Análise de sistemas de refrigeração por compressão de vapor

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1.Introdução
Sistemas de refrigeração podem ser implementados de diversas maneiras, as quais podem ser mais adequadas ou não a demandas de situações específicas. Para  atender um estabelecimento comercial na região de Campinas com uma demanda de 150 TR, onde a temperatura de evaporação do fluido refrigerante deve ser de -30°C. Avaliamos o desempenho de dois sistemas distintos, com intuito  de definir a melhor opção para a aplicação em questão. Os sistemas testados são o Sistema simples apresentado na figura 1 e o Sistema em cascata apresentado na figura 2, ambos analisados operando com quatro tipos de fluidos refrigerantes diferentes: R134a, R290, R717 e R744.
2.Desenvolvimento da Atividade
Considerando os sistemas de refrigeração por compressão de Vapor simples (Fig.1) e em Cascata (Fig. 2), desejamos avaliar os níveis de pressão utilizados em cada etapa do processo de refrigeração. Em ambos os sistemas, temos que a temperatura de evaporação do fluido refrigerante deve ser de -30°C e a eficiência isentrópica no processo de compressão de 80%. Devemos frisar que os sistemas devem atender a uma demanda de 150 TR em um estabelecimento na região de Campinas-SP.
Fig.1. 
S
istemas de refrigeração por compressão de Vapor simples
Fig.2
. 
S
istemas de refrigeração por compressão de Vapor 
em Cascata
Para o desenvolvimento analítico de cada Sistema, consideramos algumas hipóteses listadas abaixo:
Cada componente do ciclo é analisado como um volume de controle em regime permanente. - Os compressores e as válvulas de expansão operam adiabaticamente.
A expansão ao longo das válvulas são processos de estrangulamento.
Os compressores apresentam uma eficiência isentrópica de 80%.
Os efeitos de energia cinética e potencial são desprezíveis.
Temos vapor saturado entrando no compressor e líquido saturado saindo pelo condensador.
Não existem quedas de pressão no evaporador e no condensador.
No ciclo de refrigeração em cascata, o trocador de calor intermediário é isolado térmicamente, ou seja, o calor que sai do trocador no ciclo de baixa temperatura e o mesmo calor que é recebido no ciclo de alta temperatura.
A temperatura máxima na cidade de campinas segundo o Centro de Pesquisas Meteorológicas e Climáticas Aplicadas à Agricultura (Cepagri) desde 1988 é de 38,1°C. Esta temperatura ocorreu em 2014 e será a referência de temperatura utilizada neste trabalho para a região quente no ciclo de refrigeração. A adoção deste valor é válida já que desejamos garantir o bom funcionamento do sistema de refrigeração, mesmo na condição extrema (38,1°C).
Consideramos uma diferença de 5°C entre a temperatura na saida do condensador e a temperatura na região quente. Dessa maneira e levando em consideração a hipótese anterior, fixamos a temperatura na saída do condensador no ciclo de refrigeração simples no valor de 43,1°C e para o ciclo de refrigeração em cascata, estabelecemos a mesmo temperatura de 43,1°C na saída do condensador no ciclo de alta temperatura.
Na sistema em cascata, estabelecemos uma diferença de 5°C entre o vapor saturador que entra no compressor no ciclo de alta temperatura e o líquido saturado que entra na válvula de expansão no ciclo de baixa temperatura. Em valores absolutos, fixamos a temperatura do fluído em 4°C na saída do trocador de calor intermediário do ciclo de baixa temperatura, logo teremos uma temperatura de 9°C no saída do trocador do ciclo de alta temperatura. 
Para simular e otimizar a análise do modelo dos ciclos de refrigeração, utilizamos o software EES. Todos os códigos desenvolvidos para a modelagem são apresentados ao final do trabalho no Anexo A. 
Iniciamos a análisa simulando o ciclo de refrigeração SIMPLES para 4 refrigerantes, são eles:
R134a
R290
R717
R744
Apresentamos abaixo os valores de Pressão, Vazão mássica, Temperatura, Trabalho no compressor e COP para cada um dos fluidos assim como o diagrama T(temperatura) x Entropia(s):
R134a:
	Estado
	Pressão[KPa]
	Temperatura[°C]
	Vazão mássica [Kg/s]
	Trabalho no Compressor[KW]
	COP
	1
	84,43
	-30
	
