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CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior Este trabalho avaliou as possíveis alternativas de drop-in tomando o R134a como referência de fluido no ciclo de alta temperatura, em sistemas de refrigeração comercial tipo cascata, utilizando o CO2 como fluido refrigerante no lado de baixa temperatura. O objetivo dessa dissertação foi verificar experimentalmente o melhor par refrigerante para o CO2 operando em climas tropicas, sob o ponto de vista energético e ambiental, testando os principais fluidos alternativos ao R134a. Assim, a compatibilidade do tipo de óleo lubrificante, bem como questões de segurança, inflamabilidade, toxicidade, características químicas, estabilidade e compatibilidade com os materiais, além da disponibilidade do fluido foram consideradas. Os fluidos refrigerantes escolhidos foram o R513A, R1234yf e R436A (mistura de R600a e R290), propostos para substituir o R134a no ciclo de alta temperatura, operando em condições similares no sistema de refrigeração em cascata. Os resultados para o cenário brasileiro, por intermédio de uma análise global, visando eficiência energética e um menor impacto ambiental, mostraram que os fluidos R1234yf e R436A, podem ser substitutos com melhor desempenho ao R134a. O R436A mostrou-se mais eficiente que o R134a em termos energéticos, enquanto o R1234yf apresentou valores levemente inferiores ao R134a, obtendo valores de consumo de potência cerca de 5 maiores e dentro de uma faixa de até 10 % na redução dos valores de COP. Por último, o R513A apresentou valores energéticos similares ao obtido testando o R1234yf. Contudo, levando em consideração o TEWI, esse fluido refrigerante apresentou uma redução de 35 %, justificada pelo valor de GWP significativamente menor. Vale ressaltar que o R513A, mesmo apresentando resultados inferiores de eficiência energética, pode ser utilizado em um processo drop-in do R134a, além de ser classificado como não inflamável. This work evaluated the possible drop-in alternatives taking R134a as a fluid reference in the high temperature cycle, in commercial cascade refrigeration systems, using CO2 as the refrigerant fluid on the low temperature side. The aim of this work was to experimentally verify the best refrigerant pair for CO2 operating in tropical climates, under the energetic and environmental point of view, testing the main alternative fluids to R134a. Thus, the compatibility of the type of lubricating oil, as well as issues of safety, flammability, toxicity, chemical characteristics, stability and compatibility with materials, in addition to fluid availability were considered. The chosen refrigerants were R513A, R1234yf and R436A (mixture of R600a and R290), proposed to replace R134a in the high temperature cycle, operating under similar conditions in the cascade refrigeration system. The results for the Brazilian scenario, through a global analysis, aiming at energy efficiency and a lower environmental impact, showed that R1234yf and R436A fluids can be substitutes with better performance for R134a. R436A proved to be more energy efficient than R134a, while R1234yf presented values slightly lower than R134a, obtaining power consumption values around 5% higher and within a range of up to 10% in the reduction of COP values. Finally, R513A had similar energy values to those obtained by testing R1234yf. However, taking into account the TEWI, this refrigerant showed a 35% reduction, justified by the significantly lower GWP value. It is noteworthy that R513A, even with lower energy efficiency results, can be used in an R134a drop-in process, in addition to being classified as non-flammable. Dissertação (Mestrado)

Este estudo avalia o desempenho de um sistema em cascata em operação subcrítica utilizando o par R134a/R744, como uma opção a sistemas convencionais em supermercados que normalmente utilizam R404A ou R22. O aparato experimental consiste em um compressor alternativo de velocidade variável para R744 e uma válvula de expansão eletrônica que promove a evaporação direta do CO2 dentro de uma câmara fria (2,3m x 2,6m x 2,5m) para manter a temperatura interna do ar estável. O ciclo de alta temperatura consiste em um compressor alternativo para R134a, uma válvula de expansão eletrônica, e um condensador a ar. Um trocador de calor de placas, que é ao mesmo tempo, o condensador para o R744 e o evaporador para R134a completa a configuração. Durante os testes experimentais, dois parâmetros foram manipulados: o grau de superaquecimento do R744, 515 K, e a frequência de operação do compressor R744, 45-65 Hz. Os valores da capacidade de refrigeração, para R134a/R744 variaram entre 4,30 ± 0,01 e 5,57 ± 0,02 kW, demonstrando a aplicabilidade desse sistema cascata em condições de carga térmica variável. Essa flexibilidade operacional também se estendeu aos valores estabelecidos para a temperatura do ar dentro da câmara fria, sendo o menor valor de -17,7 °C e o mais alto -0,8 °C. A fim de contribuir para a melhoria dos processos de refrigeração, principalmente no que se refere à eficiência energética, foi feito um drop-in no ciclo de alta temperatura, cuja carga de R134a foi substituída por R438A. A comparação foi feita de forma que os sistemas proporcionem capacidades de refrigeração e valores de temperatura do ar dentro da câmara fria semelhantes. Como resultado, o consumo de compressor com R438A foi maior em todos os testes. Os valores de COP para o sistema R134a/R744 variaram de 1,81 ± 0,01 a 2,09 ± 0,01, enquanto no sistema R438A/R744, de 1,41 ± 0,01 a 1,66 ± 0,01. O impacto total equivalente de aquecimento global para o sistema R438A/R744 foi maior em relação ao sistema original, devido ao maior potencial de aquecimento global do fluido R438A e ao maior consumo de potência elétrica do compressor do ciclo de alta