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Tendências do Uso de Fluidos Refrigerantes
Alternativosem Sistemas de Ar
Condicionado Automotivo
Enio Bandarra – [email protected]
Universidade Federal de Uberlandia - UFUFaculdade de Engenharia Mecânica - FEMEC
Laboratório de Energia e Sistemas Térmicos – LEST
11 de Setembro de 2009 – Porto Alegre - RS
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INTRODUÇÃO
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Ar Condicionado Automotivo
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CFC-12 e HCFC-22 eram os fluidos utilizados até o final da década de 80.
Na década de 90, os sistemas de A/C foram adaptados para o HFC-134a.
No início do século XXI, devido ao Potencial de Aquecimento Global (GWP), passou-se a estudar diversas possibilidades. Na Europa, fluidos com GWP>150 serão proibidos em 2011.
PERGUNTA: Qual alternativa ao HFC-134a é melhor????
Sistemas de A/C Automotivo
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HFC-152a ou R-152a em sistema indireto, já que GWP=124, porém é inflamável.
Novos Fluidos Químicos propostos pelas indústrias, como por exemplo o HFO-1234yf, cujo GWP=4.
Utilização do refrigerante natural CO2, que possui GWP=1 (referência), porém sua pressão de trabalho é elevadíssima.
Fluidos Alternativos
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CO2 – Dióxido de Carbono – R-744
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HISTÓRICO
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CO2 não é um novo fluido refrigerante, ele já foi proposto como refrigerante em 1850.
Houve um pico de utilização em sistemas de refrigeração entre 1920 e 1930.
Com a introdução dos Refrigerantes Halogenados o uso de CO2 foi sendo suprimido.
Na década de 1990, devido às características ecológicas, como ODP e GWP, a discussão sobre o uso do CO2 como refrigerante ressurgiu, junto com os hidrocarbonetos e amônia.
HISTÓRICO
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Nomenclatura - Refrigerante Dióxido de Carbono, CO2 ou R-744 (R – Refrigerante; 7 refere a Fluidos Inorgânicos;
44 – é a Massa Molecular) Ex. Amônia – NH3 - R-717 Ex. Água – H2O – R-718
Série R-400 (Misturas Não Azeotrópicas) – Temp. Glide
Série R-500 (Misturas Azeotrópicas) – Fluido Puro
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CO2 não é um refrigerante tóxico (torna-se tóxico em elevadas concentrações)
CO2 não é inflamável.
Possui um duplo papel na Meio Ambiente: (1) é imprescindível à vida na Terra e (2) colabora (em menor escala) para o Aquecimento Global.
CO2 é encontrado normalmente na Natureza em concentrações de 0,03 e 0,06% (em volume).
Características
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Capacidade Volumétrica (Relativa)
Fluido Natural
Agressão na Camada deOzônioPotential de Aquecimento Global
100 anos 20 anos
Temperatura Crítica em °C
Pressão Crítica em bar
Inflamável ou Explosivo
Tóxico
Preço Relativo
R12
Não
1.0
1089010990
112
41.6
Não
1
1
Não
R22
Não
0.05
18105160
96.2
49.9
Não
Não
0.5
1.6
R134a
Não
0
14303830
101.2
40.7
Não
4
1
Não
CO2
SIM
0
1 (0)1 (0)
31.1
73.8
Não
Não
0.05
8.4
Refrigerante
Algumas características dos refrigerantes Fluorados e CO2
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Refrigerante R12 R134a CO2
Potencial da Destruição da Camada de Ozônio
SIM SIM NÃO
Potencial de Aquecimento Global GWP=10890 GWP=1430 GWP=1
Emissão de CO2 – Operação (consumo de combustível e vazamento)
2600 kg/carro 2600 kg/carro 1800 kg/carro
Emissão de CO2 Equivalente 7623 kg/carro(700gr)
1001 kg/carro(700 gr)
0,50 kg/carro(500 gr)
TOTAL 10223 kg/carro 3601 kg/carro 1800 kg/carro
Redução de 65% Redução de 50%
Algumas características dos fluidos R-12, R-134a e CO2
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R134aGWP 1430
EU 2011GWP < 150
R152a - 124Blend ‘H’ > 10
DP-1 > 40Auto AC-1 < 150HFO-1234yf - 4
CO2GWP 1
Comparativo
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Os veículos são responsáveis por 10% de toda a emissão de gases que colaboram para o Efeito Estufa.
