Frio alimentar em supermercados: utilização de amônia
Frio Alimentar
Autor: Alexandre Presotto Jr. e Carlos Guilherme Süffert
O presente artigo descreve o funcionamento do sistema de frio alimentar em supermercados utilizando a amônia como refrigerante primário e fluido secundário para distribuição do frio até os expositores e câmaras frigoríficas. Mostrando suas vantagens e desvantagens técnicas, econômicas e ambientais, em comparação com instalações tradicionais que utilizam a expansão direta de R-22. Com base na experiência de diversas instalações em operação dentro do Brasil, o artigo mostra um estudo de caso comparando diversas configurações disponíveis atualmente em refrigeração comercial, analisando os aspectos de custos de implantação, operação e parâmetros ambientais.
Introdução
A partir da assinatura do “Protocolo de Montreal”, a pressão social para reduzir o uso dos gases "condenados" tem aumentado progressivamente, acelerando o processo de eliminação dos CFCs e HCFCs, e forçando o mercado a se adequar o mais rápido possível dentro desta nova realidade. Como alternativa a utilização de CFCs e HCFCs em sistemas de frio alimentar para supermercados, temos desenvolvido no Brasil há mais de 10 anos instalações com a utilização de fluidos intermediários. Estas instalações foram concebidas inicialmente com o objetivo de diminuir a quantidade do refrigerante na instalação, uma vez que ele se restringe apenas aos limites da central térmica, e o fluido intermediário faz o transporte do frio, desde a central até os pontos de consumo (câmaras e expositores). E para a eliminação completa dos fluidos halogenados do sistema foi utilizada a amônia como fluido refrigerante primário.
Funcionamento do sistema
O sistema, conforme descrito na Figura 1, é formado por um grupo resfriador de líquido que resfria a solução em água de produto anti-congelante capaz de manter-se no estado líquido em baixas temperaturas. A solução circula na rede de distribuição, através da moto-bomba centrífuga, desde a central até os expositores e câmaras. A temperatura necessária para a conservação dos produtos é garantida através de um adequado balanceamento entre os níveis de temperatura do fluido intermediário e a superfície de troca térmica das serpentinas. Uma vez que a distribuição do frio fica simplificada, todos os cuidados de operação e controle, como modulação da capacidade em regime de carga parcial, controle do superaquecimento e vazamento de refrigerante, ficam restritos à central térmica. E desta maneira facilmente controlados. A utilização de amônia como fluido refrigerante primário em supermercados somente é viabilizada devido a utilização de fluidos secundários, sistema de expansão seca nos chillers para diminuir a carga de refrigerante e adotando os seguintes procedimentos de segurança:
- sistema de ventilação permanente para manter a central térmica em depressão constante de 2 mmca;
- descarga do sistema de ventilação em direção às torres de arrefecimento d’água;
- descarga das válvulas de segurança na bacia das torres de arrefecimento d’água.
Descrição do sistema: resfriados e congelados
Para refrigerados, usualmente as instalações de média temperatura em supermercados empregam a expansão direta de R-22 a uma temperatura de evaporação de aproximadamente –10oC. É para este regime que são dimensionadas as superfícies de transferência de calor dos evaporadores e selecionados os demais componentes da instalação. O grande diferencial entre a temperatura de evaporação e a temperatura de condicionamento do produto, provoca a necessidade de inclusão de malha de controle de temperatura para regimes de carga parcial e para degelo, já que a formação de gelo no evaporador é inerente ao processo. Em instalações com fluido intermediário, normalmente se utiliza a solução na temperatura de –7oC. Assim é possível manter as serpentinas com a mesma área de troca térmica, mas mantém a necessidade das malhas de controle (temperatura e degelo), além de provocar uma perda significativa no desempenho energético. A solução por nós desenvolvida, propõe operar a instalação com um menor diferencial entre a temperatura de fluido intermediário (aproximadamente –2oC) e a temperatura do produto. Através do balanceamento adequado entre fluxo de solução e a superfície de transferência de calor nas serpentinas, foi possível garantir as temperaturas necessárias para o bom condicionamento dos produtos eliminando as malhas de controle de temperatura e degelo em expositores e câmaras e, ainda, um melhor desempenho energético global. Os resultados obtidos quanto à conservação de produtos nas instalações com a utilização de fluido intermediário, foram equivalentes aos alcançados em instalações de refrigeração com sistema convencional de expansão direta de R-22. Mas como não ocorrem mais interrupções no fornecimento de fluido para a serpentina, estas condições não se alteram ao longo do dia. O que garante o perfeito condicionamento dos produtos dentro dos padrões de qualidade para comercialização, conforme apresentados na Figura 2.
