Resumo: O presente estudo experimental avalia o desempenho de um sistema em cascata subcrítico usando o par R744/R134a como alternativa aos sistemas convencionais em expansão direta instalados em supermercados. O aparato experimental é, estrategicamente, separado em dois ciclos: o ciclo de baixa temperatura (BT), que é composto por um compressor semi-hermético alternativo de velocidade variável e uma válvula de expansão eletrônica que promove a evaporação direta do CO₂ no interior de uma câmara fria para manter a temperatura interna de ar estável, e o ciclo de alta temperatura (AT), originalmente constituído por outro compressor semi-hermético alternativo para o R134a, uma válvula de expansão eletrônica e um condensador arrefecido a ar. Um trocador de calor a placas, que é, ao mesmo tempo, o condensador do R744 e o evaporador para o ciclo (AT), completa a bancada. Na metodologia adotada, os limites do sistema cascata original, R744/R134a foram explorados por meio da manipulação de dois parâmetros operacionais: o grau de superaquecimento (BT) variou entre 5ºC e 20ºC, e a frequência de operação do compressor (BT) entre 40 e 65 Hz. Na segunda etapa, foi realizado o drop-in do R134a pelo R438A no ciclo AT. Por meio dos resultados obtidos, constatou-se que o par R744/R438A atendeu à condição de drop-in, se mostrando apto à substituição.

Palavras-chave: Refrigeração, Cascata, R744, R134a, R438A.

1. Introdução

A situação climática global leva todos os esforços na área de refrigeração ao desenvolvimento de sistemas que consigam aliar uma boa eficiência energética com a redução do impacto ambiental. Tal impacto é diretamente relacionado ao uso dos refrigerantes HCFCs e HFCs.

A destruição da camada de ozônio está associada ao uso dos fluidos refrigerantes HCFCs (nos quais se inclui o R22) cujo efeito é medido/quantificado através do Índice ODP (Potencial de Destruição do Ozônio). Ainda que os gases HCFs possuam um potencial de destruição da camada de ozônio nulo, é necessário referir que estes mesmos gases implicam um alto potencial de aquecimento global (GWP); em alguns casos, apresentam um GWP superior aos dos gases HCFCs. Fluidos naturais como os hidrocarbonetos e dióxido de carbono são tidos como possíveis soluções, com OPD = 0 e GWP significativamente baixos.

A avalição quantitativa deste impacto, relacionado ao efeito estufa, pode ser dada pelo GWP 100a definido como a massa de CO₂ que produziria o mesmo impacto por 100 anos sobre o aquecimento global, como a liberação de uma única unidade mássica do componente dado à atmosfera (MOLINA E ROWLAN, 1974).

Os fluidos refrigerantes R22 e R404A são amplamente utilizados no setor comercial, especificamente em supermercados. O R22 é um HCFC que tem ODP = 0,055 e GWP 100a = 1810, enquanto o R404A é um HFC, com ODP igual a zero e GWP 100a de 3922. Assim, esses fluidos refrigerantes têm um grande impacto sobre o aumento do aquecimento global. O R744 tem um grande potencial para aplicações em supermercados, apesar de ser um fluido com pressões de trabalho elevadas. Em termos ambientais, o R744 tem um valor ODP igual a zero e é referência no valor do GWP 100a, ou seja, igual a unidade, sendo, por isto, uma boa alternativa para solucionar a questão ambiental. O R438A é uma mistura de HFCs, apresenta ODP nulo e, de acordo com IPCC (2007), o valor do GWP é 2264.

Existem muitas obras que fazem referência ao uso da refrigeração com fluido de trabalho R744. Em 1993, o professor norueguês Gustav Lorentzen propôs a reutilização do refrigerante R744 como fluido de trabalho para os ciclos de compressão de vapor trabalho para aplicações subcríticas em cascata e aplicações transcríticas (aquelas que possuem operação acima do ponto crítico).