3,97
	
-266,9
	
1,976
	2
	1104
	67,39
	
	
	
	3
	1104
	43,1
	
	
	
	4
	84,43
	-30
	
	
	
R717:
	Estado
	Pressão[KPa]
	Temperatura[°C]
	Vazão mássica [Kg/s]
	Trabalho no Compressor[KW]
	COP
	1
	119,4
	 -30
	 
 0,4963
 
 
	 
-259,8 
 
 
	 
 
2,03
 
	2
	1693
	 211
	
	
	
	3
	1693
	43,1 
	
	
	
	4
	119,4
	-30 
	
	
	
R290:
	Estado
	Pressão[KPa]
	Temperatura[°C]
	Vazão mássica [Kg/s]
	Trabalho no Compressor[KW]
	COP
	1
	167,8
	-30
	
2,107
	
-269,9
	
1,954
	2
	1470
	65,92
	
	
	
	3
	1470
	43,1
	
	
	
	4
	167,8
	-30
	
	
	
R744:
O apresentou um comportamento não desejado às condições estabelecidas. Sua pressão e temperatura após a passagem pelo condensador encontraram-se acima da pressão e temperatura crítica que são de 7.377 MPa, e 30.978°C. Desta maneira, optamos por não considerar o R744 em nossa análises para o ciclo de refrigeração SIMPLES.
Em seguida, realizamos a mesma análise para o ciclo de refrigeração em CASCATA. Consideramos em uma primeira análise a utilização do mesmo refrigerante tanto no ciclo de baixa, quanto no de alta temperatura. Observe os valore de Pressão, Vazão mássica, Temperatura, Trabalho nos compressoesr e COP para cada um dos fluidos.
R134a:
	Estado
	Pressão[KPa]
	Temperatura[°C]
	Vazão mássica [Kg/s]
	Trabalho no Compressor[KW]
	COP
	1
	84,43
	-30
	
3,009
	 
 
 
 -105,5
	 
 
 
 
 
 1,994
 
 
	2
	337,9 
	 19,97
	
	
	
	3
	 337,9
	 4
	
	
	
	4
	 84,43
	 -30
	
	
	
	5
	 293
	 0
	
4,595
	 
 
 
-158,5 
	
	6
	 1104
	 54,05
	
	
	
	7
	 1104
	 43,1
	
	
	
	8
	 293
	 0
	
	
	
R717:
	Estado
	Pressão[KPa]
	Temperatura[°C]
	Vazão mássica [Kg/s]
	Trabalho no Compressor[KW]
	COP
	1
	119,4
	-30
	
0,4371
	
-106,4
	
2,06
	2
	497,7
	85,99
	
	
	
	3
	497,7
	4
	
	
	
	4
	119,4
	-30
	
	
	
	5
	429,6
	0
	
0,5995
	
-149,2
	
	6
	1693
	118,9
	
	
	
	7
	1693
	43,1
	
	
	
	8
	429,6
	0
	
	
	
R290:
	Estado
	Pressão[KPa]
	Temperatura[°C]
	Vazão mássica [Kg/s]
	Trabalho no Compressor[KW]
	COP
	1
	167,8
	-30
	
1,596
	 
 
 
 -106,1
	 
 
 
 
 
 1,964
 
 
	2
	535,2
 
	 19,26
	
	
	
	3
	 535,2
	 4
	
	
	
	4
	 167,8
	 -30
	
	
	
	5
	 474,6
	 0
	
2,452
	 
 
 
-161,59
	
	6
	 1470
	 53,51
	
	
	
	7
	 1470
	 43,1
	
	
	
	8
	474,6
	 0
	
	
	
Para o ciclo em Cascata, o refrigerante R744 é plausível de ser utilizado apenas para o ciclo de refrigeração em Baixa Temperatura. Dessa maneira, surge a possibilidade de combiná-lo com os 3 outros refrigerantes possíveis. Abaixo segue a tabela dos dados dos estados para a combinação do R744 com R134a:
	Estado
	Pressão[KPa]
	Temperatura[°C]
	Vazão mássica [Kg/s]
	Trabalho no Compressor[KW]
	COP
	1
	1428
	-30
	