Esse número tende a aumentar, desde que mais carros deixam a fábrica com o sistema de ar condicionado instalado.
Os sistemas de A/C atuais tem elevado impacto no total de emissões, seja por vazamentos, consumo de combustível e também na recuperação e reciclagem dos refrigerantes.
Aquecimento Global
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Aspectos de Segurança
0,03 a 0,06% - Concentração na atmosfera
2% - 50% de aumento na taxa de respiração.
3% - Limite de exposição de 10 minutos; dobra a taxa de respiração.
5% - 300% aumento na taxa de respiração, dor de cabeça (Obs: A maioria das pessoas suportam isso, porém há excessões.)
8% - Curto tempo de exposição - Perigo.
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Aspectos de Segurança
8-10% - Dor de cabeça após 10-15 min. aumento na pressão sanguínea e na frequência cardíaca.
10-18% - Após alguns minutos de exposição, pode levar a perda de consciência e entrar em estado de choque.
18-20% - Sintomas similar a um Derrame.
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Ar Condicionado Automotivo
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Ar Condicionado Automotivo
R134a
CO2
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Sistema A/C com CO2
Compressor
Dispositivode Expansão
Trocador deCalor Interno
Gas Cooler
AcumuladorEvaporador
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Ar Condicionado Automotivo
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Ar Condicionado Automotivo
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Ar Condicionado Automotivo
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Ar Condicionado Automotivo
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Compressor
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Trocadores de Calor
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Gas Cooler e Evaporador
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Comparativo
Configuração de Trocador de Calor Interno
Configuração de Trocador de Calor – Gas Cooler
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Visualização do Escoamento no Interior de Trocadores de Calor
tipo Microcanais
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Bolhas
Escoamento Intermitente
Vídeos feitos por Dr. Lorenzo Consolini no LTCM da EPFL
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Escoamento Semi-Anular
Escoamento Annular
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Comparação de Resultados Obtidos na
Literatura
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Coe
f. Tr
ansf
. de
Cal
or –
kW
/m2 .o C
Título
Cheng, Ribatski and Thome (2007)
h (k
W/m
2 .K)
Modelo para cálculo do hem Evaporador com CO2
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Resultados ComparativosC
OP
Temperatura do Ar (Condensador / Gas Cooler)
Estados Unidos - 2002
21%
30%
34%34%
51%60%
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Resultados 2005 - China
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
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Resultados 2005 - China
Entalpia - kJ/kg
Pres
são
- Bar
Velocidade de Compressão: 1800 rpm
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Comparação de Resultados obtidos em Testes com
Veículos
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Comparação R134a x CO2
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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
é a
tingi
da
Temperatura na cabine
CO
2
CO
2
CO
2
CO
2
Série 3
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Comparação R134a x CO2Te
mpe
ratu
ra
Tempo em Minutos
CO2
R134
a
Audi A4
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Comparação R134a x CO2
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
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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.
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Comparação R134a x CO2 – 1000cm3
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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 12oCCO2: Sistema teve uma melhora de desempenho. Em 10 min a temp. 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
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Comparação R134a x CO2 – 1000cm3
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
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Comparação R134a x CO2 – 1000cm3
- 7,5%- 5%
- 3%
Con
sum
o de
Com
bust
ível
– l/
100
km
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Comparação R134a x CO2 – 1000cm3
Comparação com Temperatura de 45oC
COP médio (900-1200s) = 2,52
COP médio (900-1200s) = 2,0R134a
CO2
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Comparação R134a x CO2 – Utilitário - 2007
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Teste de Durabilidade - CO2
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Marcas – HFO-1234yf (aguardando resultados)
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Testes – 2008 - R134a x HFO1234yf – 1.4l
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Testes – 2008 - R134a x R744 – 1.6l
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Vídeos – Ensaios de Inflamabilidade
R-134a, CO2 e R-1234yf
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Testes – com R-134a, CO2 e R-1234yf
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Testes – com R-134a, CO2 e R-1234yf
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Testes – com R-134a, CO2 e R-1234yf
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Testes – com R-1234yf
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Testes – com óleo PAG
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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.
