aplicaÇÕes do co2 no setor automotivo

APLICAÇÕES DO CO2NO SETOR AUTOMOTIVO

Enio P. Bandarra Filho – [email protected]

Universidade Federal de Uberlândia - UFUFaculdade de Engenharia Mecânica - FEMEC

Laboratório de Energia e Sistemas Térmicos–LEST

Introdução

Ar Condicionado Automotivo

Resultados e Comparações CO2 e R-134a

Análise e Projeção de Mercado para Ar Condicionado Automotivo

Visualização do Escoamento no Interior de Trocadores de Calor tipo Microcanais

Considerações Finais

SUMÁRIO

INTRODUÇÃO

CO2 não é um novo refrigerante, já foi proposto como refrigerante em 1850.

Pico de utilização como fluido refrigerante em sistemas de refrigeração nos anos de 1920 e 1930.

Com a introdução dos compostos halogenados, seu uso foi suprimido.

Década de 90, ressurgiram as discussões para uso do CO2, devido às características ecológicas (ODP e GWP), juntamente com Hidrocarbonetos e Amônia.

Histórico

CO2 não é um refrigerante tóxico. (Torna-se tóxico em grandes concentrações)

Não é inflamável.

Possui duplo Papel no meio ambiente: é necessário à vida na terra, mas também colabora, em menor escala, para o efeito estufa.

Concentração no ar atmosférico aproximadamente entre 0,03 e 0,06% (Vol.)

Características

Capacidade Volumétrica de Ref.(Relativa)

Fluido Natural

Potential de Destruição do Ozônio

Potential de Aquec. Global 100 anos20 anos

Temperatura Crítica em °C

Pressão Crítica em MPa

Inflamável ou explosivo

Tóxico

Preço aproximado relativo

R12

Não

1,0

71007300

112

4,16

Não

1

1

Não

R22

Não

0,05

15004100

96,2

4,99

Não

Não

1

1.6

R134a

Não

0

13003200

101,2

4,07

Não

4

1

Não

CO2

Sim

0

1 (0)1 (0)

31,1

7,38

Não

Não

0,1

8,4

Refrigerante

Algumas características de refrigerantes halogenados e CO2

Algumas características de refrigerantes halogenados e CO2

Refrigerante R12 R134a CO2

Agressor da Camada de Ozônio SIM NÃO NÃO

Potencial de Aquecimento Global GWP=8100 GWP=1300 GWP=1

Emissão de CO2 – Operação (consumo de comb. e vazamento)

2600 kg/carro 2600 kg/carro 1800 kg/carro

Emissão de CO2 equivalente 8100 kg/carro 1300 kg/carro 0,5 kg/carro

TOTAL 10700 kg/carro 3900 kg/carro 1800 kg/carro

Redução de 2/3 Redução de 1/2

R134aGWP 1300

EU 2011GWP < 150

R152a - 120Blend ‘H’ > 10

DP-1 > 40Auto AC-1 < 150

HoneyDu - ?

CO2GWP 1

Comparativo

Os Automóveis são responsáveis por 10% de toda a emissão dos gases que colaboram com o efeito estufa

Esse número tende a crescer, pois cada vez mais carros saem de fábrica com sistema de A/C.

Os atuais sistemas de A/C colaboram ainda mais com o total de emissões, através de vazamentos, consumo de combustível e também para recuperar e reciclar o fluido refrigerante.

Efeito Estufa

Aspectos de Segurança

0,03 a 0,06% - Concentração no ar atmosférico

2% - 50% de aumento na taxa de respiração

3% - Limite de exposição de 10 minutos; 100% de aumento na taxa de respiração

5% - 300% de aumento na taxa de respiração, dor de cabeça (Obs: Isto é tolerado pela maioriadas pessoas, mas há excessões.

8% - Curto tempo de exposição

Aspectos de Segurança

8-10% - Dor de cabeça após 10 ou 15 minutos. Zumbido nos ouvidos, aumento napressão sanguínea, aumento da frequênciacardíaca, excitação e náusea.

10-18% - Após poucos minutos de exposição, situação similar ao ataque epilético, perda daconsciência e entrada em estado de choque.

18-20% - Sintomas similares aqueles de um derrame.

Ar CondicionadoAutomotivo


R134a

CO2


Unidade Básica de um Sistema de Ar Condicionado com CO2

Compressor

Trocador de Calor

Gas Cooler e Evaporador

Comparativo

Configuração de Trocador de Calor Interno

Configuração de Trocador de Calor – Gas Cooler

Visualização do Escoamento no

Interior de Trocadores de Calor

tipo Microcanais

Padrões de Escoamento observados no LTCM daEPFL para tubos com D=0,79 mm Microcanaiscom G= 500 kg/m2s na saída do Evaporador

(a) Bolhas com x=3% (b) Bolhas/Slug com x=4%

(c) Slug com x=5% (d) Slug/Semi-anular com x=11%

(e) Semi-anular com x=24% (f) Anular ondulado com x=73%

(f) Anular Liso com x=73%Revellin, Thome et al., Int. J. Multiphase Flow, Vol. 32, pp. 755-774, 2006.

