrigerante em 1850. Pico de utilização como fluido refrigerante em sistemas de refrigeração nos anos de 1920 e 1930. Com a introdução dos compostos halogenados, seu uso foi suprimido. Década de 90, ressurgiram as discussões para uso do CO 2, devido às características ecológicas (ODP e GWP), juntamente com Hidrocarbonetos e Amônia.
Características CO 2 não é um refrigerante tóxico. (Torna-se tóxico em grandes concentrações) Não é inflamável. Possui duplo Papel no meio ambiente: é necessário à vida na terra, mas também colabora, em menor escala, para o efeito estufa. Concentração no ar atmosférico aproximadamente entre 0,03 e 0,06% (Vol.)
Algumas características de refrigerantes halogenados e CO 2 Refrigerante R12 R22 R134a CO 2 Fluido Natural Não Não Não Sim Potential de Destruição do Ozônio 1,0 0,05 0 0 Potential de Aquec. Global 100 anos 20 anos 7100 7300 1500 4100 1300 3200 1 (0) 1 (0) Temperatura Crítica em C 112 96,2 101,2 31,1 Pressão Crítica em MPa 4,16 4,99 4,07 7,38 Inflamável ou explosivo Não Não Não Não Tóxico Não Não Não Não Preço aproximado relativo 1 1 4 0,1 Capacidade Volumétrica de Ref. (Relativa) 1 1.6 1 8,4
Algumas características de refrigerantes halogenados e CO 2 Refrigerante R12 R134a CO 2 Agressor da Camada de Ozônio SIM NÃO NÃO Potencial de Aquecimento Global GWP=8100 GWP=1300 GWP=1 Emissão de CO 2 Operação (consumo de comb. e vazamento) 2600 kg/carro 2600 kg/carro 1800 kg/carro Emissão de CO 2 equivalente 8100 kg/carro 1300 kg/carro 0,5 kg/carro TOTAL 10700 kg/carro 3900 kg/carro 1800 kg/carro Redução de 2/3 Redução de 1/2
Comparativo R134a GWP 1300 EU 2011 GWP < 150 R152a - 120 Blend H > 10 DP-1 > 40 Auto AC-1 < 150 HoneyDu -? CO2 GWP 1
Efeito Estufa Os Automóveis são responsáveis por 10% de toda a emissão dos gases que colaboram com o efeito estufa Esse número tende a crescer, pois cada vez mais carros saem de fábrica com sistema de A/C. Os atuais sistemas de A/C colaboram ainda mais com o total de emissões, através de vazamentos, consumo de combustível e também para recuperar e reciclar o fluido refrigerante.
Aspectos de Segurança 0,03 a 0,06% - Concentração no ar atmosférico 2% -50%de aumento na taxa de respiração 3% - Limite de exposição de 10 minutos; 100% de aumento na taxa de respiração 5% - 300% de aumento na taxa de respiração, dor de cabeça (Obs: Isto é tolerado pela maioria das pessoas, mas há excessões. 8% - Curto tempo de exposição
Aspectos de Segurança 8-10% - Dor de cabeça após 10 ou 15 minutos. Zumbido nos ouvidos, aumento na pressão sanguínea, aumento da frequência cardíaca, excitação e náusea. 10-18% - Após poucos minutos de exposição, situação similar ao ataque epilético, perda da consciência e entrada em estado de choque. 18-20% - Sintomas similares aqueles de um derrame.
Ar Condicionado Automotivo
Ar Condicionado Automotivo CO 2 R134a
Ar Condicionado Automotivo
Ar Condicionado Automotivo
Ar Condicionado Automotivo
Ar Condicionado Automotivo Unidade Básica de um Sistema de Ar Condicionado com CO2
Ar Condicionado Automotivo
Compressor
Trocador de Calor
Gas Cooler e Evaporador
Comparativo Configuração de Trocador de Calor Interno Configuração de Trocador de Calor Gas Cooler
Visualização do Escoamento no Interior de Trocadores de Calor tipo Microcanais
Padrões de Escoamento observados no LTCM da EPFL para tubos com D=0,79 mm Microcanais com G= 500 kg/m 2 s na saída do Evaporador (a) Bolhas com x=3% (b) Bolhas/Slug com x=4% (c) Slug com x=5% (d) Slug/Semi-anular com x=11% (e) Semi-anular com x=24% (f) Anular ondulado com x=73% (f) Anular Liso com x=73% Revellin, Thome et al., Int. J. Multiphase Flow, Vol. 32, pp. 755-774, 2006.
