Seminário de Difusão
Uso de Refrigerantes Naturais em
Sistemas de Refrigeração e Ar
Condicionado
Aplicações nos Setores de Ar
Condicionado e Refrigeração Industrial
Leonilton Tomaz Cleto - Yawatz Engenharia
ANPRAC – Associação Nacional dos Profissionais de
Refrigeração e Ar Condicionado
Chillers com Carga Reduzida de R-717
Chillers com Trocadores a Placas (PHEs)

Cargas Reduzidas de R-717 (Até 95%)

Sistemas montados na fábrica

Menores custos de manutenção

Aplicações:

Indústria Alimentícia (Laticínios, Bebidas, Abatedouros, etc)

Indústrias Química e Petroquímica

Sistemas Cascata – R-744/R-717

Supermercados

Sistemas de Ar Condicionado
Chillers com PHEs
Ar Condicionado Industrial
Refrigerante
Chiller Centrífugo - VSD
Chiller com PHE - VSD
R-134a
R-717
Capacidade - kW (TR)
2110 (600)
Temp. Água Gelada - °C
12.2 / 6.7
29.5 / 35.0
Temp. Água Resfriamento - °C
Potência Absorvida
335
317
COP (kW/kW)
6.30
6.65
kW/TR
0.558
0.529
IPLV (ARI 550/590) - COP
10.40
10.34
IPLV (ARI 550/590) - kW/TR
0.338
0.340
Chillers com Carga Reduzida de R-717
Chillers com Carga Reduzida de R-717
The Optimum Ammonia Systems - By Bo Stubkier – York Refrigeration
Danfoss IR Consensus - 30/11/2004
Chillers com Carga Reduzida de R-717
Capacidade (kW)
Carga Específica de
R-717 (g/kW)
Litch & Hrnjak (MC condenser)
13
18
Refcomp VKA16-14
16
125
York YSLC F4F00UW
220
129
N.R. Koeling LK 25
25
159
108
23
Gram (York) LC
38 – 228
228 - 37
Sabroe (York) PAC
57 – 1074
172 - 36
Chiller – Tipo/Modelo
Condensação a Ar
Condensação a Água
ILKA MAFA 100.2-11K45
By P. Hrnjak – IIF-IIR - Ammonia Refrigerating Systems, Renewal and Improvement, Ohrid, 2005
Equipamentos com Carga Reduzida de R-717
By Z. H. Ayub – IIF-IIR - Ammonia Refrigerating Systems, Renewal and Improvement, Ohrid, 2005
Equipamentos com Carga Reduzida de R-717
By Z. H. Ayub/ P. Hrnjak – IIF-IIR - Ammonia Refrigerating Systems, Renewal and Improvement, Ohrid, 2005
Equipamentos com Carga Reduzida de R-717
The Optimum Ammonia Systems - By Bo Stubkier – York Refrigeration
Danfoss IR Consensus - 30/11/2004
Equipamentos com Carga Reduzida de R-717
By P. Hrnjak – IIF-IIR - Ammonia Refrigerating Systems, Renewal and Improvement, Ohrid, 2005
Equipamentos com Carga Reduzida de R-717
By P. Hrnjak – IIF-IIR - Ammonia Refrigerating Systems, Renewal and Improvement, Ohrid, 2005
Árvore de Válvulas
By Danfoss A/S – ICF Catalogue - DKRCI.PB.FT0.A2.02 / 520H1215 - 2006
Árvore de Válvulas
By Danfoss A/S – ICF Catalogue - DKRCI.PB.FT0.A2.02 / 520H1215 - 2006
CO2 na História da Refrigeração
CO2 Compressor
Approx. 1900
Período “Aureo” do
CO2 como refrigerante
Proposta de Uso doCO2
como Refrigerante
(Alexander Twining)
1850
Reinvenção das
tecnologias de
