APLICAÇÕES DO CO 2 NO SETOR AUTOMOTIVO

APLICAÇÕES DO CO

2

NO SETOR AUTOMOTIVO

Enio P. Bandarra Filho – bandarra@mecanica.ufu.br

Universidade Federal de Uberlândia - UFU Faculdade de Engenharia Mecânica - FEMEC Laboratório de Energia e Sistemas Térmicos–LEST

¾Introdução

¾Ar Condicionado Automotivo

¾Resultados e Comparações CO₂ e R-134a

¾Análise e Projeção de Mercado para Ar Condicionado Automotivo

¾Visualização do Escoamento no Interior de Trocadores de Calor tipo Microcanais

¾Considerações Finais

¾ CO2 não é um novo refrigerante, já foi proposto

como refrigerante em 1850.

¾ Pico de utilização como fluido refrigerante em

sistemas de refrigeração nos anos de 1920 e 1930. ¾ Com a introdução dos compostos halogenados, seu

uso foi suprimido.

¾ Década de 90, ressurgiram as discussões para uso

do CO2, devido às características ecológicas (ODP

e GWP), juntamente com Hidrocarbonetos e Amônia.

¾ CO2 não é um refrigerante tóxico. (Torna-se tóxico

em grandes concentrações) ¾ Não é inflamável.

¾ Possui duplo Papel no meio ambiente: é necessário à vida na terra, mas também colabora, em menor

escala, para o efeito estufa.

¾ Concentração no ar atmosférico aproximadamente entre 0,03 e 0,06% (Vol.)

Capacidade Volumétrica de Ref. (Relativa)

Fluido Natural

Potential de Destruição do Ozônio

Potential de Aquec. Global 100 anos_{20 anos}

Temperatura Crítica em °C

Pressão Crítica em MPa

Inflamável ou explosivo Tóxico

Preço aproximado relativo

R12 Não 1,0 7100 7300 112 4,16 Não 1 1 Não R22 Não 0,05 1500 4100 96,2 4,99 Não Não 1 1.6 R134a Não 0 1300 3200 101,2 4,07 Não 4 1 Não CO₂ Sim 0 1 (0) 1 (0) 31,1 7,38 Não Não 0,1 8,4 Refrigerante

Algumas características de refrigerantes halogenados e CO₂

Refrigerante R12 R134a CO₂

Agressor da Camada de Ozônio SIM NÃO NÃO Potencial de Aquecimento Global GWP=8100 GWP=1300 GWP=1 Emissão de CO₂ – Operação

(consumo de comb. e vazamento)

2600 kg/carro 2600 kg/carro 1800 kg/carro Emissão de CO₂ equivalente 8100 kg/carro 1300 kg/carro 0,5 kg/carro

TOTAL 10700 kg/carro 3900 kg/carro 1800 kg/carro

R134a GWP 1300 EU 2011 GWP < 150 R152a - 120 Blend ‘H’ > 10 DP-1 > 40 Auto AC-1 < 150 HoneyDu - ? CO2 GWP 1

Comparativo

¾ Os Automóveis são responsáveis por 10% de toda a emissão dos gases que colaboram com o efeito estufa

¾ Esse número tende a crescer, pois cada vez mais carros saem de fábrica com sistema de A/C.

¾ Os atuais sistemas de A/C colaboram ainda mais com o total de emissões, através de vazamentos, consumo de combustível e também para recuperar e reciclar o fluido refrigerante.

Aspectos de Segurança

ƒ 0,03 a 0,06% - Concentração no ar atmosférico

ƒ 2% - 50% de aumento na taxa de respiração

ƒ 3% - Limite de exposição de 10 minutos; 100% de aumento na taxa de respiração

ƒ 5% - 300% de aumento na taxa de respiração,

dor de cabeça (Obs: Isto é tolerado pela maioria das pessoas, mas há excessões.

Aspectos de Segurança

ƒ 8-10% - Dor de cabeça após 10 ou 15

minutos. Zumbido nos ouvidos, aumento na pressão sanguínea, aumento da frequência cardíaca, excitação e náusea.

ƒ 10-18% - Após poucos minutos de exposição,

situação similar ao ataque epilético, perda da consciência e entrada em estado de choque.

ƒ 18-20% - Sintomas similares aqueles de um derrame.