Vídeos feitos por Dr. Lorenzo Consolini no LTCM da EPFL Bolhas Pistonado / Intermitente
Intermitente para Anular annular
Comparação de Resultados Obtidos na Literatura
Modelo para cálculo do h em Evaporador com CO2 Coef. Transf. de Calor kw/m 2. o C Título Cheng, Ribatski e Thome (2007)
Resultados Comparativos Estados Unidos - 2002 21% 30% COP 34% 51% 60% 34% Temperatura do Ar (Condensador / Gas Cooler)
Resultados Comparativos Geração de Entropia / Capacidade de Refrigeração (x 10-4.K -1 ) Estados Unidos - 2002 Geração Total Geração Total Gas Cooler Condensador Evaporador Evaporador Temperatura do Ar (Condensador / Gas Cooler)
COP Resultados Efeito da Carga de CO 2 Rotação compressor: 1800 rpm Temperatura do ar no Gas Cooler: 35 o C Velocidade face Gas Cooler: 4,5m/s Velocidade face Evaporador: 2,5 m/s Umidade: 50% China - 2005 Consumo de Potência do Compressor Capacidade de Refrigeração Carga de Refrigerante - gramas Capacidade de Ref. e Potência - kw
Resultados Efeito da Carga de CO 2 Vazão de CO 2 kg/s Título de entrada Vazão de CO 2 Título Carga de Refrigerante - gramas
Resultados Efeito da Carga de CO 2 Rotação do Compressor: 1800 rpm Pressão - Bar Entalpia - kj/kg
Efeito da Pressão de Descarga do Compressor Pressão - Bar COP Capacidade de Refrigeração Potência de Compressão Temperatura - o C Carga de Refrigerante - gramas
Efeito da Pressão de Saída do Evaporador COP COP Capacidade de Refrigeração Potência de compressão Pressão de Saída Evaporador - Bar Capacidade de Ref. e Potência - kw
Efeito da Temperatura do Ar na Entrada Gas Cooler Capacidade de Refrigeração kw COP com 2,5 m/s Capacidade de refrig.com 2,5 m/s Capacidade 1,4 m/s COP a 1,4 m/s Temp. Entrada de Ar no Gas Cooler - o C COP
Efeito da Velocidade de Face do Ar no Gas Cooler Capacidade de Ref. e Potência kw COP Capacidade de Refrig. Potência de Compressão COP Velocidade do Ar Gas Cooler (m/s)
Comparação de Resultados obtidos em Testes com Veículos
Comparação R134a x CO2
Comparação R134a x CO2 Tempo em Minutos Desconforto Quente CO 2 Zona de Conforto CO 2 Desconforto FRIO CO 2 Temperatura na cabine Temperatura não é atingida CO 2 Série 3 Temperatura Inicial da cabine: 75 o C Sol: 1000 W/m 2 Temperatura Ambiente: 40 o C
Comparação R134a x CO2 Audi A4 Temperatura CO 2 R134a Tempo em Minutos
Comparação R134a x CO2 Temperatura R134a Cabine CO2 - Cabine Redução de tempo: 50% R134a Saída de Ar CO2 Saída de Ar 5 10 15 20 25 30 Tempo em Minutos
Resumo dos Testes O sistema com CO 2 mostrou melhor desempenho para atingir a temperatura desejada, Alcança valores reduzidos da temperatura da cabine, Elevado potencial no desenvolvimento de componentes com melhor desempenho, Redução no consumo de combustível comparado ao sistema com R-134a.
Comparação R134a x CO2 1000cm3
Comparação R134a x CO 2 1000cm 3 Teste com 43 o C, 40% de umidade e carga de 1000 W/m 2 R134a: Em 10 min a temperatura na saída do Evaporador era 12 o C CO2: Sistema teve uma melhora de desempenho. Em 10 minutos a temperatura de saída do Evaporador era 6 o C Temperatura do Ar - o C T saída Evap. CO2 T saída Evap. R-134a T média Int. CO2 T média Int. R-134a Parado
Comparação R134a x CO 2 1000cm 3 Testes nas mesmas condições anteriores CO 2 foi levado às mesmas condições do R134a Temperatura do Ar - o C Parado -4,5% -5,5% Tempo em segundos
Comparação R134a x CO 2 1000cm 3-5% -7,5% -3% Consumo de Combustível l/100 km
Comparação R134a x CO 2 1000cm 3 Comparação com Temperatura de 45 o C CO 2 COP médio (900-1200s) = 2,52 R134a COP médio (900-1200s) = 2,0
Resumo dos Testes Sistema com CO 2 para Veículos de baixa potência provou ser viável e pode ser projetado com os componentes padrões. Consumo de combustível em média 5% menor com o CO 2. Isso pode levar a uma redução na emissão de CO 2 pelo escapamento entre 6 e 10 g/km. Isso leva a crer que a medida que forem projetados equipamentos melhores, a tendencia é de maior vantagem para utilização do CO 2.