Da Silva et al. (2012) apresentaram um trabalho experimental relacionado com a eficiência energética em dois diferentes sistemas utilizados em aplicações de supermercados. Os resultados obtidos pelos autores mostram a redução no consumo de energia, entre 13% e 24 %, quando se compara o sistema em cascata aos sistemas de expansão direta. Outro fato importante, enfatizado pelos autores, está relacionado com a carga dos sistemas. O sistema de cascata utilizou 32 kg de CO₂ e 15kg de R404A, enquanto os sistemas de expansão direta com R404A e R22 utilizaram 125 kg e 115 kg, respectivamente. A quantidade de refrigerante influencia diretamente no impacto ambiental e no custo final da operação.

Lee et al. (2006) analisaram um sistema em cascata R744/R717, sob o ponto de vista termodinâmico, a fim de determinar a temperatura de condensação ótima de R744 no circuito de baixa temperatura. As exigências das normas ambientais são mais bem atendidas utilizando refrigerantes naturais tanto no ciclo de baixa temperatura como no de alta. Messineo (2011) utilizou este mesmo par de fluidos no sistema em cascata para comparar o desempenho a um sistema de refrigeração para baixas temperaturas de evaporação (-30ºC a -50°C) utilizando R404A em dois estágios. De acordo com os resultados, concluiu-se que por questões energéticas, ambientais e de segurança, o sistema cascata é uma boa alternativa ao sistema utilizando o fluido sintético R404A.

Sachdeva et al. (2014), por meio de um trabalho numérico, mostram que para um sistema de refrigeração em cascata, trabalhando com R744 no ciclo de baixa temperatura e refrigerantes diversos (R717, R404A, R290, R1270, R12) no ciclo de alta temperatura, o par que melhor opera é aquele composto por R717, apresentando valores mais elevados de COP.

Antunes e Bandarra Filho (2016) realizaram uma investigação experimental do processo de drop-in do R22 em um sistema de refrigeração com capacidade máxima de 15 kW. Entre os refrigerantes alternativos testados, encontram-se hidrocarbonetos e refrigerantes sintéticos da classe HFC. Todos os refrigerantes testados puderam substituir o R22 nas aplicações específicas. O R290 (propano), o R1270 (propileno) e o R32 proporcionaram capacidades de refrigeração e COPs superiores ao sistema original (R22). Em complemento, os autores estimaram os impactos ambientais de cada fluido através do método TEWI. Os HCs apresentaram os menores impactos, enquanto o R404A promoveu os maiores danos ao meio ambiente.

O objetivo deste estudo experimental é avaliar o desempenho do sistema em cascata subcrítico utilizando o par R744/R134a, que representa o aparato experimental originalmente instalado, e, posteriormente, comparar o comportamento do sistema cascata após a substituição do refrigerante R134a pelo R438A, por meio de uma operação tipo drop-in. A opção pelo refrigerante R438A é devido ao fato deste apresentar ODP nulo e, também, propriedades semelhantes ao R22, que é ainda o HCFC mais utilizado no Brasil. Cabe destacar que o R438A não é a melhor opção em termos de performance, e muito menos no requisito ambiental, fato confirmado por Antunes e Bandarra Filho (2016). Outros refrigerantes, como HCs e R32, serão analisados nas futuras pesquisas programadas neste mesmo aparato experimental no Laboratório de Energia, Sistemas Térmicos e Nanotecnologia da Faculdade de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Uberlândia.

2. Materiais e métodos

O aparato experimental é composto por um compressor alternativo de velocidade variável para o R744 e uma válvula de expansão eletrônica (VEE) que promove a evaporação direta do CO₂ no interior de uma câmara fria (2,3m x 2,6m x 2,5m) para manter a temperatura interna de ar estável. Para tanto, o R744 deixa o compressor no estado de vapor superaquecido, é condensado e, em seguida, armazenado em um tanque de líquido. Ao deixar o tanque de líquido em direção à válvula de expansão eletrônica, o mesmo passa por um medidor de vazão tipo Coriolis, e expande na unidade evaporadora; posteriormente, o R744 superaquecido atravessa um trocador de calor intermediário, aumentando ainda mais o grau de superaquecimento e, por fim, o CO₂ retorna à sucção do compressor. A Fig.1 ilustra a bancada experimental.