2,321
	 
 
 
 -124,2
	 
 
 
 
 
 1,832
 
 
	2
	3869 
	 47,18
	
	
	
	3
	 3869
	 4
	
	
	
	4
	 1428
	 -30
	
	
	
	5
	 293
	 0
	
4,731
	 
 
 
-163,2 
	
	6
	 1104
	 54,05
	
	
	
	7
	 1104
	 43,1
	
	
	
	8
	 293
	 0
	
	
	
Após coletar todos os dados das tabelas apresentadas acima, discutiremos a seguir um comparativo de segurança, meio ambiente e custos para cada fluido refrigerante em estudo.
Abaixo segue uma tabela com todos os parâmetros de segurança, meio ambiente e custo:
	10
	Meio Ambiente
	Segurança
	Custo
	R134a
	ODP=0,055 | GWP=1430
	A1
	
	R717
	ODP=0 | GWP<1
	B2L
	
	R290
	ODP=0 | GWP=3
	A3
	
	R744
	ODP=0 | GWP=1
	A1
	
A classificação de segurança dos refrigerantese dado pela norma ASHRAE 32-94. A tabela abaixo descreve cada um dos estados de segurança apresentados na tabela acima:
	Alta Inflamabilidade
	A3
	B3
	Baixa Inflamabilidade
	A2
	B2
	
	A2L
	B2L
	Não inflamável
	A1
	B1
	
	Baixa Toxidade
	Elevada Toxidade
Quanto à classificação de Meio Ambiente, o ODP representa o potencial de destruição da camada de ozônio e tem como referência o valor 1 dado para o Triclorofluormetano enquanto que o GWP é o potencial de aquecimento global e tem o com valor 1 como referência.
A partir dos dados presentes na tabela acima, podemos concluir que todos os refrigerantes apresentam reduzido potencial de destruição da camada de ozônio e de aquecimento global, com excessão do R134a que apresenta um considerável GWP quanto comparado às demais substâncias. Já com relação aos níveis de toxidade e inflamabilidade, o R744 e R134a apresentam os melhores parâmetros de segurança, uma vez que são classificados na categoria A1. A amônia (R717) se apresentou como um refrigerante com elevada toxidade, necessitando de um manejo especial para seu uso. Por possuir um forte odor, a amônia permite que vazamentos possam ser identificados e corrigidos imediatamente antes que todo refrigerante se perca ou haja qualquer dano físico. Já o Propano (R290) apresenta uma elevada inflamabilidade de tal maneira que necessita que uma atenção especial quanto à possiveis risco de explosões associados a geração de faíscas em compenentes elétricos.
A partir de todos os dados apresentados para cada refrigerante em estudo, realizamos um conjunto de análise que nos permitiu a adotação de um sistema de refrigeração que melhor atender às condições estabelecidas.
Primeiramente observamos que o ciclo Simples apresentou uma maior demanda de trabalho nos compressores quando comparado ao sistema em cascata. Além disso, as temperaturas na saída dos compressores foram maiores quando comparado ao sistema em cascata de tal forma que fica evidente que a escolha do ciclo em cascata é mais adequada quando se deseja uma melhor condição de operação nos compressores e menores temperaturas presentes no sistema.
Partindo agora para um estudo dentre as possíveis combinações de refrigerantes no ciclo em cascata, observamos concomitantemente a necessidade de se evitar pressões excessivamente baixas no evaporador e excessivamente alta sno condesador, assim como temperaturas não tão elevadas no sistema como um todo. Além disso, precisamos observar a exigência de trabalho nos compressores, almejando assim um demanda de potência mínima.
 Desta maneira observamos que dentre os fluidos, o refrigerante R134a atende a estas condições com uma menor pressão e temperatura na saídas dos compressores. Contudo, levando em conta aspectos ambientas, foi estabelecido no Protocolo de Montreal ..
Como segunda opção e atendendo os requisitos citados no parágrafo anteriormente, surge-nos a possibilidade e
demanda de potência de 105,5W e 158,5W em cada compressor quando comparado a outros refrigerantes como o . Além de apresentar