Supermercados: eficiência energética entre o sistema em cascata com CO2 e os sistemas de expansão direta
(crédito: Bitzer)
Alessandro da Silva
O dióxido de carbono é um gás refrigerante natural a amigável, porque não contribui com a destruição da camada de ozônio e tem um baixo potencial de aquecimento global, possuindo o valor de referência entre os refrigerantes, avaliado como 1. Devido às suas propriedades termodinâmicas específicas, incluindo alta pressão de operação, baixa temperatura crítica e baixa viscosidade, o CO2 oferece uma ótima eficiência energética. Além disso, incentivará o desenvolvimento de sistemas modernos que irão colocar a indústria de refrigeração em uma posição mais sustentáve. Com o foco principal em aplicações na refrigeração comercial, este artigo irá analisar a eficiência energética por meio de comparações realizadas entre o sistema em cascata com CO2 e os sistemas de expansão direta, convencionais, utilizando os refrigerantes R-404A e R-22, discutir vantagens e desvantagens, juntamente com uma comparação de custos, devido à economia proporcionada com a utilização do dióxido de carbono, além de outras questões relevantes para sua aplicação. Estas comparações de eficiência energética foram realizadas no centro de tecnologia de CO2 que vem operando na BITZER Brasil desde 2008. Neste centro, foram instalados três sistemas de refrigeração com capacidades de refrigeração similares, os quais funcionam sistematicamente, operando por uma semana e inoperante na seguinte, gerando uma comparação precisa entre eles.
Descrição dos sistemas de refrigeração
Existem três sistemas semelhantes, o primeiro configura um sistema em cascata (com dióxido de carbono para a operação subcrítica e HFC-404A no estágio de alta) possuindo um circuito de bombeamento para resfriados e expansão direta para congelados. Os outros dois sistemas operam com expansão direta, sendo que um deles utiliza HFC-404A e o outro HCFC-22. A Figura 1 mostra os três racks de refrigeração. Eles resfriam duas câmaras de armazenamento de 0°C até 2°C e também mantêm uma câmara de congelados a -25°C.
Existem duas ilhas de congelados trabalhando a -25°C que são conectadas somente ao circuito de dióxido de carbono. A capacidade frigorífica de resfriados é de 20 kW, e cerca de 10 kW para congelados. Os evaporadores dos três sistemas de refrigeração são do tipo “ar forçado” e montados sob o teto de cada câmara fria. Os condensadores operam resfriados a ar ou a água. Todas as máquinas e câmaras frigoríficas estão equipadas com sensores infravermelhos e um sistema de extração de dióxido de carbono. Apenas um sistema permanece em uso a qualquer momento, o que permitir a realização das comparações energéticas.
A Tabela 1 apresenta os principais dados técnicos para cada rack de refrigeração tanto para media temperatura (MT) como para baixa temperatura (LT). As capacidades de refrigeração em media temperatura (MT) e baixa temperatura (LT) dos sistemas são superiores às cargas térmicas das câmaras frigoríficas e ilhas, como mostrado na Tabela 2.
Eficiência energética
Compressores
Os compressores de cada rack têm a opção de funcionamento tanto com inversor de freqüência como de controle de capacidade pelo cabeçote, com exceção do compressor modelo 2KC-3.2K para o CO2, este possui apenas um cabeçote de operação (2 cilindros). O compressor modelo 4TCS-8.2 que é utiliza R-22 em baixa temperatura, também não possui tal controle de capacidade, ele opera com o sistema CIC (resfriamento por injeção controlada). A faixa de operação é de 30 Hz a 70 Hz para compressores com inversores de freqüência.
Condensadores
Cada rack permite a opção dos condensadores operarem tanto com resfriamento a ar ou a água. Os dois tipos de condensadores podem ser utilizados para comparar a eficiência energética do sistema. Os ventiladores dos condensadores têm a opção de operar com inversores de freqüência, bem como controles do tipo liga / desliga, que utilizam pressostatos baseados na pressão do fluido para controlar a temperatura de condensação. Os condensadores resfriados a água são do tipo casco e tubo, conectados a uma torre de resfriamento.
Evaporadores
Os evaporadores que utilizam R-404A e R-22, montados nas câmaras de resfriados, são do tipo expansão direta (DX). Estes utilizam válvulas de expansão termostática (TEV) e válvulas de expansão eletrônica (EEV). Os evaporadores que utilizam CO2 são empregados tanto para as câmaras de resfriados como para a câmara de congelados. Os evaporadores a ar utilizados na câmara e ilhas de congelados é do tipo DX e utiliza apenas uma válvula de expansão eletrônica. Os outros dois evaporadores de MT com CO2 operam com recirculação de líquido, utilizam somente válvulas de expansão manual para controlar o fluxo de refrigerante. Todas as informações relevantes são monitoradas em uma unidade de controle central, podendo ser operada via LAN ou Internet. O degelo do evaporador de média temperatura é do tipo natural, enquanto os evaporadores de baixa temperatura são por degelo elétrico (ilhas e câmaras de congelados).