O ciclo de alta temperatura é constituído por um compressor alternativo projetado para o R134a, uma VEE e um condensador arrefecido a ar. Um trocador de calor de placas planas, que é ao mesmo tempo o condensador do R744 e o evaporador para o sistema de R134a, completa a bancada.

Testes com diferentes condições de operação do sistema cascata podem ser realizados em condição de regime permanente. Para comparar os dois pares de refrigerantes, dois parâmetros básicos foram alterados no sistema; especificamente no ciclo BT, o grau de superaquecimento do R744 e a frequência de operação do compressor de R744. O compressor do ciclo AT (R134a ou R438A) operou com frequência fixa em 60 Hz. A simulação da carga térmica dentro da câmara fria foi realizada por meio de um banco de resistências elétricas (Fig. 1B), o qual pode dissipar até 4 kW de potência. Apesar das paredes da câmara serem bem isoladas, as trocas de calor por condução nas mesmas, no piso e no teto, além do calor de radiação, são inerentes ao processo de evaporação do R744. Com isso, a capacidade frigorífica do sistema cascata pode atingir valores superiores a 5 kW.

A avaliação do desempenho e a determinação da operabilidade do sistema cascata tornou-se possível devido à completa instrumentação da bancada experimental, permitindo medir valores de pressão e temperatura de vários pontos de interesse, bem como a potência consumida pelos compressores.

Os processos de expansão e posterior evaporação dos refrigerantes foram controlados por meio da VEE, que garantiu que o grau de superaquecimento do ciclo BT estabiliza-se em valores fixos de 5, 10, 15 ou 20 K. A frequência de alimentação do compressor do ciclo de baixa temperatura foi manipulada por meio de um inversor de frequência, possibilitando a execução de testes em seis condições: 40, 45, 50, 55, 60 e 65 Hz. A partir do conhecimento destas propriedades os valores de variáveis de interesse, como capacidade frigorífica e COP do sistema, foram estimados.

A capacidade de evaporação foi calculada de acordo com a Primeira Lei da Termodinâmica (Eq. 1), considerando a condição de estado estacionário na qual o refrigerante é a única substância presente no volume de controle delimitado pelo evaporador.

Q̇_SIST=ṁ_BT (∆h_{evap BT})              (1)

Transdutores de pressão do tipo piezoresistivo (com incerteza de medição de 25 kPa) e detectores de temperatura de resistência a PT-100 (com incerteza de medida de 0,15°C) permitiram a determinação do estado termodinâmico do refrigerante em cada ponto de interesse do sistema. Dois medidores de fluxo do tipo Coriolis foram utilizados para medir a vazão mássica de refrigerante nos ciclos BT e AT, com incerteza de medição de 0,0015 kg/s. O consumo de energia pelos compressores foi medido e os dados apresentam uma incerteza de 0,003 kW.

O COP é a relação entre a capacidade de refrigeração do ciclo BT e o consumo de energia pelos dois compressores (Eq. 2) ilustra esse parâmetro para o sistema cascata.

COP_SIST=Q̇_SIST  ⁄ (Ẇ_BT + Ẇ_AT)                                        (2)

Além da proposta de estudar o desempenho energético do ciclo de refrigeração em cascata sob diversas condições de operação, é também objetivo desse trabalho estabelecer uma comparação entre o funcionamento do sistema cascata original (R744/R134a) e o sistema cascata alternativo (R744/R438A). Para tanto, realizou-se o drop-in direto do fluido R438A no ciclo de alta temperatura, substituindo a carga de R134a pelo novo fluido, mantendo o mesmo compressor e o óleo lubrificante (poliolester), assim como os trocadores de calor e componentes originais.

A carga de R744 no ciclo BT foi de 23 kg e a carga de R134a no ciclo AT foi de 3,7 kg. Após o drop-in o ciclo AT passou a operar com 3,5 kg de R438A. Os valores definidos para a carga de refrigerante representam condições nas quais os trocadores de calor estejam corretamente alimentados, ou seja, a quantidade de refrigerante adotada em cada caso retorna condições seguras de operações. Tanto o grau de superaquecimento como o grau de subresfriamento apresentaram valores positivos.

