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

Eficiência Energética Eficiência energética em sistemas de refrigeração Agosto, 2017

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.

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.

Aplicações 4

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

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.

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

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.

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.

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 2003. Padrões Referenciais de Qualidade do Ar Interior, em ambientes climatizados artificialmente de uso público e coletivo.

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.

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.

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.

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.

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;

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

O Ciclo Ideal de Carnot

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

Como reproduzir o ciclo de Carnot T s

Um pouco mais real T 3 2 4 1 S

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

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

Um sistema de refrigeração completo

Sub-resfriamento e super-aquecimento

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.

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

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

A camada de ozônio

O Protocolo de Montreal Data Redução da produção e consumo CFC 1 janeiro 1993 100% nível de 1986 1 janeiro 1994 25% nível de 1986 1 janeiro 1995 25% nível de 1986 1 janeiro 1996 0% nível de 1986 HCFC 1 janeiro 1996 3,1% consumo CFC+HCFC 1986 1 janeiro 2004 65% da situação de 1996 1 janeiro 2010 35% da situação de 1996 1 janeiro 2015 10% da situação de 1996 1 janeiro 2020 0,5% da situação de 1996 1 janeiro 2030 0% da situação de 1996 + Revisão de Copenhagen, 1992

Refrigerantes

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.

Segurança Correlação entre velocidade da chama vs. mínima energia de ignição (MIE)

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

Qualidade dos refrigerantes 34

Problemas futuros 39

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Compressores Compressor parafuso: 50

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

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

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

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

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

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

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

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

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.

Potenciais para recuperação de calor 60

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 -23 35 83 1475 323 51 152-18 35 83 1892 310 65 145-12 35 82 2399 286 79 134-7 35 80 3003 252 92 118-1 35 77 3721 208 102 98 61

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 5 3 5 11 Médias 4 3 4 9 Claras 3 2 3 5 62

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

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

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

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

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

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

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