Elastômeros para uso com CO2 Vazamento de CO2 g/ano Vazamento de 0,5 g/ano Lado Baixa Pressão Lado Alta Pressão Saída do Gas Cooler Lado Alta Pressão Saída do Compressor
Comparação Tipo de Óleo CO2 COP Condições de Ensaio Compressor (RPM) Pressão Sucção, P1 Pressão Descarga, P2 Veloc. Face no Evaporador Temp. Ar entrada Evaporador Veloc. Face Gas Cooler Temp. Ar entrada Gas Cooler Temp. Ambiente - Compressor
Análise e Projeção de Mercado para Ar Condicionado Automotivo
% Veículos com Ar Condicionado de Fábrica Projeção Carros com A/C de fábrica 100 90 80 70 60 50 40 30 20 18% Projeção DENSO 27% 46% 38% 10 10% Dados Reais Previsão 2007 0 1988 1992 1996 2000 2004 2008 2012 A Europa: 58% 47% 90% 75% ANFAVEA
Decisão da Legislação da Comunidade Européia sobre os Gases Fluorados Parlamento Europeu Comissão Européia Proposta Agosto 2003 1 a Leitura MAR 2004 Abril 2005 Posição Comum 2 a Leitura 2 a Leitura = Posição Comum? Conselho (Estados membros) Conselho e Parlamento negociam através de Procedimento de Conciliação NÃO SIM
Proposta da Comissão Européia Propuseram a retirada (phase-out) dos compostos fluorados entre 2009 e 2013. Propuseram a inclusão do HFC-152a como opção. Redução nos níveis de vazamentos dos gases fluorados nos equipamentos. Com a implementação dessas medidas, teria-se uma redução desses gases fluorados em cerca de 30 milhões de Toneladas de CO 2 equivalente por ano.
Posição Parlamento Europeu Na 1a. Leitura, (Março 2004), o Parlamento concordou com a necessidade de retirada do HFC 134a. Propuseram a retirada (phase-out) dos compostos fluorados entre 2011 e 2014. Propuseram a EXCLUSÃO do HFC-152a.
Posição do Conselho Europeu Concordam com a necessidade de retirada do HFC 134a. Propuseram que a retirada (phase-out) dos compostos fluorados seja entre 2011 e 2017. Propuseram a INCLUSÃO do HFC-152a. Concordaram a redução nos níveis de vazamentos desses gases nos equipamentos.
Considerações Finais
Emissões de CO2 para Atmosfera Emissões Diretas Emissões Indiretas * Vazamentos * Acidentes * Fim de Vida * Escapamento * Combustível * Peso do A/C
Considerações Finais O CO 2 já tem tecnologia desenvolvida para utilização em sistemas de Ar Condicionado automotivo. Na Europa, a BMW e a Mercedes já iniciarão a instalação do A/C com CO 2. Em 2011 a Toyota já produzirá veículos com CO2, incluindo aqueles com motor 1.0. Estima-se que haja somente na Europa um mercado de 15 milhões de novas unidades, potendo atingir 5 bilhões de Euros.
Considerações Finais Resfriamento mais rápido 75 o C para 25 o C em Aquecimento mais rápido utilizando o mesmo equipamento 10 min. Menor Consumo de Combustível Menor Emissão Economia de $ CO2 não é Inflamável e não é Tóxico
Considerações Finais Sistemas com CO 2 tem melhor eficiência em pelo menos 90% das condições. São menores em tamanho e apesar do reforço devido à pressão, são cerca de 2kg mais leves que os atuais sistemas. Com a utilização do CO 2, poderá haver uma redução de 5% do total das emissões indiretas e 7% das emissões diretas. Na Europa há a possibilidade de se reduzir 30 milhões de toneladas até 2011 com a introdução de 3 milhões de novas unidades de A/C com CO 2 a partir de 2008.
Referências e Links úteis http://www.r744.com http://www.wlv.com/products/databook/db3/databookiii.pdf http://ltcm.epfl.ch/ http://www.valeo.com/ http://www.visteon.com/ http://www.globaldenso.com http://europa.eu/scadplus/leg/en/lvb/l24280.htm