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Seminário de Difusão Uso de Refrigerantes Naturais em

Sistemas de Refrigeração e Ar Condicionado

Aplicações nos Setores de Ar Aplicações nos Setores de Ar Condicionado e Refrigeração Industrial

Leonilton Tomaz Cleto - Yawatz EngenhariaANPRAC – 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

Chiller Centrífugo - VSD Chiller com PHE - VSDRefrigerante R-134a R-717Capacidade - kW (TR)Temp. Água Gelada - °CTemp. Água Resfriamento - °C

2110 (600)12.2 / 6.729.5 / 35.0Temp. Água Resfriamento - °C

Potência Absorvida 335 317COP (kW/kW) 6.30 6.65kW/TR 0.558 0.529IPLV (ARI 550/590) - COP 10.40 10.34IPLV (ARI 550/590) - kW/TR 0.338 0.340

29.5 / 35.0


The Optimum Ammonia Systems - By Bo Stubkier – York RefrigerationDanfoss IR Consensus - 30/11/2004


Chiller – Tipo/Modelo Capacidade (kW)Carga Específica de

R-717 (g/kW)

Condensação a Ar

Litch & Hrnjak (MC condenser) 13 18

Refcomp VKA16-14 16 125

York YSLC F4F00UW 220 129

By P. Hrnjak – IIF-IIR - Ammonia Refrigerating Systems, Renewal and Improvement, Ohrid, 2005

York YSLC F4F00UW 220 129

N.R. Koeling LK 25 25 159

Condensação a Água

ILKA MAFA 100.2-11K45 108 23

Sabroe (York) PAC 57 – 1074 172 - 36

Equipamentos com Carga Reduzida de R-717

The Optimum Ammonia Systems - By Bo Stubkier – York RefrigerationDanfoss 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

Processos Termodinâmicos com CO 2

Ciclo Transcrítico

Ciclo Sub-crítico

R717

+35oC (13.5 bar)

-12oC (2.7 bar)

+35ºC

-12ºC

-8ºC

Pre

ssão

Enthalpia

R717

Sistema R-744/R-717 - Cascata

Compressor R-744

R-744/R-717 – Trocador “Cascata”

Compressor R-717

R-744

Enthalpia

-8oC (28.0 bar)

-40oC (10 bar)

Pre

ssão

Enthalpia

R-744

-40ºC

Evaporador – R-744

Sep. Líquido

-40ºC

By Finn Broesby Olsen & Niels P Vestergaard – Danfo ss AS - 2004

R717

+35oC (13.5 bar)

-12oC (2.7 bar)

+35ºC

-12ºC

-8ºC

Pre

ssão

Enthalpia

R717

Sistema R-744/R-717 – CascataDegelo com R-744 – Gás Quente

Compressor R-744

R-744/R-717 – Trocador “Cascata”

Compressor R-717

R-744

Enthalpia

-8oC (28.0 bar)

-40oC (10 bar)

Pre

ssão

Enthalpia

R-744

-40ºC


Sep. Líquido

-40ºC

By Finn Broesby Olsen & Niels P Vestergaard – Danfo ss AS - 2004

Compressor para Degelo

+8 oC (43 bar)

Sistema Cascata R-744/R-717Com R-744 Bombeado no

Intermediário

+35ºC

R717

-14ºC-10ºC

Pre

ssão

Enthalpia

R717

CompressorR-744

R-717/R-744 – Trocador “ Cascata ”

CO2

-10ºC

CompressorR-717

+35ºC (13.5 bar)

-14ºC (2.5 bar)Sep. L íquido

-10ºC (26.4 bar)

CO2-40ºC (10 bar)P

ress

ão

Enthalpia

R-744-40ºC


Sep. L íquido

-40ºC

Evaporador – R-744 -10ºC

Cascade Cooler/Condenser

SMC 106E HPO 28 LOW-STAGE (R744)