refrigeração com CO2
(G. Lorentzen)
1920 ----------1930
1960
1993
By Finn Broesby Olsen & Niels P Vestergaard – Danfoss AS - 2004
Processos Termodinâmicos com CO2
Ciclo Transcrítico
Ciclo Sub-crítico
Compressor
R-717
R717
R-744/R-717 – Trocador “Cascata”
Pressão
Sistema R-744/R-717 - Cascata
+35ºC
R717
+35oC (13.5 bar)
-12ºC
-8ºC
Compressor
R-744
-12oC (2.7 bar)
Enthalpia
-40ºC
Sep. Líquido
Pressão
R-744
Evaporador –
R-744
R-744
-8oC (28.0 bar)
-40oC (10 bar)
-40ºC
Enthalpia
By Finn Broesby Olsen & Niels P Vestergaard – Danfoss AS - 2004
Sistema R-744/R-717 – Cascata
+35ºC
Degelo com R-744 – Gás Quente
R717
Pressão
Compressor
R-717
R-744/R-717 – Trocador “Cascata”
R717
+35oC (13.5 bar)
-12ºC
-8ºC
Compressor
R-744
-12oC (2.7 bar)
Enthalpia
-40ºC
Sep. Líquido
Compressor
para Degelo
R-744
Evaporador – R-744
-40ºC
Pressão
R-744
+8 oC
(43 bar)
-8oC (28.0 bar)
-40oC (10 bar)
Enthalpia
By Finn Broesby Olsen & Niels P Vestergaard – Danfoss AS - 2004
+35ºC
Compressor
R-717
R717
Sistema Cascata R-744/R-717
Com R-744 Bombeado no
Intermediário
R-717/R-744 – Trocador “Cascata”
R717
-10ºC
Compressor
R-744
Pressão
-14ºC
+35ºC (13.5 bar)
-10ºC
Sep. Líquido
-14ºC (2.5 bar)
CO2
Evaporador – R-744
Enthalpia
-10ºC
-40ºC
Sep. Líquido
R-744
Pressão
-40ºC (10 bar)
CO2
Evaporador – R-744
-10ºC (26.4 bar)
-40ºC
Enthalpia
Sistema R-744/R-717 - Cascata
HERL T19
16 BAR
HERL T19
40 BAR
Cascade Cooler/
Condenser
AKS 41
Oil return system
SMC 106E
HPO 28
Oil recovery
system
HIGH-STAGE (R717)
LOW-STAGE (R744)
EKC 347
HERL T19
24 BAR
HERL T19
25BAR
KP 5
External option
Q - MIN.
MVL
661
PHE Condenser
EVR
PM 3 - CVP(HP) - EVM
Dp
Dp
Kurt C. Hilbrecht
BITZER LH53/2DC
PM1 - EVM
CNF - 40
By John Ritmann – York Refrigeration - 2004
Sistema R-744/R-717 - Cascata
CO2
Compressor
NH3
Comp
ressor
NH3 Aut. Oil
return
Cascade
Cooler
By John Ritmann – York Refrigeration - 2004
Sistema R-744/R-717 - Cascata
CO2 Pump Separator
CO2 Oil Rectifier
Secondary
Cooling Unit
CO2 Pumps
NH3 HS-Float
NH3 Condenser
By John Ritmann – York Refrigeration - 2004
Sistema R-744/R-717 - Cascata
By John Ritmann – York Refrigeration - 2004
Pressões de Projeto
By Finn Broesby Olsen & Niels P Vestergaard – Danfoss AS - 2004
Requisitos de Projeto

Condensador Cascata – Plate & Shell/ Shell & Tube/ PHE.

Compressor – Deslocamento Volumétrico/ Relação de Compressão/
Tipo de Óleo/ Rolamentos/ Mancais/ Comprimento de Rotor.

Separadores de Líquido – Materiais/ Menores Dimensões.

Válvulas – Iguais às de R-717 (exceto gás quente – 52 bar g)/
Diâmetros Menores.

Evaporadores – Materiais/ Eficiência/ Taxa de Recirculação.

Degelo – Gás Quente/ Água/ Elétrico.

Tubulação – Diâmetros Menores/ -55ºC/ Especificações de Solda.

