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
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
57 – 1074
172 - 36
Chiller – Tipo/Modelo
Condensação a Ar
Condensação a Água
ILKA MAFA 100.2-11K45
Sabroe (York) PAC
By 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
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
Compressor
R-717
Compressor
R-744
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 de Processos

HCs – (R-1270) – Áreas Classificadas

R717 – Chillers com “PHE” – Empresas Européias

HFCs – Processos de Água Gelada – Chillers Centrífugos

R-22 – Em processo de eliminação
Ar Condicionado Industrial

HFCs – Chillers Centrífugos/ Parafuso

R717 – Chillers com “PHE” – Empresas Européias

R-22 – Está praticamente fora em novos sistemas
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/ Custos com Seguro !!!

Segurança  CB-55 – Norma NBR 16069

Guias de Referência
Norma de Segurança
NBR 16069 – Segurança em Sistemas Frigoríficos (2009)

Norma Geral sobre Aspectos de Segurança em
Sistemas de Refrigeração.

Fase final de revisão – Consulta Pública: ainda
em 2009.

Baseada nos Standards Internacionais:

ANSI/ASHRAE Standard 15-2007

EN 378:2008 – Parts I – IV

ANSI/IIAR 2-2008
Norma de Segurança
NBR 16069 – Segurança em Sistemas Frigoríficos (2009)





Classificação de Área por Ocupação e Atividades .
Limites de Carga de Fluido Refrigerante.
Pressão de Projeto do Sistema e Componentes.
Projeto dos Vasos de Pressão – ASME Sec. VIII Div. 1.
Projeto da Tubulação – ANSI/ ASME B 31.5 (Refrigerating
Piping)

Projeto da Sala de Máquinas (ventilação, layout, etc).
Válvula de Segurança – Dimensionamento e Sistema de
Descarga

Métodos de Descarga para a Atmosfera.

Guias de Referência para Sistemas de
Refrigeração por Amônia – MMA/PNUD

GR-01 - Recomendações de Projeto para Operação
Segura de Sistemas de Refrigeração por Amônia.

GR-02 - Recomendações sobre Comissionamento
e Início de Operação de Sistemas de Refrigeração
por Amônia.

GR-03 - Recomendações sobre Operação e
Manutenção de Sistemas de Refrigeração por
Amônia.
Guias de Referência para Sistemas de
Refrigeração por Amônia – MMA/PNUD