Bolhas

Pistonado / Intermitente

Vídeos feitos por Dr. Lorenzo Consolini no LTCM da EPFL

Intermitente para Anular

annular

Comparação de Resultados Obtidos

na Literatura

Coe

f. Tr

ansf

. de

Cal

or–

kW/m

2 .o C

Título

Cheng, Ribatski e Thome (2007)

Modelo para cálculo do hem Evaporador com CO2

Resultados ComparativosC

OP

Temperatura do Ar (Condensador / Gas Cooler)

Estados Unidos - 2002

21%

30%

34%34%

51%60%

Resultados Comparativos


Gas Cooler

Temperatura do Ar (Condensador / Gas Cooler)

Ger

ação

de E

ntro

pia

/C

apac

idad

ede

Ref

riger

ação

(x 1

0-4 .K

-1)

Evaporador Evaporador

Condensador

Geração Total

Geração Total


Resultados – Efeito da Carga de CO2

Carga de Refrigerante - gramas

CO

P

Cap

acid

ade

de R

ef. e

Pot

ênci

a -k

W

Consumo de Potência do Compressor

Capacidade de Refrigeração

Rotação compressor: 1800 rpmTemperatura do ar no Gas Cooler: 35oCVelocidade face Gas Cooler: 4,5m/sVelocidade face Evaporador: 2,5 m/sUmidade: 50%

China - 2005


Vazã

o de

CO

2–

kg/s

Títu

lo

Título de entradaVazão de CO2


Entalpia - kJ/kg

Pres

são

-Bar

Rotação do Compressor: 1800 rpm



Pres

são

-Bar

Tem

pera

tura

-o C

COP

Capacidade de Refrigeração

Potência de Compressão

Efeito da Pressão de Descarga do Compressor

Pressão de Saída Evaporador - Bar

CO

P

Cap

acid

ade

de R

ef. e

Pot

ênci

a -k

W

COPCapacidade de RefrigeraçãoPotência de compressão

Efeito da Pressão de Saída do Evaporador

Temp. Entrada de Ar no Gas Cooler - oC

Cap

acid

ade

de R

efrig

eraç

ão –

kW

CO

P

COP com 2,5 m/sCapacidade de refrig.com 2,5 m/s

Capacidade 1,4 m/s

COP a 1,4 m/s

Efeito da Temperatura do Ar na Entrada Gas Cooler

Velocidade do Ar – Gas Cooler (m/s)

Cap

acid

ade

de R

ef. e

Pot

ênci

a –

kW

CO

PCOPCapacidade de Refrig.

Potência de Compressão

Efeito da Velocidade de Face do Ar no Gas Cooler

Comparação de Resultados obtidos em

Testes com Veículos

Comparação R134a x CO2


Temperatura Inicial da cabine: 75oCSol: 1000 W/m2

Temperatura Ambiente: 40oC

Tem

po e

m M

inut

os Zona de Conforto

Desconforto ‘’Quente’’

Desconforto ‘’FRIO’’

Tem

pera

tura

não

éat

ingi

da

Temperatura na cabine

CO

2

CO

2

CO

2

CO

2

Série 3

Comparação R134a x CO2Te

mpe

ratu

ra

Tempo em Minutos

CO2

R134

a

Audi A4


Tempo em Minutos

Tem

pera

tura

5 10 15 20 25 30

Redução de tempo: 50%

R134a – CabineCO2 - Cabine

R134a – Saída de ArCO2 – Saída de Ar

Resumo dos Testes

O sistema com CO2 mostrou melhor desempenho para atingir a temperatura desejada,

Alcança valores reduzidos da temperatura da cabine,

Elevado potencial no desenvolvimento de componentes com melhor desempenho,

Redução no consumo de combustível comparado ao sistema com R-134a.

Comparação R134a x CO2 – 1000cm3


Teste com 43oC, 40% de umidade e carga de 1000 W/m2

R134a: Em 10 min a temperatura na saída do Evaporador era 12oC

CO2: Sistema teve uma melhora de desempenho. Em 10 minutos a temperatura de saída do Evaporador era 6oC

Tsaída Evap. CO2Tsaída Evap. R-134aTmédia Int. CO2Tmédia Int. R-134a

Parado

Tem

pera

tura

do

Ar -

o C


Testes nas mesmas condições anterioresCO2 foi levado às mesmas condições do R134a

Parado

Tempo em segundos

- 4,5%

- 5,5%

Tem

pera

tura

do

Ar -

o C


- 7,5%- 5%

- 3%

Con

sum

o de

Com

bust

ível

–l/1

00 k

m


Comparação com Temperatura de 45oC

COP médio (900-1200s) = 2,52

COP médio (900-1200s) = 2,0R134a

CO2

Resumo dos Testes

Sistema com CO2 para Veículos de baixa potência provou ser viável e pode ser projetado com os componentes padrões.