AKS 41

HERL T1916 BAR

HERL T1940 BAR

Oil return system

HIGH-STAGE (R717)Oil recovery

system


PHE -Condenser

SMC 106EEKC 347

CNF - 40BITZER LH53/2DC

HERL T1924 BAR

HIGH-STAGE (R717) system

EVR

Q - MIN.MVL661

PM 3 - CVP(HP) - EVM

DpDp

HERL T1925BAR

KP 5

PM1 - EVM

External option

Kurt C. Hilbrecht

By John Ritmann – York Refrigeration - 2004

Expansão de CO 2

Volume Relativo

Var

iaçã

o de

Vol

ume

Temperatura

Var

iaçã

o de

Vol

ume

By Finn Broesby Olsen & Niels P Vestergaard – Danfoss AS - 2004

Sistema R-744/R-717 - CascataCO2 Compressor

NH3 Compressor

Cascade Cooler

NH3 Aut. Oil return


CO2 Pump SeparatorCO2 Oil Rectifier


CO2 Pumps

NH3 HS-Float NH3 Condenser

Secondary Cooling Unit


Pressões de Projeto


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.

By Charles R. Taylor – The Stellar Group - 2003

� 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.

Pressões de Projeto

CompressorR-744

CompressorR-717


COP – R-744/R-717 Cascata x R-717 “Booster”

Sistema Cascata - R-744/R-717 x Sistema "Booster" - R-717Coeficiente de Performance

1.80

1.90

2.00

2.10

CO

P (

kW/k

W)

R-744/R-717 Cascata - Ótimo

Apenas R-717 - Booster - Ótimo

1.30

1.40

1.50

1.60

1.70

-45.0 -44.0 -43.0 -42.0 -41.0 -40.0 -39.0 -38.0 -37.0 -36.0 -35.0

Temperatura de Evaporação (ºC)

CO

P (

kW/k

W)

Compressor R-744 - Sabroe HPCCompressor R-717 - Frick RWF II - ECO"Approach" no Cascata - 4ºCTemp. Interm no Sistema de R-717 - ÓtimaTemp. Cond. R-717: 35ºC

By L. Tomaz Cleto – Yawatz Engenharia - 2007

Comparativo de COP – Vários Sistemas

Comparativo de COP entre Ciclos de Refrigeração

1.75 1.77

2.18

1.22

1.781.92

1.86

1.421.381.50

2.00

2.50

CO

P (

kW/k

W)

Regime -40ºC/+25ºC

Regime -50ºC/+25ºC

By P.S. Nielsen & T. Lund - IIAR - Albuquerque - US A - 2003

1.221.09

0.00

0.50

1.00

R-717- SimplesEstágio -

Economiser

R-717 - DuploEstágio - Booster

R-22 - SimplesEstágio -

Economiser

R-22 - DuploEstágio - Booster

R-744/R-717 - CicloCascata

Tipo de Sistema

CO

P (

kW/k

W)

Comparação de Diâmetros de Linhas

R134a R717 R-744∆P (bar) 0.0212 0.0303 0.2930

Velocidade (m/s)

20.4 37.5 15.4

Refrigerante

Linha de


Diâmetro

mm 168 102 53

Diâmetro

mm 37 21 35

Linha de Sucção

Linha de Líquido


R134a R717 R-744∆P (bar) 0.0212 0.0303 0.2930

Velocidade (m/s)

11.0 20.2 8.2

Linha de Retorno

Refrigerante


Diâmetro

mm 215 133 69

Diâmetro

mm 61 36 58

Retorno (Liquido +

Vapor)

Linha de Líquido

Bombeado (Baixa)

5

6

7

8

5%95% Líquido

Sucção

Index


0

1

2

3

4

R-134a R-744R-717

4%96%

30%70%

CO2=


10

100P

ress

ure

(bar

-a)

Supercrítico

Liquido - Vapor

Liquido

Sólido -Liquido

+31 oC

Líquido a 20 bar

Vapor a 35 bar

Vapor a 50 bar

31.0ºCP

ress

ão (

bar

abs)

Válvulas de Segurança

1

10

-200 -100 0 100 200 300 400 500

Enthalpy

Pre

ssur

e (b

ar-a

)

Sólido - Vapor

Vapor

Sólido50% de CO2 Sólido no Ponto Triplo

0% de CO2 Sólido no Ponto Triplo

3% de CO2 Sólido no Ponto Triplo

-56.6 oC 5.2 bar

-78.4 oC

Entalpia

Pre

ssão

(ba

r ab

s)