Dispositivos de Alívio – Solidificação.
By Charles R. Taylor – The Stellar Group - 2003
Pressões de Projeto
By Charles R. Taylor – The Stellar Group - 2003
COP Otimizado
Sistema Cascata - R-744/R-717
Coeficiente de Performance - R-717 com Economiser
2.10
-5.0
COP Ótimo
Temp. Cond. R-744 Ótima
1.90
COP (kW/kW)
-9.0
1.70
-11.0
-13.0
1.50
Compressor R-744 - Sabroe HPC
Compressor R-717 - Frick RWF II - ECO
"Approach" no Cascata - 4ºC
Temp. Cond. R-717: 35ºC
-15.0
1.30
-17.0
-50.0
-49.0
-48.0
-47.0
-46.0
-45.0
-44.0
-43.0
-42.0
-41.0
-40.0
-39.0
-38.0
-37.0
-36.0
Temperatura de Evaporação - R-744 (ºC)
By L. Tomaz Cleto – Yawatz Engenharia - 2007
-35.0
Temp. Cond. R-744 (ºC)
-7.0
COP – R-744/R-717 Cascata x R-717 “Booster”
Sistema Cascata - R-744/R-717 x Sistema "Booster" - R-717
Coeficiente de Performance
2.10
2.00
R-744/R-717 Cascata - Ótimo
Apenas R-717 - Booster - Ótimo
COP (kW/kW)
1.90
1.80
1.70
1.60
Compressor R-744 - Sabroe HPC
Compressor R-717 - Frick RWF II - ECO
"Approach" no Cascata - 4ºC
Temp. Interm no Sistema de R-717 - Ótima
Temp. Cond. R-717: 35ºC
1.50
1.40
1.30
-45.0
-44.0
-43.0
-42.0
-41.0
-40.0
-39.0
-38.0
-37.0
-36.0
Temperatura de Evaporação (ºC)
By L. Tomaz Cleto – Yawatz Engenharia - 2007
-35.0
Comparativo de COP – Vários Sistemas
Comparativo de COP entre Ciclos de Refrigeração
2.50
2.00
By P.S. Nielsen & T. Lund - IIAR - Albuquerque - USA - 2003
Regime -40ºC/+25ºC
2.18
Regime -50ºC/+25ºC
1.92
COP (kW/kW)
1.86
1.77
1.75
1.50
1.38
1.09
1.78
1.42
1.22
1.00
0.50
0.00
R-717- Simples
Estágio Economiser
R-717 - Duplo
Estágio - Booster
R-22 - Simples
Estágio Economiser
Tipo de Sistema
R-22 - Duplo
Estágio - Booster
R-744/R-717 - Ciclo
Cascata
Comparação de
Diâmetros de Linhas
Refrigerante
∆ P (bar)
Velocidade
(m/s)
Linha de
Sucção
R717
R-744
0.0212
0.0303
0.2930
20.4
37.5
15.4
168
102
53
37
21
35
Diâmetro
mm
Linha de
Líquido
R134a
Diâmetro
mm
By Finn Broesby Olsen & Niels P Vestergaard – Danfoss AS - 2004
Comparação de
Diâmetros de Linhas
Refrigerante
∆ P (bar)
Velocidade
(m/s)
Linha de
Retorno
(Liquido +
Vapor)
R717
R-744
0.0212
0.0303
0.2930
11.0
20.2
8.2
215
133
69
61
36
58
Diâmetro
mm
Linha de
Líquido
Bombeado
(Baixa)
R134a
Diâmetro
mm
By Finn Broesby Olsen & Niels P Vestergaard – Danfoss AS - 2004
Comparação de
Diâmetros de Linhas
Index
8
5%
95%
7
6
Líquido
Sucção
5
4
3
4%
96%
2
30%
70%
CO2= 1
0
R-134a
R-717
R-744
By Finn Broesby Olsen & Niels P Vestergaard – Danfoss AS - 2004
Válvulas de Segurança
o
31.0ºC
+31
C
100
Supercrítico
Vapor a 50 bar
Pressure
Pressão
(bar (bar-a)
abs)
Liquido
Vapor a 35 bar
Líquido a 20 bar
Sólido -Liquido
10
Sólido
Liquido - Vapor
50% de CO2
Sólido
no Ponto Triplo
0% de CO2 Sólido no
Ponto Triplo
-56.6 oC
5.2 bar
3% de CO2 Sólido no
Ponto Triplo
Sólido - Vapor
Vapor
-78.4 C
o
1
-200
-100
0
100
200
300
400
500
Entalpia
Enthalpy
By Finn Broesby Olsen & Niels P Vestergaard – Danfoss AS - 2004
Válvulas de Segurança
CO2 Sólido Após Expansão
Segurança
Obs.: HFCs – TLV ~ 1000 ppm
By Charles R. Taylor – The Stellar Group - 2003
Expansão de CO2 – Líquido Enclausurado
Variação de Volume
Volume Relativo
Temperatura
By Finn Broesby Olsen & Niels P Vestergaard – Danfoss AS - 2004
Solubilidade com Água
ppm de Água /
kg de Refrigerante
Solubilidade da Água – Fase Vapor
Temperatura
By Finn Broesby Olsen & Niels P Vestergaard – Danfoss AS - 2004
Solubilidade com Água
ppm de Água/
kg de Refrigerante
Solubilidade da Água – Fase Vapor
CO2 +
Água
CO2 +
Gelo
CO2 +
Vapor d’Água
Temperatura
By Finn Broesby Olsen & Niels P Vestergaard – Danfoss AS - 2004
Filtro Secador/ Visor de Umidade
Sucção
Filtro Secador
Compressor
Trocador - Cascata
CO2 reciever
Evaporador
Líquido
Visor de Umidade Bomba CO2
By Finn Broesby Olsen & Niels P Vestergaard – Danfoss AS - 2004
R-744 (CO2) como REFRIGERANTE