Ar Condicionado

Automotivo

Ar Condicionado Automotivo

R134a

Ar Condicionado Automotivo

Comparativo

Configuração de Trocador de Calor Interno

Visualização do

Escoamento no

Interior de

Trocadores de Calor

tipo Microcanais

Padrões de Escoamento observados no LTCM da EPFL para tubos com D=0,79 mm Microcanais

com G= 500 kg/m2s na saída do Evaporador

(a) Bolhas com x=3% (b) Bolhas/Slug com x=4%

(c) Slug com x=5% (d) Slug/Semi-anular com x=11%

(e) Semi-anular com x=24% (f) Anular ondulado com x=73% (f) Anular Liso com x=73%

Bolhas

Pistonado / Intermitente

Intermitente para Anular

Comparação de

Resultados Obtidos

Coef. Transf. de Calor – kW /m 2 . o C Título

Cheng, Ribatski e Thome (2007) Modelo para cálculo do h

Resultados Comparativos

COP

Temperatura do Ar (Condensador / Gas Cooler)

Estados Unidos - 2002 21% 30% 34% 34% 51% 60%

Resultados Comparativos

Estados Unidos - 2002

Gas Cooler

Temperatura do Ar (Condensador / Gas Cooler)

Geração de Entropia / Capacidade de Refrigeração (x 10 -4 .K -1 ) Evaporador Evaporador Condensador Geração Total Geração Total Estados Unidos - 2002

Resultados – Efeito da Carga de CO₂

Carga de Refrigerante - gramas

COP

Capacidade de Ref. e Potência

-k

W

Consumo de Potência do Compressor Capacidade de Refrigeração

Rotação compressor: 1800 rpm

Temperatura do ar no Gas Cooler: 35o_C

Velocidade face Gas Cooler: 4,5m/s Velocidade face Evaporador: 2,5 m/s Umidade: 50%

Carga de Refrigerante - gramas Vazão de CO 2 –k g /s Título Título de entrada Vazão de CO₂

Entalpia - kJ/kg

Pressão

-B

ar

Rotação do Compressor: 1800 rpm

Carga de Refrigerante - gramas Pressão -B ar Temperatura -o C COP Capacidade de Refrigeração Potência de Compressão

Pressão de Saída Evaporador - Bar

COP

Capacidade de Ref. e Potência

-k

W

COP

Capacidade de Refrigeração Potência de compressão

Temp. Entrada de Ar no Gas Cooler - o_C Capacidade de Refrigeração – k W COP COP com 2,5 m/s Capacidade de refrig.com 2,5 m/s Capacidade 1,4 m/s COP a 1,4 m/s

Velocidade do Ar – Gas Cooler (m/s) Capacidade de Ref. e Potência – k W COP COP Capacidade de Refrig. Potência de Compressão

Comparação de

Resultados obtidos em

Testes com Veículos

Comparação R134a x CO2

Temperatura Inicial da cabine: 75o_C

Sol: 1000 W/m2 Temperatura Ambiente: 40o_C Tempo em Minutos Zona de Conforto Desconforto ‘’Quente’’ Desconforto ‘’FRIO’’ Temperatura não é a tingida Temperatura na cabine CO 2 CO 2 CO 2 CO 2 Série 3

Comparação R134a x CO2

Temperatura Tempo em Minutos CO 2 R1 34a Audi A4

Comparação R134a x CO2

Tempo em Minutos Temperatura 5 10 15 20 25 30 Redução de tempo: 50% R134a – Cabine CO2 - Cabine R134a – Saída de Ar CO2 – Saída de Ar

Resumo dos Testes

¾O sistema com CO₂ mostrou melhor

desempenho para atingir a temperatura desejada,

¾Alcança valores reduzidos da temperatura da cabine,

¾Elevado potencial no desenvolvimento de componentes com melhor desempenho, ¾Redução no consumo de combustível

Comparação R134a x CO₂ – 1000cm3

Teste com 43o_{C, 40% de umidade e carga de 1000 W/m}2

¾R134a: Em 10 min a temperatura na saída do Evaporador era 12o_C

¾CO2: Sistema teve uma melhora de desempenho. Em 10 minutos a

temperatura de saída do Evaporador era 6o_C

T_saídaEvap. CO2 T_saídaEvap. R-134a T_média Int. CO2 T_média Int. R-134a

Parado

Temperatura do Ar

Comparação R134a x CO₂ – 1000cm3

Testes nas mesmas condições anteriores

CO₂ foi levado às mesmas condições do R134a

Parado Tempo em segundos - 4,5% - 5,5% Temperatura d o Ar -o C

Comparação R134a x CO₂ – 1000cm3 - 7,5% - 5% - 3% Consumo de Combustível – l/100 km