Válvulas de Segurança

CO2 Sólido Após Expansão

Segurança


Obs.: HFCs – TLV ~ 1000 ppm

Solubilidade com

Água

ppm de Água / kg de Refrigerante

Solubilidade da Á

gua –F

ase Vapor

Temperatura

ppm de Água / kg de Refrigerante

By F

inn Broesby O

lsen & N

iels P V

estergaard –D

anfoss AS

-2004

Solubilidade com Águapp

m d

e Á

gua/

kg

de

Ref

riger

ante

Solubilidade da Água – Fase Vapor

CO2 + Gelo

CO2 + Água

Temperatura

ppm

de

Águ

a/

kg d

e R

efrig

eran

te

Gelo

CO2 + Vapor d’Água


Filtro Secador/ Visor de Umidade

CompressorSucção

Trocador - CascataFiltro Secador


EvaporadorLíquido

CO2 reciever

Visor de Umidade Bomba CO 2

� Refrigerante Primário – (Ciclo Sub-Crítico):

� Baixas Temperaturas – Sistema Cascata (-35ºC a -55ºC)

� COP melhor para sistemas abaixo de -35ºC

� Deslocamento Volumétrico até 10 vezes menor que R-717

� Linhas muito menores/ Separadores de Líquido Menores/ Evaporadores Menores

R-744 (CO2) como REFRIGERANTE

� 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

� Refrigerante Secundário:� Temperaturas Intermediárias (-20.0ºC a 0.0ºC)

Fluxo Bifásico

R-744 (CO2) como REFRIGERANTE

� Fluxo Bifásico

� Altos Coeficientes de Transferência de Calor

� Linhas muito menores

O Exemplo da Nestlé

Natural Refrigerants Used as Branding - By Mr. Pieter Roux - NestléDanfoss 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� R-22 – Em processo de eliminação

� Ar Condicionado Industrial

� HFCs – Chillers Centrífugos/ Parafuso

� R717 – Chillers com “PHE” – Empresas Européias

� Algumas conversões diretas de R-22 para R-290 (HC 22A)

� 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 e Sistemas com Carga de R-717 muito Reduzida

� Fluidos Secundários (-15.0ºC a 0.0ºC)

� R-744 - ??? – Grande Futuro! - 2 Sistemas Novos + 3 Projetos

� Legislação

� Segurança � CB-55 – Norma NBR 16069

� Guias de Referência

Norma de Segurança

� Norma Geral sobre Aspectos de Segurança em Sistemas de Refrigeração.

� Baseada nos Standards Internacionais:

ANSI/ASHRAE Standard 15-2007

NBR 16069 – Segurança em Sistemas Frigoríficos (2009 )

� ANSI/ASHRAE Standard 15-2007

� EN 378:2008 – Parts I – IV

� ANSI/IIAR 2-2008

� Abrange todos os sistemas de refrigeração

� Vários requisitos importantes ignorados pelosprojetos.

Norma de Segurança

� 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.

NBR 16069 – Segurança em Sistemas Frigoríficos (2009 )

� Projeto dos Vasos de Pressão – ASME Sec. VIII Div. 1.

� Projeto da Tubulação – ANSI/ ASME B 31.5 (RefrigeratingPiping)

� Projeto da Sala de Máquinas (ventilação, layout, etc).� Válvula de Segurança – Dimensionamento e Sistema de

Descarga

� Métodos de Descarga de PSV para a Atmosfera.

� 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

Guias de Referência para Sistemas de

Refrigeração por Amônia – MMA/PNUD

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

Guias de Referência para o Uso Seguro de

Sistemas com Hidrocarbonetos – GTZ Proklima

� Infra-estrutura de Segurança.

� Qualificação dos Sistemas quanto à Segurança.

� Treinamento das equipes de operação e manutenção.

Guias de Referência para o Uso Seguro de

Sistemas com Hidrocarbonetos – GTZ Proklima

� Fabricação montagem dos equipamentos e sistemas.

� Concepção e desenvolvimento dos equipamentos.

� Instalação, Comissionamento, Start-Up e Operação.

� Estudos de Caso.

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