Orientador: José Vicente Hallak Dangelo

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: Sistemas de refrigeração são grandes consumidores de energia, sendo que no setor industrial o uso de ciclos com elevada eficiência energética contribui para garantir a competitividade comercial. Sistemas de Refrigeração em Cascata (SRC) são uma alternativa eficiente ao tradicional ciclo de...

Resumo: Sistemas de refrigeração são grandes consumidores de energia, sendo que no setor industrial o uso de ciclos com elevada eficiência energética contribui para garantir a competitividade comercial. Sistemas de Refrigeração em Cascata (SRC) são uma alternativa eficiente ao tradicional ciclo de compressão de vapor (VCC), apresentando maior versatilidade por permitir associação de ciclos com princípios de operação distintos e uso de refrigerantes puros ou misturas. Os refrigerantes com baixo impacto ambiental como os inorgânicos, hidrocarbonetos e éteres, puros ou em misturas, ganharam a atenção de pesquisas como potenciais substitutos aos nocivos refrigerantes halogenados. O emprego de misturas ou de ciclos alternativos podem trazer ganhos significativos no desempenho do SRC. Desta forma, o presente trabalho visa avaliar SRC's com o propósito de aumentar seu desempenho termodinâmico segundo duas abordagens: o uso de misturas não azeotrópicas (CO2/Propeno, CO2/Dimetil Éter e CO2/NH3) nos ciclos de alta e baixa temperatura (CAT e CBT, respectivamente) e o uso de ciclos alternativos (como o ciclo com tanque flash e injeção de vapor - FTVI, ou o ciclo com trocador de calor interno - IHX) como substitutos ao VCC. Os sistemas foram simulados no software Aspen Hysys ® v. 8.4 tendo como base de cálculo a refrigeração de fluido secundário de -5 °C até -20 °C com carga térmica fixa de 100 kW. Realizou-se uma análise paramétrica para comparar o desempenho termodinâmico dos SRC's utilizando misturas, segundo análises energética (COP) e exergética, aos resultados dos refrigerantes puros. O uso do FTVI ou IHX também foi comparado ao desempenho do VCC. Os sistemas foram otimizados para determinar a configuração com COP máximo. A presença de misturas nos dois ciclos do SRC gerou maiores COP's, contudo a variação de composição da mistura no CBT foi a que gerou maiores impactos no desempenho. Os benefícios observados na análise paramétrica pelo uso de misturas foram: menores vazões de refrigerante; menor trabalho de compressão; menor taxa de destruição de exergia total; e maior eficiência exergética e COP. Na otimização, o ganho no COP pelo uso de misturas variou de 18 a 32% em relação aos refrigerantes puros. A mistura com o maior COP (2,34) foi a de CO2/Dimetil Éter a 20% de CO2 no CAT e 10% de CO2 no CBT. Pequenas diferenças entre o COP do SRC-VCC (2,34) e o SRC-FTVI (2,38) foram observadas para as condições operacionais estudadas. Devido ao baixo ganho, maior número de equipamentos e maior complexidade do ciclo SRC-FTVI, sua utilização seria pouco vantajosa. O ciclo SRC-IHX não foi otimizado devido aos pequenos ganhos comparado ao SRC-VCC, sendo uma alternativa pouco interessante nas condições operacionais avaliadas

Abstract: Refrigeration systems are great energy consumers and in the industrial sector cycles operating with high energy efficiency contributes to guarantee commercial competitiveness. Cascade Refrigeration Systems (CRS) are an efficient alternative to the traditional vapor compression cycle (VCC),...

Abstract: Refrigeration systems are great energy consumers and in the industrial sector cycles operating with high energy efficiency contributes to guarantee commercial competitiveness. Cascade Refrigeration Systems (CRS) are an efficient alternative to the traditional vapor compression cycle (VCC), presenting versatility by allowing a combination of cycles with distinct operating principles and use of pure refrigerants or mixtures. Refrigerants with low environmental impact such as inorganic compounds, hydrocarbons, and ethers, pure or as mixtures, have gained attention of researchers as potential substitutes for harmful halogenated refrigerants. Refrigerant mixtures or alternative cycles can achieve significant gains in the CRS performance. The present work aims at the evaluation of CRS with purpose of increasing the thermodynamic performance according to two approaches: using non-azeotropic mixtures (CO2/Propene, CO2/Dimethyl Ether, CO2/NH3) in the High an Low Temperature Cycles (HTC and LTC, respectively) and the use of alternative cycles (as Flash Tank Vapor Injection - FTVI, or Intern Heat Exchanger - IHX) as VCC substitutes. Systems were simulated in Aspen Hysys ® v. 8.4 based on a refrigeration of a secondary fluid from -5 °C to -20 ° C with a fixed refrigeration capacity of 100 kW. A parametric analysis was performed to compare the thermodynamic performance of CRS, according to energetic (COP) and exergetic analysis, to the pure refrigerants results. FTVI, IHX and VCC cycles were compared as well. Systems were optimized to determine the maximum COP setting. The presence of mixtures in both CRS cycles generated higher COPs, however, the LTC composition mixture generated the greatest impact on the performance. Benefits observed in the parametric analysis using mixtures were: lower refrigerant mass flow; less compression work; lower rate of total exergy destruction; and greater exergetic efficiency and COP. Optimization showed that the gain in COP by the use of mixtures varied from 18 to 32% in relation to the pure refrigerants. Mixture with the highest COP (2.34) was CO2/Dimethyl Ether using 20 wt% CO2 in the HTC and 10 wt% CO2 in the LTC. Comparing SRC-VCC COP (2.34) and the SRC-FTVI (2.38) small differences were observed for the operational conditions studied. Due to the low gain, greater number of equipment and complexity the use of SRC-FTVI cycle does not bring additional advantages. The SRC-IHX cycle was not optimized due to the small gains compared to the SRC-VCC in the evaluated operational conditions

Requisitos do sistema: Software para leitura de arquivo em PDF