Projeto dos sistemas
Racks de refrigeração com R-404A e R-22
Ambos os racks de refrigeração trabalham com dois compressores semi-herméticos de pistão em paralelo. Cada rack possui a descarga comum, entretanto a sucção é dividida para as linhas de resfriados e congelados. O coletor de descarga comum conduz o refrigerante para um separador de óleo. O tubo de retorno de óleo entra em um pulmão de óleo, que envia o óleo lubrificante aos reguladores de nível de óleo no compressor. A linha de descarga vai para o condensador e depois segue para um tanque de líquido vertical, onde uma linha de líquido distribui o refrigerante líquido para os evaporadores. As condições de funcionamento são: -30ºC para baixa temperatura (LT), -10ºC para média temperatura (MT) e 40 ºC para a temperatura de condensação.
Racks de refrigeração com R-404A e CO2 subcrítico
A Figura 3 mostra um diagrama esquemático do sistema em cascata CO2/R-404A. De acordo com esta figura, os evaporadores com CO2 de MT operam com recirculação de líquido a -5ºC, enquanto os evaporadores com CO2 de LT operam com expansão direta a -30ºC de temperatura de evaporação, os processos ocorrem conforme o ciclo de compressão a vapor, utilizando um compressor semi-hermético alternativo.
No sistema em cascata com CO2/R-404A, o CO2 e o R-404A estão em dois circuitos separados. Estes dois circuitos entram em contato térmico em um trocador de calor a placa intermediário, onde eles trocam calor entre si, sem ocorrer mistura dos dois refrigerantes. Este trocador de calor serve como um condensador para o sistema com CO2 e como um evaporador para o sistema com R-404A. O CO2 é bombeado para a câmara de resfriados e expandido de forma direta para a câmara de congelados.
O projeto do rack com CO2 apresentou algumas características incomuns, que foram necessárias para manter as faixas de temperaturas de operação do compressor no nível recomendado. Apurou-se que o desempenho do compressor de CO2 decai em temperaturas muito baixas de operação, caso estes pontos de operação não fossem checados, o resultado seria uma alta concentração de refrigerante com óleo no cárter do compressor, causando a falha prematura do compressor. Os valores de superaquecimento entre 20 K a 30 K foram adotados na sucção do compressor de CO2 a fim de manter aceitáveis as temperaturas no cárter do compressor com CO2. Para evitar esta falha prematura do compressor, um trocador de calor adicional foi acrescentado entre a linha de sucção de CO2 e a linha de líquido no estágio de alta do R-404A, que manteve a temperatura do CO2 na sucção do compressor, entre -10ºC a 0ºC. Por experiência, tem-se visto que ao se manter uma taxa de calor excessiva no compressor pode acarretar alguns problemas. Devido à sua alta densidade do vapor de sucção, o CO2 tem uma capacidade muito maior de absorver o calor das carcaças dos compressores do que outros gases. Este fato faz com que o compressor seja resfriado demasiadamente, ficando o cárter e os cabeçotes cobertos por gelo, significando que o óleo certamente será diluído pelo refrigerante. Qualquer diluição no refrigerante irá gerar um efeito adverso sobre a vida útil das partes móveis dos compressores. O ideal é manter a temperatura do cárter do compressor, pelo menos, à temperatura da carcaça e a descarga deve estar sempre quente. O controle do superaquecimento do gás de sucção do compressor de CO2 é necessário, como por exemplo, através de um intercambiador de calor por onde passa o R-404A na fase líquida (estágio de alta). Tal controle proporciona livre sub-resfriamento do líquido do estágio de alta. Este tipo de controle é relativamente complicado, porém, se não for realizado irá causar problemas no sistema. Algumas formas de controle devem ser adotadas para limitar a temperatura do vapor de sucção do compressor, sistemas de bypass ou trocadores de calor de múltiplos estágios podem ser utilizados para fornecer o controle preciso da temperatura do vapor de sucção do compressor. A temperatura do vapor de descarga ou mesmo a temperatura de sucção podem ser utilizadas para controlar a operação de troca de calor. Pequenos valores de superaquecimento darão origem a problemas de lubrificação, enquanto que níveis elevados de superaquecimento irão causar o aquecimento excessivo do motor e falhas subseqüentes, bem como temperaturas de descarga elevadas.