Comparação R134a x CO₂ – 1000cm3

Comparação com Temperatura de 45oC

COP médio (900-1200s) = 2,52

COP médio (900-1200s) = 2,0 R134a

Resumo dos Testes

¾Sistema com CO₂ para Veículos de baixa

potência provou ser viável e pode ser projetado com os componentes padrões.

¾Consumo 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.

¾Isso leva a crer que a medida que forem projetados equipamentos melhores, a

tendencia é de maior vantagem para

Elastômeros para uso com CO2

Lado Baixa Pressão _{Lado Alta Pressão} Saída do Gas Cooler

Lado Alta Pressão Saída do Compressor Vazamento de 0,5 g/ano Vazamento de CO2 – g /ano

Comparação – Tipo de Óleo CO2

Condições de Ensaio

Compressor (RPM) Pressão Sucção, P1 Pressão Descarga, P2 Veloc. Face no Evaporador Temp. Ar entrada Evaporador Veloc. Face Gas Cooler Temp. Ar entrada Gas Cooler Temp. Ambiente - Compressor

Condições de Ensaio Condições de Ensaio

Compressor (RPM) Pressão Sucção, P1 Pressão Descarga, P2 Veloc. Face no Evaporador Temp. Ar entrada Evaporador Veloc. Face Gas Cooler Temp. Ar entrada Gas Cooler Temp. Ambiente - Compressor

Análise e Projeção de

Mercado para Ar

Condicionado

Automotivo

Projeção Carros com A/C de fábrica

1988 1992 1996 2000 2004 2008 2012 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 A % V e íc ul os c o m A r C o ndi c io na do de Fá b ri c a 75% 47% 58% 10% 18% 27% 38% 46% Projeção DENSO ANFAVEA

Dados Reais Previsão

90%

Europa:

Decisão da Legislação da Comunidade Européia sobre os Gases Fluorados

Parlamento Europeu

Comissão Européia

Conselho (Estados membros)

1a Leitura 2a Leitura Posição Comum Conselho e Parlamento negociam através de Procedimento de Conciliação NÃO SIM 2a Leitura = Posição Comum? Proposta Agosto 2003 MAR 2004 Abril 2005

Proposta da Comissão Européia

¾Propuseram a retirada (phase-out) dos compostos fluorados entre 2009 e 2013.

¾Propuseram a inclusão do HFC-152a como opção.

¾Redução 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

Posição Parlamento Europeu

¾Na 1a. Leitura, (Março 2004), o Parlamento concordou com a necessidade de retirada do HFC 134a.

¾Propuseram a retirada (phase-out) dos compostos fluorados entre 2011 e 2014.

Posição do Conselho Europeu

¾Concordam com a necessidade de retirada do HFC 134a.

¾Propuseram que a retirada (phase-out) dos compostos fluorados seja entre 2011 e

2017.

¾Propuseram a INCLUSÃO do HFC-152a. ¾Concordaram a redução nos níveis de

vazamentos desses gases nos equipamentos.

Emissões Diretas

Emissões Indiretas

* Vazamentos * Acidentes * Fim de Vida * Escapamento * Combustível * Peso do A/C Emissões de CO2 para Atmosfera

”O CO₂ já tem tecnologia desenvolvida para utilização em sistemas de Ar Condicionado automotivo.

”Na Europa, a BMW e a Mercedes 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.

Resfriamento mais rápido Aquecimento mais rápido utilizando o mesmo equipamento 75o_{C para} 25o_{C em}

10 min. _{”Menor Consumo}

de Combustível

”Menor Emissão

”Economia de $

CO2 não é Inflamável e não é Tóxico

”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.

Referências e Links úteis

¾http://www.r744.com ¾http://www.wlv.com/products/databook/db3/DataBookIII.pdf ¾http://ltcm.epfl.ch/ ¾http://www.valeo.com/ ¾http://www.visteon.com/ ¾http://www.globaldenso.com ¾http://europa.eu/scadplus/leg/en/lvb/l24280.htm