temperatura. Logo, o refrigerante proposto no drop-in do sistema de alta temperatura de R134a por R438A provou-se uma alternativa menos eficiente, para as aplicações específicas. This study evaluates the performance of a cascade system in subcritical operation using the pair R134a/R744, as an option to conventional systems in supermarkets, which usually uses R404A, or R22. The experimental apparatus consists of a variable speed reciprocating compressor for R744 and an electronic expansion valve that promotes direct evaporation of the CO2 inside a cold room (2,3m x 2,6m x 2,5m) to maintain the internal air temperature stable. The high-temperature cycle consists of a reciprocating compressor for R134a, an electronic expansion valve, and an air-cooled condenser. A plate heat exchanger, which is at the same time, the condenser for the R744 and evaporator to R134a completes the setup. During the experimental tests, two parameters were manipulated: The superheating degree of the R744, 5-15 K, and the R744 compressor operation frequency, 45-65 Hz. The cooling capacity values for R134a/R744 ranged between 4,30 ± 0,01 and 5,57 ± 0,02 kW, demonstrating an application to the cascade system under variable thermal load conditions. This operational flexibility also extends to the air temperature values established inside the cold room, being the lower value of -17,7 ° C and higher -0,8 ° C. In order to contribute to the improvement of the cooling processes, mainly about the energy efficiency, a drop-in has been made at the high- temperature cycle, which R134a refrigerant charge has been replaced by R438A. The comparison was done regard both systems providing similar cooling capacities and air temperature values inside the cold room. As a result, the consumption of the compressor operating with R438A was higher in all tests. The COP values for the R134a/R744 system ranged from 1,81 ± 0,01 to 2,09 ± 0,01, while with the R438A/R744 system, from 1,41 ± 0,01 to 1,66 ± 0,01. The total equivalent warming impact for the R438A/R744 system was higher compared to the original system, as a result of the higher GWP for the R438A and higher electrical power consumptions. It has been proven the proposed drop-in, at the high temperature cycle from R134a by R438A, is a less efficient choice for such specific applications. Dissertação (Mestrado)

CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico FAPEMIG - Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais O presente estudo experimental avalia o desempenho de um sistema em cascata subcrítico usando o par R744/R134a como alternativa aos sistemas convencionais em expansão direta instalados em supermercados. O aparato experimental é, estrategicamente, separado em dois ciclos: o ciclo de baixa temperatura (BT), que é composto por um compressor semi-hermético alternativo de velocidade variável e uma válvula de expansão eletrônica que promove a evaporação direta do CO2 no interior de uma câmara fria para manter a temperatura interna de ar estável e o ciclo de alta temperatura (AT), originalmente, constituído por outro compressor semi-hermético alternativo para o R134a, uma válvula de expansão termostática e um condensador arrefecido a ar. Um trocador de calor a placas, que é, ao mesmo tempo, o condensador do R744 e o evaporador para o ciclo (AT), completa a bancada. Na metodologia adotada, os limites do sistema cascata original, R744/R134a foram explorados por meio da manipulação de dois parâmetros operacionais: o grau de superaquecimento (BT) variou entre 5 e 20 ºC, e a frequência de operação do compressor (BT) entre 40 e 65 Hz. Na segunda etapa, foi realizado o drop-in do R134a pelo R438A e, em sequência, o R404A foi introduzido no ciclo AT. Por meio dos resultados obtidos, constatou-se que o par R744/R438A atendeu melhor à condição de drop-in. O sistema R744/R404A também alcançou as mesmas faixas de operação do R134a, se mostrando apto à substituição. Em complemento, a estimativa dos impactos ambientais de cada par foi calculada através do método TEWI, total equivalent warming impact. O par R744/R134a apresentou os menores impactos, enquanto o sistema R744/R404A promoveu os maiores danos ao meio ambiente. This experimental study evaluates the performance of a cascade system in subcritical operation using the pair R744/R134a as an alternative to conventional direct expansion systems installed in supermarkets. The experimental apparatus is, strategically, separated into two cycles, the low temperature cycle (LT), which is composed of a reciprocating semi-hermetic compressor with variable speed control and an electronic expansion valve, that promotes direct evaporation of the CO2 inside a cold chamber to maintain the internal air temperature stable. The high temperature cycle (HT) is, originally, comprised of another reciprocating semi-hermetic compressor for R134a, a thermostatic expansion valve, and an air-cooled condenser. A plate heat exchanger, which is at the same time, the condenser for the R744 and the evaporator for the HT cycle, completes the bench setup. In the methodology, the limits of the original cascade system, R744/R134a, have been explored by manipulating two operational parameters: the degree of superheat (LT), 5 - 20 ºC, and the R744 compressor operating frequency, 40 - 65 Hz. In the second step was performed drop-in of R134a by R438A. And, in sequence, R404A was introduced into the HT cycle. Through the results, it was found that the pair R744/R438A attended the best drop-in condition. The R744/R404A system also achieved the same R134a operating ranges. In addition, the estimative of the environmental impacts of each pair was calculated using the TEWI method, the total equivalent warming impact. The pair R744/R134a had the lowest impacts, while the R744/R404A system promoted the worst damage to the environment. Tese (Doutorado)