Tubulação
O projeto do sistema de refrigeração em cascata também pode tirar proveito de um elevado grau de sub-resfriamento do líquido, o que resulta em reduções substanciais nos diâmetros de tubulação da linha e uma carga de refrigerante reduzida em comparação com os fluidos refrigerantes convencionais, tais como R-404A e R-22. A Tabela 3 mostra tal comparação. A Tabela 4 apresenta a comparação entre os diâmetros da linha de sucção e da linha de líquido utilizados na câmara de congelados LT utilizando CO2, R-404A e R-22. Na Tabela 5 encontra-se a comparação entre as tubulações em kg/m, referente apenas às linhas de sucção e de líquido utilizadas em cada evaporador.
De maneira geral, os diâmetros da tubulação podem ser reduzidos em aproximadamente 1/5 dos diâmetros das linhas utilizadas com R-404A e R-22 para a mesma capacidade do sistema, fato observado principalmente para as linhas de sucção da tubulação. Devido ao preço de compra do CO2 ser consideravelmente menor que o valor realmente utilizado comercialmente, tanto para o R-404A como para o R-22, o custo total da carga de refrigerante pode ser significativamente reduzido. A Tabela 6 mostra a carga total de refrigeração utilizada em cada rack. Embora os sistemas para resfriados de MT não fornecerem reduções significativas nos custos de energia, economias substanciais podem ser alcançadas através da carga reduzida de refrigerante, ou seja, uma redução real no custo do fluido refrigerante.
Custo dos equipamentos
O custo dos três racks, contendo os evaporadores e os condensadores foram todos controlados para que uma comparação pudesse ser traçada. Os custos dos racks foram calculados separadamente. Os dois racks que compõem o sistema em cascata utilizando CO2 no estágio de baixa pressão e R-404A no estágio de alta pressão foram estimados como 18,5% mais caro do que os racks de simples estágio usando R-22 e R-404A. Considerando, neste caso, a mesma capacidade de refrigeração e como base o ano de 2008. Esse custo mais elevado foi em grande parte, devido ao equipamento de segurança adicional que o sistema de CO2 exige, o que o enquadra nos códigos de segurança e o fato de que uma quantidade razoável de componentes terem sido especialmente construídas e importadas da Austrália. Assim que o CO2 ganhar popularidade e mais equipamentos com CO2 ficarem disponíveis no mercado, certamente este custo adicional será reduzido. Os principais fatores responsáveis pelas reduções no custo são: a grande redução no diâmetro da tubulação e isolamento, respectivamente. Além disso, os evaporadores de CO2 são menores fisicamente e mais eficientes, devido ao aumento da capacidade de refrigeração específica do refrigerante. Apurou-se que tanto para o R-404A como para o R-22 os evaporadores precisaram de aproximadamente 20% a mais de área superficial para alcançar o mesmo desempenho que os evaporadores de CO2 (com base na mesma diferença de temperatura entre a temperatura de evaporação e temperatura ambiente). Os refrigerantes nos três sistemas também têm influência sobre o custo total. De acordo com a Tabela 6, o sistema em cascata tem 32 kg de CO2 e um acréscimo de 15 kg de R-404A, totalizando 47 kg. Os outros dois racks com R-404A e R-22 possuem 125 kg e 115 kg, respectivamente.
No Brasil, o refrigerante HFC-404A teve um custo médio (em 2008) de 22 dólares por quilo, o HCFC-22 custava sete dólares por kg, enquanto que o CO2 teve um custo de US$ 1,40 por kg. O sistema cascata CO2/R-404A tem vantagem sobre o sistema com R404A de $ 2.375,20 e de $ 430,20 sobre o sistema com R-22. O potencial de aquecimento global (GWP) dos três sistemas, devido às emissões diretas no caso de perda total da carga de refrigerante, também é de grande importância. Uma vez que o CO2 é utilizado como unidade de base para medir o GWP, esta comparação é relativamente simples. Um kg de R-404A tem um GWP de 3.260 unidades, um kg de R-22 tem um GWP de 1500 unidades, enquanto que um kg de CO2 é igual a 1 unidade. Portanto, um sistema em cascata CO2/R-404A tem 48.932 unidades, o sistema R-404A tem 407.500 unidades e o sistema R-22 tem 172.500 unidades, de acordo com cada carga de refrigerante no sistema. Como pode-se observar, a diferença entre os sistemas convencionais e o sistema em cascata CO2/R-404A é da ordem de 358.468 unidades para o R-404A e de 123.568 unidades para o R-22.