Nestas condições, o novo refrigerante deve proporcionar valores de capacidades de refrigeração e temperaturas do ar no interior da câmara semelhantes aos valores obtidos pelo sistema original, respeitando, assim, o que seriam as condições de projeto de uma câmara fria para estocagem em uma aplicação comercial. O COP proporcionado pelo novo par de refrigerantes torna-se uma consequência e seus valores serão comparados à performance do par de fluidos original.

3. Análise de resultados 

A primeira etapa de resultados refere-se unicamente à análise do sistema cascata original que opera com o fluido R134a no ciclo de alta temperatura e R744 no ciclo de baixa temperatura BT. Um total de 24 testes foi realizado e dois parâmetros básicos foram alterados durante esses testes: o valor do grau de superaquecimento do ciclo com R744 e o valor da frequência de operação do compressor de R744.

A Fig. 2 representa a faixa de aplicação do sistema original em que é possível determinar um ponto de operação desejado, a partir da temperatura que se deseja ter dentro da câmara fria. Em maiores frequências e menores valores do grau de superaquecimento, obtém-se as menores temperaturas do ar.

Os valores da capacidade de refrigeração estabeleceram-se entre 4,4 e 5,8 kW e o valor mínimo da temperatura operativa do ar no interior da câmara foi -17,2°C e o máximo 4,7°C. Esses resultados demonstram a aplicabilidade do sistema cascata em condições distintas de congelamento ou resfriamento de produtos.

Os valores do COP do sistema original em função da temperatura do ar podem ser avaliados por meio da Fig. 3. O maior valor do COP equivale a 1,48, enquanto o menor valor estimado foi de 1,07.

Ao se comparar os resultados deste trabalho aos resultados obtidos por Sanz-Kock et al. (2014), conclui-se que o comportamento dos principais parâmetros termodinâmicos foram semelhantes, mostrando a boa concordância dos trabalhos. De acordo com os resultados de Sanz-Kock et al. (2014), a estimativa do COP do sistema em cascata variou de 1,05 a 1,65 e os valores de capacidades de refrigeração foram de 7,5 kW a 4,5 kW.

De posse do comportamento termodinâmico do sistema cascata original, e sabendo das dificuldades inerentes do processo de drop-in, iniciaram-se os testes com o R438A no ciclo AT. A segunda etapa de resultados refere-se à análise comparativa dos dois sistemas de refrigeração em cascata para uma aplicação específica que represente, na prática, a estocagem de produtos congelados. Para tanto, os valores de temperatura do ar no interior da câmara fria restringiram-se à faixa de -20ºC a -5°C.

Somente seis testes foram realizados, os quais garantiriam valores de capacidade de refrigeração e de temperatura do ar semelhantes aos valores do sistema original. Além disso, os valores adotados referentes à frequência de operação BT foram 65 Hz e 60 Hz e os valores do grau de superaquecimento de 5, 10 e 15 K. A Fig. 4 ilustra a região de compatibilidade operacional de ambos os sistemas.

A Fig. 5 comprova o sucesso no ganho de desempenho do sistema R744/R438A, que retorna valores de COPs mais elevados que o sistema cascata original.

4. Conclusões 

Com o objetivo de contribuir para a melhoria dos processos de refrigeração, bem como a sustentabilidade e eficiência energética, este estudo experimental avaliou o desempenho de um sistema em cascata subcrítico utilizando o par de R744/R134a, que representa o aparato experimental original. Num segundo passo, após a substituição do R134a pelo R438A, por intermédio de uma operação de drop-in, uma comparação experimental foi realizada entre o comportamento do sistema original e o novo par de refrigerantes em uma estreita faixa de aplicação.

Durante os primeiros resultados, observou-se que os valores de capacidades de refrigeração foram estabelecidos entre 4,4 e 5,8 kW. O valor mínimo da temperatura de funcionamento do ar dentro da câmara fria foi de -17,2°C e o valor máximo desse parâmetro é de 4,7°C.

