Avaliação econômica de ciclos de refrigeração

A avaliação econômica é uma questão que permeia o dimensionamento de equipamentos e sistemas em geral e muitos trabalhos propõem diferentes maneiras de realiza-la. Foram relacionados aqui apenas aqueles que tiveram mais influência na forma como a análise apresentada no Capítulo 8 deste trabalho foi estruturada.

Em seu artigo publicado em 2008, Jensen e Skogestad abordam especificamente o projeto de processos envolvendo trocadores de calor. Os autores

comparam o dimensionamento obtido por meio de dois critérios: o da diferença mínima de temperatura nos trocadores (ΔTmin) e o da minimização do custo anual

detalhado do sistema. De acordo com sua análise, o primeiro método leva a resultados insatisfatórios da relação entre o custo dos trocadores e sua eficiência, enquanto o segundo requer muitas informações que geralmente não estão disponíveis nas etapas preliminares de dimensionamento. Por esta razão eles propõem uma terceira abordagem, na qual o custo anual do sistema é calculado de forma simplificada: custos fixos são desconsiderados, o custo de investimento correspondente aos compressores é incluído no custo de operação (proporcional à sua potência) e os custos dos trocadores de calor são todos estimados com um mesmo coeficiente. São apresentados ainda três estudos de caso em que são mostrados os resultados superiores da abordagem proposta em relação àqueles obtidos utilizando o critério de ΔTmin. Em um dos estudos de caso, referente a um

sistema de ar condicionado operando com CO2, é obtido um aumento de 4,65 para

4,92 no COP, com um mesmo custo de trocadores de calor. (JENSEN; SKOGESTAD, 2008)

Oh et al. apresentaram uma investigação acerca das possibilidades de aumento da eficiência energética de sistemas de refrigeração industrial com dois níveis de temperatura. Os autores realizaram uma otimização de quatro diferentes configurações do ciclo de refrigeração, buscando o custo mínimo de energia para operação de cada um deles. A proposta era partir de um sistema existente, projetado para operar com refrigerante puro e aumentar sua eficiência por meio de pequenas modificações e/ou substituição por uma das duas misturas ternárias de refrigerantes avaliadas (retrofit). Os ciclos foram modelados em um simulador de processos e otimizados externamente utilizando Algoritmo Genético. Foi ainda apresentada uma comparação da redução do custo de operação e do custo de capital adicional requerido em relação ao caso base (refrigerante puro e ciclo sem modificações). Mesmo apresentando um dos maiores valores de custo capital, a configuração que contava com um trocador de calor adicional, operando com a mistura de Etano, Etileno e Propileno apresentou a maior margem de economia total, por permitir uma redução significativa do trabalho requerido no compressor. (OH et al., 2016)

As análises exergoeconômica e ambiental de duas diferentes configurações de um sistema de refrigeração em cascata com tanque flash são apresentadas em (MOSAFFA et al., 2016). Os fluidos refrigerantes são CO2 e NH3

nos ciclos de baixa e alta pressão, respectivamente, a temperatura de evaporação é -40 °C e a de condensação é 35 °C. A análise econômica apresentada consiste na modelagem do custo de cada equipamento por meio de equações simplificadas (custo de capital) e do custo operacional relativo à energia elétrica consumida e à manutenção dos equipamentos. Já o fator ambiental é levado em conta ao se estimar o custo de emissões de CO2 correspondentes à energia elétrica consumida.

São apresentados paralelamente os resultados das otimizações energética e econômica dos sistemas propostos. Os autores apresentam também a eficiência exergética dos sistemas como um parâmetro de avaliação, e definem um fator exergoeconômico para cada configuração avaliada, com o objetivo de encontrar o equilíbrio entre o custo de capital e o de destruição de exergia. As otimizações termodinâmica e econômica levaram ao custo total anual mais baixo em 11,2% e 11,9%, respectivamente, para a configuração que contava com um tanque flash em cada um dos ciclos do sistema em cascata (sistema 1).

(NOGAL et al., 2008) Propõe uma metodologia sistemática para projeto de sistemas de refrigeração ótimos utilizando misturas de refrigerantes, considerando ciclos simples, em cascata e com múltiplos estágios de compressão. Os autores criaram um modelo que permite a otimização do sistema de refrigeração com n estágios, sendo as variáveis independentes: a composição e a vazão do refrigerante, as pressões de entrada e saída dos compressores, e as temperaturas intermediárias (para n ≥ 2). Devido à alta não-linearidade do problema de otimização e à existência de vários ótimos locais, foi utilizado um algoritmo genético para a otimização, apesar do maior tempo computacional demandado por este. Em um dos estudos de caso, os autores apresentam paralelamente os resultados da otimização para menor trabalho de compressão e para menor custo de capital do sistema. Para calcular este último são levados em conta apenas os custos dos compressores e dos trocadores de calor criogênicos. Dentre os resultados, é relatado que enquanto o trabalho mínimo sempre decresce à medida que se permite um menor ΔTmin, o custo

sistema com dois estágios de compressão. Esse resultado confirma aquele apontado por (JENSEN; SKOGESTAD, 2008), de que a restrição de um ΔTmin nos

trocadores de calor como forma de limitar sua área de troca térmica pode não levar ao melhor resultado em termos de custo do sistema.

A revisão apresentada neste capítulo retrata a variedade de trabalhos publicados acerca do uso de fluidos refrigerantes alternativos e dos sistemas de refrigeração com FTVI. Foi identificada, entretanto, uma escassez de trabalhos que unam esse tipo de ciclo com a tendência de usar misturas de refrigerantes. Os bons resultados apresentados por diversos autores para o FTVI podem ser combinados com os benefícios do uso de misturas de refrigerantes alternativos, apontados em outros trabalhos. Por outro lado, foi observado que a avaliação econômica é uma ferramenta útil no projeto de ciclos de refrigeração, por permitir que sejam adotadas restrições mais adequadas ao dimensionamento dos equipamentos. A proposta desta pesquisa de mestrado foi explorar a combinação do FTVI com misturas de hidrocarbonetos e suas consequências para o desempenho termodinâmico o custo do sistema de refrigeração.