Consumo de energia elétrica
Os três sistemas de refrigeração possuem instrumentação completa e são capazes de capturar o consumo total de energia de todo o sistema. A potência é registrada em intervalos de 15 minutos para planta em operação, e inclui todos os aspectos do sistema: os motores dos compressores, os aquecedores de cárter, os motores dos ventiladores, as resistências de degelo, os ventiladores dos evaporadores, e assim por diante. As comparações de eficiência energética são realizadas sobre médias em um tempo de funcionamento ao longo do ano onde a temperatura de condensação foi mantida na ordem dos 38ºC. Como a pesquisa ainda está em curso e o período de um ano inteiro não tenha decorrido, algumas hipóteses foram feitas. É bem provável que com um sistema de CO2, boa parte da economia de energia pode ser atribuída ao sub-resfriamento do líquido do estágio de alta, pela sucção do gás no estágio de baixa. De acordo com a Tabela 7, o CO2 é 22,33% mais eficiente que o R-404A e 13,75% mais eficiente se comparado ao sistema com R-22 (ambos possuem inversores de frequência nos motores dos compressores e válvulas de expansão eletrônica). No entanto, quando ambos os sistemas R-404A e R-22 utilizam válvulas de expansão termostática, o CO2 se torna ainda mais eficiente, o que representa 24,67% sobre o R-404A e 15,47% sobre o R-22. As válvulas de expansão eletrônica economizam mais energia por serem mais confiáveis e precisas no controle do fluxo mássico de refrigerante através das condições de carga térmica do evaporador (uma vez que recebe todas as informações relativas à temperatura e pressão na saída do evaporador, a fim de controlar a abertura e o fechamento da válvula de acordo com o superaquecimento). Ela usa um algoritmo de controle PID que garante a estabilização da temperatura, bem como o controle do superaquecimento na saída do evaporador, além de rotinas de degelo em tempo real.
Conclusões
Esta comparação mostrou que desempenhos superiores e processos ecologicamente corretos podem ser aplicados para reduzir os efeitos diretos e indiretos do aquecimento global, ao demonstrar a redução de custos em longo prazo para a operação da planta. Evidentemente, existem inúmeras vantagens que vão garantir que sistemas em cascata com dióxido de carbono têm um lugar de respeito nos sistemas de refrigeração futuro. Um resumo das vantagens de sistemas de CO2 sobre o R-404A e R-22 é mostrado a seguir:
- Redução do consumo de energia elétrica (neste caso, variou entre 13-24%);
- Baixa relação de compressão e aumento da vida útil do compressor de CO2;
- Alta densidade do CO2 e alta pressão no estágio de baixa pressão;
- Redução dos diâmetros da tubulação de CO2;
- Redução da carga de refrigerante de CO2;
- Baixo preço de compra do CO2;
- Elevada entalpia, alto grau de sub-resfriamento e maior capacidade de refrigeração;
- Baixo GWP e menos taxas de emissão de carbono (CO2);
- Pequeno deslocamento volumétrico e menor tamanho nos compressores de CO2;
- Menores racks de refrigeração, instalações compactas e menor número de compressores;
- Evaporadores menores e mais eficientes;
- Custos de instalação e manutenção reduzidos.
Devido à rápida evolução dos custos de refrigerantes e a esperada redução no custo dos componentes compatíveis com CO2, além da enorme variação no custo da energia em todo o mundo, não é possível prever exatamente o período de recuperação necessário para compensar o elevado custo do sistema em cascata. Mas é seguro dizer que quanto maior for a planta, mais atraente se torna a utilização do CO2.
Alessandro da Silva - Engenheiro de aplicação da Bitzer Compressores
Referências bibliográficas
1 - Ian, W. and Maier, D., 2006, Carbon Dioxide for Use as a Refrigerant. Innovative Equipment and Systems for Comfort and food preservation, IIR Conference, Auckland, New Zealand.
2 - Silva, Alessandro. Dióxido de Carbono – CO2 Em Sistemas de Refrigeração Comercial e Industrial, Editora Nova Técnica – vol. 01, pág. 39 – 76, 2009.
3 - Silva, Alessandro. Aplicações do CO2 no setor de Refrigeração Comercial para Supermercados – Uso de Fluidos Naturais em Sistemas de Refrigeração e Ar Condicionado – Ministério do Meio Ambiente – MMA, Publicação Técnica, pág. 129 – 153, 2008.
4 - Bitzer International software, http://www.bitzer.de.
5 - Bitzer Refrigerant Report, 15th Edition (A-501-15). http://www.bitzer.de.
6 - Coolpack software, http://www.et.dtu.dk/CoolPack.
7 – Micropipe, White Rose Software