A avaliação do sistema inicial demonstrou que os valores mais elevados do COP foram obtidos nas frequências mais baixas de funcionamento do compressor do ciclo BT, e estes valores em relação aos sistemas de expansão direta com HFC ou HCFC são geralmente mais baixos. O COP máximo foi igual a 1,48 e o valor mínimo foi de 1,07 para o par R744/R134a.

A operação de drop-in estabelecida no ciclo AT se resumiu a apenas 6 testes experimentais, representando na prática uma aplicação para estocagem de produtos congelados. Para tanto, os valores de temperatura do ar no interior da câmara fria estabeleceram-se entre -20°C e -5°C. Os resultados indicaram compatibilidade operacional de ambos os sistemas e, além disso, confirmaram que a eficiência energética do sistema R744/R438a é superior ao do sistema original.

Os próximos ensaios previstos para esse sistema cascata no Laboratório de Energia, Sistemas Térmicos e Nanotecnologia da Universidade Federal de Uberlândia, referem-se a testes de outros fluidos refrigerantes no ciclo de Alta Temperatura, podendo destacar o propano e também alguns alternativos ao R134a, como o R513A.

O presente trabalho foi agraciado com o Prêmio ANPRAC no Mercofrio 2016.

Agradecimentos

Os autores agradecem o apoio dado à pesquisa pela CAPES, CNPq, FAPEMIG e também pelo apoio técnico fornecido pelo Eng. Alessandro da Silva, Bitzer US (Estados Unidos). Os autores estendem os agradecimentos à Carel (Eng. Roberto Possebon Junior), Armacell (Enga. Priscila Baiocco) e Chemours (Eng. Arthur Ngai).

Marcus Vinícius A Queiroz- engmarcusalmeida@hotmail.com

Luís Manoel de Paiva Souza – luismanoel_tap@hotmail.com

Arthur Heleno Pontes Antunes – arthur.antunes@ufu.br

Enio Pedone Bandarra Filho- bandarra@ufu.br

Laboratório de Energia, Sistemas Térmicos e Nanotecnologia da Faculdade de Engenharia Mecânica – Universidade Federal de Uberlândia

Referências

Antunes, A. H. P., Bandarra Filho, E. P., 2016. Experimental investigation on the performance and global environmental impact of a refrigeration system retrofitted with alternative refrigerants. International Journal of Refrigeration 70, 119-127.

Da Silva, A., Bandarra Filho, E.P., Antunes, A.H.P., 2012. Comparison of a R744 cascade refrigeration system with R404A and R22 conventional systems for supermarkets. Applied Thermal Engineering 41, 30–35.

IPCC, 2007. In: Solomon, S., Qin, D., Manning, M., Chen, Z., Marquis, M., Averyt, K.B., et al. (Eds.), Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and NewYork, NY, USA, p. 996.

Lee, T. S, Liu, C. H, Chen, T. W., 2006. Thermodynamic analysis of optimal condensing temperature of cascade-condenser in CO₂/NH3 cascade refrigeration systems. International Journal of Refrigeration 29, 1100-1108.

Messineo, A., 2012. R744-R717 Cascade Refrigeration System: Performance Evaluation compared with a HFC Two-Stage System. Energy Procedia 14, 56-65.

Molina, M. J., Rowlan. F. S., 1974. Stratospheric sink for chlorofluorometanes: chlorine atom catalyzed destruction of ozone. Nature 249, 810–812.

Sachdeva, G., Jain, V., Kachhwaha, S. S., 2014. Performance Study of Cascade Refrigeration System Using Alternative Refrigerants. International Journal of Mechanical, Aerospace, Industrial and Mechatronics Engineering 8, 522-528.

Sanz-Kock, C., Llopis, R., Sánchez, D., Cabello, R., Torrella, E., 2014. Experimental evaluation of a R134a/CO₂ cascade refrigeration plant. Applied Thermal Engineering 73, 39-48.