Refrigeração transcrítica com CO2

Vulgarmente conhecido como R-744 quando utilizado como refrigerante, o dióxido de carbono (CO2) tornou-se um dos refrigerantes naturais mais populares nos últimos tempos.

É um refrigerante classificado de acordo com os regulamentos de segurança para instalações de refrigeração como “Classe de segurança = A1”, ou seja, “não inflamável” e “baixa toxicidade”.

Possui excelentes propriedades termofísicas, embora apresente dificuldades devido ao seu baixo valor de temperatura crítica (30,978 °C) e às altas pressões. Tem uma capacidade volumétrica muito superior à dos refrigerantes convencionais.

Este gás tem uma elevada condutividade térmica e uma elevada densidade na fase gasosa, o que significa uma boa transferência de calor em evaporadores, condensadores e arrefecedores de gás; assim, estas características permitem uma seleção de equipamentos mais pequena em comparação com os que utilizam CFC, HCFC e HFC. Além disso, como tem uma baixa queda de pressão, permite diâmetros de tubagem mais pequenos.

O que é um ciclo transcrítico?

Os ciclos transcríticos são aqueles em que a pressão de descarga do compressor é superior à pressão crítica e, portanto, o refrigerante não é condensável, ou seja, a pressão de descarga do compressor é superior à pressão crítica. Consiste em utilizar apenas CO2 no equipamento e arrefecê-lo acima do ponto crítico, sem mudança de fase durante o processo de arrefecimento. É comum que estes sistemas trabalhem com altas temperaturas de descarga do compressor, devido à necessidade de atingir altas pressões (da ordem de 95 bar) no “gas cooler” para que haja troca de calor com o ambiente.

Consiste em utilizar apenas CO2 no equipamento e arrefecê-lo acima do ponto crítico, sem mudança de fase durante o processo de arrefecimento. É comum estes sistemas trabalharem com altas temperaturas de descarga do compressor, devido à necessidade de atingir altas pressões (da ordem de 95 bar) no “gas cooler” para trocar calor com o ambiente.

Neste tipo de ciclo, a pressão do refrigerador de gás tem um valor ótimo que o controlo deve tentar atingir para evitar um consumo elevado de energia.

A expansão da pressão do arrefecedor de gás gera vapor que não tem qualquer efeito de arrefecimento útil. Este vapor tem de ser comprimido de volta para a pressão do arrefecedor de gás. Na instalação mais simples, este vapor é comprimido pelo compressor principal.

O mesmo sistema pode ser aplicado para ter refrigeração positiva e negativa, com um conjunto do tipo booster. O vapor gerado na válvula reguladora de pressão é comprimido pelos compressores MV.

Ciclo transcrítico de CO2: Melhorias de desempenho

Um sistema transcrítico tem o compromisso de eficiência de ter de comprimir o vapor gerado à saída do arrefecedor de gás, para além da elevada taxa de compressão a ultrapassar. Isto é agravado por uma temperatura exterior elevada, uma vez que é gerado mais vapor.

É muito frequente que nos sistemas transcríticos, para obter rendimentos de funcionamento semelhantes aos dos fluidos convencionais, se utilizem ciclos mais complexos que melhoram o rendimento, como por exemplo:

• Compressor paralelo
• Subarrefecedor
• Ejetor
• Arrefecedor de gás adiabático
• Recuperação de calor

Compressor paralelo

O objetivo é evitar a expansão do vapor à saída do depósito e a sua posterior compressão. É comprimido diretamente e a taxa de compressão é reduzida (menor consumo de energia + compressor mais pequeno). O invólucro do compressor deve ser preparado.

Subarrefecedor mecânico

O objetivo é baixar a temperatura de saída do arrefecedor de gás abaixo da temperatura ambiente, gerando assim menos vapor na expansão e reduzindo o trabalho do compressor paralelo.

Ejetor

O que é um ejetor?

Um ejetor é um dispositivo conhecido desde a antiguidade, tipicamente utilizado em instalações de vapor como uma bomba de vácuo.

Nas instalações de CO2, é utilizado tirando partido da expansão à saída do arrefecedor de gás, aumentando gratuitamente a pressão de outra linha de refrigerante.

Ejetor de vapor

Desloca o gás da linha de aspiração do MV para a linha de aspiração do compressor paralelo, reduzindo a taxa de compressão e, consequentemente, o consumo de energia.

Ejetor: Ejetor de líquido

Neste projeto, os evaporadores funcionam sem sobreaquecimento (inundados). O ejetor funcionará como uma bomba de recirculação de líquido. Sem superaquecimento, os compressores aspiram a uma pressão mais elevada, reduzindo o consumo de energia.

Refrigerador de gás adiabático

Tal como num condensador, é possível reduzir a temperatura de entrada a uma temperatura exterior elevada e a uma humidade relativamente baixa.

Recuperação de calor no ciclo transcrítico

Nos ciclos transcríticos, a elevada temperatura de descarga do CO2 permite uma maior utilização da energia e, como trabalhamos na região supercrítica, podemos obter uma elevada temperatura de produção de AQS. Como não há mudança de fase, é possível atingir uma temperatura mais elevada do que com outros refrigerantes.