Testes com o HFO-1234yf mostraram o elevado risco de incêndio em vazamento ou colisão.
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Sistemas com R-152a
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Plate Heat ExchangerTrocador deCalor Placas
Trocador deCalor Placas
Bomba - FrenteResfriador - Frente
Reservatório
BombaTraseira
ResfriadorTraseira
Condensador
Válvula de Exp.
Compressor deDeslocamento Variável
Acumulador
Sistema Secundário
Sistema de Refrigeração – R152a
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Prós e Contras• Carga de Refrigerante é menor que sistemas convencionais,
• Aplicação em Multi-zonas sem aumento na carga de refrigerante
• Pontos adicionais sem limite e sem aumento da carga,
• Não há ruído na cabine pelo dispositivo de expansão,
• Não há variação de temperatura devido à má distribuição de refrigerante no evaporador.
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Prós e Contras• Peso total da Unidade de A/C,
• Mais componentes que fazem parte do sistema (Bombas, reservatório, entre outros)
• Maior potência elétrica necessária,
• Menor eficiência do Ciclo (COP),
• Menor desempenho no resfriamento (Cool Down) e no aquecimento.
•R-152a é um fluido INFLAMÁVEL
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Comparativo entre R-152a e R-134a
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Sistemas com HFC
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Comparativo HC x R134aHC (R290, R600 e R600a)
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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
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Proposta da Comissão Européia
Propuseram a retirada (phase-out) dos compostos fluorados entre 2009 e 2013.
Propuseram a inclusão do HFC-152a como opção.
Redução nos níveis de vazamentos dos gases fluorados nos equipamentos.
Com a implementação dessas medidas, teria-se uma redução desses gases fluorados em cerca de 30 milhões de Toneladas de CO2 equivalente por ano.
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Posição Parlamento Europeu
Na 1a. Leitura, (Março 2004), o Parlamento concordou com a necessidade de retirada do HFC 134a.
Propuseram a retirada (phase-out) dos compostos fluorados entre 2011 e 2014.
Propuseram a EXCLUSÃO do HFC-152a.
![Page 69: Tendências do Uso de Fluidos Refrigerantes Alternativos em … · CFC-12 e HCFC-22 eram os fluidos utilizados até o final da década de 80. Na década de 90, os sistemas de A/C](https://reader034.vdocuments.pub/reader034/viewer/2022052306/5be46a1609d3f20a668cc669/html5/thumbnails/69.jpg)
Posição do Conselho Europeu
Concordam com a necessidade de retirada do 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.
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Considerações Finais
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Emissões Diretas
Emissões Indiretas
* Vazamentos* Acidentes
* Fim de Vida
* Escapamento* Combustível* Peso do A/C
Emissões de CO2 para Atmosfera
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O CO2 já tem tecnologia desenvolvida para utilização em sistemas de Ar Condicionado automotivo.
Na Europa, a BMW e a Mercedes afirmaram que já iniciarão a instalação do A/C com CO2.
Em 2011 a Toyota já produzirá veículos com CO2, incluindo aqueles com motor 1.0.
Estima-se que haja somente na Europa um mercado de 15 milhões de novas unidades, potendo atingir 5 bilhões de Euros.
Considerações Finais
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Resfriamentomais rápido
Aquecimentomais rápidoutilizando omesmo equipamento 75oC para
25oC em 10 min. Menor Consumo
de Combustível
Menor Emissão
Economia de $
CO2 não é Inflamável e não é Tóxico
Considerações Finais
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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.
Considerações Finais
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Referências e Links úteis
http://www.r744.com
http://www.valeo.com/
http://www.visteon.com/
http://www.globaldenso.com
http://europa.eu/scadplus/leg/en/lvb/l24280.htm
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