T ABLEAU DE SYNTHESE DES MESURES

No final do século XIX e começo do século XX surgiram os pri- meiros sistemas de refrigeração desenvolvidos por pioneiros como Ja- mes Harrison, em 1851, e Jacob Perkins, em 1834. Naquela época, os fluidos empregados eram naturais e de fácil obtenção. No início, o éter era o único fluido refrigerante disponível, mas, logo em seguida, surgi-

ram a amônia (NH3), para sistemas estacionários de médio e grande

porte, o dióxido de enxofre (SO2), para o setor doméstico e comercial

leve e, por fim, o dióxido de carbono (CO2), predominantemente em

aplicações marítimas (Lorentzen, 1994). Com o advento dos CFC (Clo- rofluorcarbonos) na década de 30, alguns refrigerantes naturais, como o SO2 e o CO2, entraram em declínio. No entanto, na década de 70, os

fluidos sintéticos foram associados aos problemas ambientais, ressusci- tando o interesse em alguns fluidos naturais.

O CO2 retornou, então, como um dos fluidos mais promissores

por ser não tóxico e inflamável e possuir baixo GWP (Kim et al., 2004), como indicado na tabela 1.1.

Tabela 1.1 – Gases de efeito estufa (UNEP, 2009b apud Montagner, 2013)

Os ramos de resfriamento de bebidas e de supermercados têm demonstrado interesse especial na utilização de CO2 como fluido refri-

gerante. Os mercados europeu e japonês para sistemas de refrigeração comerciais com CO2 têm crescido consideravelmente nos últimos anos e

vêm incentivando o mercado norte-americano a adotar esses ciclos (ACHRNEWS, 2015).

1.2 Motivação

Apesar dos benefícios do CO2 na questão ambiental, sua aplica-

ção em sistemas de refrigeração ainda é limitada a alguns nichos de mercado, onde a eficiência energética, sob determinadas condições de operação, ainda é baixa (Montagner, 2013). Isso impede a disseminação

Gás Fonte de emissão GWP100

Dióxido de Carbono

(CO2)

Queima de combustível fóssil, produção de cimento,

desmatamento seguido de queimadas 1

Metano

(CH4)

Queima de combustível fóssil, pecuária (ruminar bovino) e decomposição anaeróbica da matéria orgânica (cultivo

de arroz e lixões)

21 Óxido Nitroso

(N2O)

Produção de fertilizantes, subproduto em processos

industriais 310

HFC-134a Fluido refrigerante usado em refrigeração doméstica

(refrigeradores, freezers e condicionadores de ar) 1300

HCFC-22 Fluido refrigerante usado em refrigeração comercial

(balcão frigorífico, sistema central em supermercados) 1700

HFC-23 Subproduto da fabricação do HCFC-22 e do Teflon®.

rápida dessa tecnologia, mas encoraja estudos que procurem encontrar métodos de viabilizar o uso do dióxido de carbono em sistemas comer- ciais e, futuramente, até em sistemas domésticos.

O ciclo de refrigeração com CO2 opera, em parte, acima do ponto

crítico e com pressões de descarga elevadas. Mesmo assim, um sistema com CO2 utiliza componentes muito similares aos dos sistemas conven-

cionais, embora a sua eficiência energética seja consideravelmente infe- rior. No entanto, o desempenho dos sistemas convencionais de CO2

pode ser melhorado introduzindo-se alterações na sua arquitetura. Essas alterações, quando associadas ao baixo impacto ambiental, podem viabi- lizar o uso indiscriminado do CO2.

O setor comercial já apresenta um grande interesse na utilização de CO2 como fluido refrigerante, principalmente devido à possibilidade

de se empregar ciclos mais complexos que proporcionam um aumento considerável em performance para sistemas de grande porte, como, por exemplo, os empregados em supermercados.

Apesar das maiores restrições de custo no ramo da refrigeração comercial leve, soluções capazes de reduzir o consumo energético em ciclos transcríticos de CO2 devem ser investigadas para melhorar o en-

tendimento do comportamento termodinâmico desse tipo de ciclo e au- xiliar na pesquisa e desenvolvimento de sistemas com menor impacto ambiental.

1.3 Objetivos

A viabilização da aplicação de ciclos de refrigeração com CO2 no

ramo da refrigeração comercial leve, do ponto de vista de engenharia, econômico e ambiental, exige o emprego de soluções inovadoras que garantam um maior desempenho, sem comprometer o custo do sistema. Por conseguinte, o objetivo deste trabalho é explorar experimentalmente o comportamento de um sistema de refrigeração com um compressor rotativo de duplo estágio e de capacidade variável que utiliza CO2 como

fluido refrigerante, visando melhorar o entendimento das particularida- des associadas a este tipo de sistema e encontrar soluções que viabilizem a utilização de ciclos com este fluido refrigerante.

O presente trabalho também pretende realizar uma revisão da lite- ratura, buscando caracterizar o comportamento termodinâmico dos ci- clos analisados e determinar quais melhorias podem ser implementadas, sem grandes aumentos em custo e complexidade.

Este estudo também se propõe a analisar os benefícios do com- pressor empregado no sistema através da análise de três arquiteturas de ciclo:

 Um ciclo de referência com duplo estágio de compressão e resfriador intermediário;

 Um ciclo com duplo estágio de compressão, resfriador intermediário e com/sem controle de superaquecimento;

 Um ciclo com duplo estágio de compressão, resfriador intermediário, controle de superaquecimento, separação de líquido, controle da pressão de descarga e injeção de vapor entre estágios de compressão.

Para tanto, ao longo dos experimentos serão investigados os efei- tos dos seguintes parâmetros sobre a performance do sistema:

 Frequência do compressor

 Temperatura ambiente

 Utilização e efetividade do resfriador intermediário

 Método de retorno de óleo no sistema

 Utilização e efetividade do trocador de calor interno

 Controle de superaquecimento

 Separação de líquido e controle da pressão de descarga

 Injeção de vapor saturado na saída do resfriador interme- diário

Este trabalho dispõe-se também a comparar os resultados obtidos com as três arquiteturas de ciclo analisadas, visando determinar a viabilidade da modificação e implementação de componentes mais complexos no ciclo transcrítico com CO2 para refrigeração

comercial leve.