Consumo de combustível em média 5% menor com o CO2. Isso pode levar a uma redução na emissão de CO2 pelo escapamento entre 6 e 10 g/km.

Isso leva a crer que a medida que forem projetados equipamentos melhores, a tendencia é de maior vantagem para utilização do CO2.

Elastômeros para uso com CO2

Lado Baixa Pressão Lado Alta PressãoSaída do Gas Cooler

Lado Alta PressãoSaída do Compressor

Vazamento de 0,5 g/ano

Vaza

men

to d

e C

O2

–g/

ano

Comparação – Tipo de Óleo CO2

Condições de Ensaio

Compressor (RPM)

Pressão Sucção, P1

Pressão Descarga, P2

Veloc. Face no Evaporador

Temp. Ar entrada Evaporador

Veloc. Face Gas Cooler

Temp. Ar entrada Gas Cooler

Temp. Ambiente - Compressor

Condições de EnsaioCondições de Ensaio

Compressor (RPM)

Pressão Sucção, P1

Pressão Descarga, P2

Veloc. Face no Evaporador

Temp. Ar entrada Evaporador

Veloc. Face Gas Cooler

Temp. Ar entrada Gas Cooler

Temp. Ambiente - Compressor

CO

P

Análise e Projeção de Mercado para Ar

Condicionado Automotivo

Projeção Carros com A/C de fábrica

1988 1992 1996 2000 2004 2008 20120

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

A

% V

eícu

los

com

Ar C

ondi

cion

ado

de F

ábri

ca

75%

47%

58%

10%18%

27%38%

46%

Projeção DENSO

ANFAVEA

Dados Reais Previsão

90%Europa:

2007

Decisão da Legislação da Comunidade Européia sobre os Gases Fluorados

Parlamento Europeu

ComissãoEuropéia

Conselho (Estados membros)

1a

Leitura2a

Leitura

PosiçãoComum

Conselho e Parlamentonegociam através de

Procedimento de Conciliação

NÃO

SIM

2a

Leitura=

Posição Comum?

Proposta

Agosto 2003

MAR2004

Abril 2005

Proposta da Comissão Européia

Propuseram a retirada (phase-out) dos compostos fluorados entre 2009 e 2013.

Propuseram a inclusão do HFC-152a comoopção.

Redução nos níveis de vazamentos dos gases fluorados nos equipamentos.

Com a implementação dessas medidas, teria-se umaredução desses gases fluorados em cerca de 30 milhões de Toneladas de CO2 equivalente por ano.

Posição Parlamento Europeu

Na 1a. Leitura, (Março 2004), o Parlamentoconcordou com a necessidade de retiradado HFC 134a.

Propuseram a retirada (phase-out) dos compostos fluorados entre 2011 e 2014.

Propuseram a EXCLUSÃO do HFC-152a.

Posição do Conselho Europeu

Concordam com a necessidade de retiradado HFC 134a.

Propuseram que a retirada (phase-out) dos compostos fluorados seja entre 2011 e 2017.

Propuseram a INCLUSÃO do HFC-152a.

Concordaram a redução nos níveis de vazamentos desses gases nos equipamentos.

Emissões Diretas Emissões Indiretas

* Vazamentos* Acidentes

* Fim de Vida

* Escapamento* Combustível* Peso do A/C

Emissões de CO2 para Atmosfera

O CO2 já tem tecnologia desenvolvida para utilização em sistemas de Ar Condicionadoautomotivo.

Na Europa, a BMW e a Mercedes jáiniciarão a instalação do A/C com CO2.

Em 2011 a Toyota já produzirá veículoscom CO2, incluindo aqueles com motor 1.0.

Estima-se que haja somente na Europa ummercado de 15 milhões de novas unidades, potendo atingir 5 bilhões de Euros.


Resfriamentomais rápido

Aquecimentomais rápidoutilizando omesmo equipamento

75oC para 25oC em10 min. Menor Consumo

de Combustível

Menor Emissão

Economia de $

CO2 não é Inflamável e não é Tóxico


Sistemas com CO2 tem melhor eficiência em pelo menos 90% das condições.

São menores em tamanho e apesar do reforço devido à pressão, são cerca de 2kg mais leves que os atuais sistemas.

Com a utilização do CO2, poderá haver uma redução de 5% do total das emissões indiretas e 7% das emissões diretas.

Na Europa há a possibilidade de se reduzir 30 milhões de toneladas até 2011 com a introdução de 3 milhões de novas unidades de A/C com CO2 a partir de 2008.


Referências e Links úteis

http://www.r744.com

http://www.wlv.com/products/databook/db3/DataBookIII.pdf

http://ltcm.epfl.ch/

http://www.valeo.com/

http://www.visteon.com/

http://www.globaldenso.com

http://europa.eu/scadplus/leg/en/lvb/l24280.htm

aplicaÇÕes do co2 no setor automotivo

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