Trocador de calor interno

A adoção de um trocador de calor interno (iHX) oferece diversas vantagens ao sistema de refrigeração. Em sistemas subcríticos, o iHX proporciona robustez à operação através da garantia da presença de líquido na entrada do dispositivo de expansão e de vapor na sucção do compressor.

Em sistemas de CO2, o trocador de calor interno resfria o fluido na saída do gas cooler, o que garante uma menor geração de vapor durante o processo de expansão (gas flash) com consequente redução da perda de carga. Como resultado, tanto a vazão mássica de refrigerante como a capacidade de refrigeração aumentam e a diferença entre as pressões do sistema diminui (BJÖRK e PALM, 2006). A Figura 2.47 mostra que, ao resfriar o CO2 do ponto 3 para 3’, diminui-se o título na saída do dispositivo de expansão (de 4 para 4’) com um correspondente aumento do efeito refrigerante específico (1-4’). Além do aumento do ERE, um menor título na entrada do evaporador intensifica a transferência de calor nesse componente. O superaquecimento gerado pelo iHX permite que o evaporador trabalhe inundado sem riscos ao compressor. No entanto, o refrigerante atinge a sucção do compressor em temperaturas mais elevadas (ponto 1 para 1’), o que aumenta o volume específico, o trabalho de compressão específico (1’-2’) e a temperatura de descarga (ponto 2 para 2’) e diminui a eficiência volumétrica do compressor.

Para efeito de comparação, a Figura 2.48 mostra a variação do COP teórico (calculado em função apenas da variação do ERE e do WE) para diversos fluidos refrigerantes em função do grau de superaquecimento. Percebe-se que o sistema transcrítico de CO2 é o que mais se beneficia da aplicação do iHX devido ao aumento do ERE. Já o R22 e a amônia são penalizados pelo maior incremento no WE (GOSNEY, 1982). Cabe salientar que esta comparação desconsidera os efeitos do superaquecimento sobre o rendimento mecânico do compressor o que pode inviabilizar ou potencializar a adoção do iHX para alguns fluidos e algumas condições de operação.

Figura 2.48 – Variação do COP teórico em função do grau de superaquecimento proporcionado pelo iHX

O grau de subresfriamento proporcionado pelo iHX também varia em função do fluido refrigerante empregado. A Figura 2.49 mostra que, no caso do CO2, o subresfriamento é sempre menor para o mesmo superaquecimento. Isso se deve ao calor específico do CO2 que é consideravelmente maior nos estados de líquido sub-resfriado e supercrítico do que no estado de vapor superaquecido encontrado nos demais fluidos analisados.

Em sistemas transcríticos o trocador de calor interno também diminui a pressão de descarga ideal. A Figura 2.50 mostra que à medida que o superaquecimento aumenta de 0°C para 50°C, a temperatura do fluido supercrítico reduz de 40°C para 35°C. Por sua vez, a pressão de descarga ideal do sistema reduz de 100bar para 87,2bar para a mesma temperatura de 40°C na saída do gas cooler.

Diversos trabalhos comprovam os benefícios da utilização do iHX em sistemas transcríticos de CO2. Chen e Gu (2005) simularam um sistema de refrigeração considerando diferentes efetividades para o iHX. Concluíram que à medida que a efetividade aumenta, o COP do sistema aumenta devido ao

aumento do grau de resfriamento. Cho et al. (2007) avaliaram experimentalmente o efeito do iHX em sistemas de refrigeração e mostraram que a introdução do trocador de calor interno diminuiu a pressão ótima de descarga de 92bar para 87bar (5%) e aumentou o COP em 8% na condição de operação considerada. De forma semelhante, Koyama et al. (2008) mostraram que a aplicação do iHX propicia uma redução de 1,4% na pressão de descarga e um ganho de 8,5% no COP para a condição de operação avaliada. Rigola et

al. (2008) mostraram que o ganho proporcionado pelo iHX é proporcional à

temperatura ambiente. Neste caso, o COP aumentou de 4% a 25% quando a temperatura ambiente variou de 25°C a 43°C, sempre considerando a operação na pressão de descarga ideal em cada caso.

Figura 2.49 – Subresfriamento vs. superaquecimento atribuídos ao iHX

Figura 2.50 – Pressão de descarga ideal e temperatura do CO2 supercrítico na saída do iHX vs. grau de superaquecimento

Torrella et al. (2011) analisaram a influência do iHX sobre diversos parâmetros do sistema. Mostraram que uma consequência direta da utilização do iHX é o aumento do volume específico do fluido na sucção do compressor que diminui a vazão mássica de refrigerante (Figura 2.51). O aumento da temperatura na sucção também aumenta a temperatura de descarga e, portanto o trabalho específico de compressão. A Figura 2.52 mostra que a potência de compressão não é afetada pela presença do iHX, sugerindo que a redução da vazão mássica compensa o aumento do trabalho específico de compressão. Por sua vez, a Figura 2.53 mostra que a presença do iHX aumenta a capacidade de refrigeração, sugerindo que o aumento proporcionado ao ERE é superior à redução da vazão mássica. Como resultado, a Figura 2.54 mostra que o COP do sistema aumenta com a presença do trocador de calor interno nesta configuração avaliada.

Figura 2.51 – Vazão mássica vs. relação de pressão, temperatura de evaporação e presença de iHX (TORRELLA et al.,2011)

Figura 2.52 – Variação da potência de compressão vs. pressão de descarga e temperatura de evaporação com iHX (TORRELLA et al.,2011)

Figura 2.53 - Variação da capacidade de refrigeração vs. pressão de descarga e temperatura de evaporação com iHX (TORRELLA et al.,2011)

Figura 2.54 - Variação do COP vs. pressão de descarga e temperatura de evaporação com iHX (TORRELLA et al.,2011)

Deve-se mencionar que o iHX também afeta a temperatura de descarga do compressor. A Figura 2.55 mostra que a adoção do iHX impõe um aumento de aproximadamente 10°C na temperatura de descarga o que pode limitar a faixa de operação do sistema. Tal incremento na temperatura pode resultar em problemas de degradação do óleo lubrificante e de redução da vida de componentes mecânicos.

Em face ao exposto, pode-se concluir que o trocador de calor interno é imprescindível para o aumento do desempenho de sistemas transcríticos de CO2.

Figura 2.55 – Temperatura de descarga vs. pressão de descarga, temperatura de evaporação e presença do iHX (TORRELLA et al.,2011)