Refrigerante Primário – (Ciclo Sub-Crítico):

Baixas Temperaturas – Sistema Cascata (-35ºC a -55ºC)

Alto COP para sistemas abaixo de -35ºC

Deslocamento Volumétrico até 10 vezes menor que R-717

Linhas muito menores/ Separadores de Líquido Menores/ Evaporadores Menores

Baixa Toxicidade (Classe - A1 (ASHRAE-34) – TLV = 5000 ppm > HFCs)

Não inflamável

Alta Pressão (40 - 52 bar em Ciclos Sub-críticos)

Novas Tecnologias na concepção do Sistema – Engenharia x Tradição

Inodoro - Em caso de vazamento, não há alarme pelo odor

Alta Solubilidade com Água
R-744 (CO2) como REFRIGERANTE

Refrigerante Secundário:

Temperaturas Intermediárias (-20.0ºC a 0.0ºC)

Fluxo Bifásico

Altos Coeficientes de Transferência de Calor

Linhas muito menores
O Exemplo da Nestlé
Natural Refrigerants Used as Branding - By Mr. Pieter Roux - Nestlé
Danfoss IR Consensus - 30/11/2004
Tendências para o Mercado de Refrigeração
Industrial no Brasil

Indústria Alimentícia/ Bebidas

R-717, Amônia e NH3

Chillers com Carga de R-717 muito Reduzida

Fluidos Secundários (-15.0ºC a 0.0ºC)

R-744 - ??? – Grande Futuro !

Legislação

Segurança  CB-55 – Norma NBR 16069
Tendências para o Mercado de Refrigeração
Industrial no Brasil


Indústria de Processos

HCs – (R-1270) – Áreas Classificadas

R717 – Chillers com “PHE” – Empresas Européias

HFCs – Processos de Água Gelada – Chillers Centrífugos

R-22 começa a perder espaço em novos sistemas
Ar Condicionado Industrial

HFCs – Chillers Centrífugos/ Parafuso

R717 – Chillers com “PHE” – Empresas Européias

R-22 está praticamente fora em novos sistemas