Para congelados, as instalações convencionais de baixa temperatura, com expansão direta de R-22, costumam operar com evaporação igual ou menor a –32oC. Então como critério de dimensionamento para instalações com fluido intermediário, adotou-se a mesma temperatura de evaporação nos grupos resfriadores e uma temperatura de saída do fluido igual a –26oC. Nestas condições, e utilizando as mesmas serpentinas das instalações convencionais (com circuitação adaptada), é possível garantir as temperaturas necessárias em câmaras e expositores de congelados (-20oC sobre o produto). O ganho na aproximação dos diferenciais de temperatura é conseguido em função dos seguintes fatores:
- fluxo de temperatura em contra corrente perfeita;
- melhor desempenho do trocador já que a distribuição da troca térmica na serpentina é mais eficiente e de melhor distribuição em sistemas líquido x ar, do que em sistemas líquido/vapor x ar;
- otimização do super-aquecimento.
Os resultados obtidos em instalações operando da maneira descrita no item anterior, garantem as condições exigidas para o armazenamento e exposição de produtos congelados em supermercados, conforme apresentado na Figura 3. E apesar de serem ainda necessárias as rotinas de degelo, foi observado que as oscilações na temperatura da solução, nos períodos pós degelo, são muito menores que as variações da temperatura de evaporação nos mesmos períodos em sistemas com evaporação direta.
Desempenho
Analisando o desempenho da instalação em dois períodos distintos, não apenas em regime de carga total, mas também em regime de carga parcial quando temos a loja fechada ao público e conseqüentemente diminuição da carga térmica. Nestas condições observamos que ao contrário do que acontece em sistemas de evaporação direta, a temperatura de evaporação do chiller aumenta, devido a diminuição do diferencial de temperatura do fluido secundário e conseqüentemente aumenta o COP da instalação. Assim, devido ao aumento da temperatura de evaporação no circuito de refrigerados, também para congelados durante o período de regime de carga parcial e otimização do super-aquecimento, conseguimos ganho de COP quando comparamos com sistemas de expansão direta de R-22, conforme indicado na Tabela 1.
Estudo de caso
Comparando o sistema proposto com amônia como refrigerante primário e fluidos secundários com as instalações utilizadas atualmente. Analisando consumo de energia, custos de implantação, custos de operação e questões ambientais para um supermercado médio com 4.000 m2 de área de venda, localizado na cidade de Porto Alegre (RS) e com carga térmica de refrigerados de 260 Mcal/h e congelados de 80 Mcal/h temos: na Tabela 2 - consumo de energia; na Tabela 3 – custos de implantação; na Tabela 4 – custos de operação; e na Tabela 5 – questões ambientais.
Conclusão
Existem no Brasil instalações de refrigeração comercial, instaladas a mais de 10 anos, utilizando amônia como refrigerante primário e fluidos secundários, operando com excelentes resultados quando comparados com os sistemas atualmente utilizados de expansão direta de R-22 e com diversas opções de configurações disponíveis no mercado, analisando tanto os aspectos técnicos, econômicos e ambientais, e comprovando a viabilidade desta configuração face às necessidades de eliminação dos fluidos halogenados estabelecido pelo “Protocolo de Montreal”.
Alexandre Presotto Jr. e Carlos Guilherme Süffert - Engenheiros da SPM Engenharia carlos.suffert@spm.com.br
fonte:Climatização&Refrigeração
Autor: Alexandre Presotto Jr. e Carlos Guilherme Süffert
O presente artigo descreve o funcionamento do sistema de frio alimentar em supermercados utilizando a amônia como refrigerante primário e fluido secundário para distribuição do frio até os expositores e câmaras frigoríficas. Mostrando suas vantagens e desvantagens técnicas, econômicas e ambientais, em comparação com instalações tradicionais que utilizam a expansão direta de R-22. Com base na experiência de diversas instalações em operação dentro do Brasil, o artigo mostra um estudo de caso comparando diversas configurações disponíveis atualmente em refrigeração comercial, analisando os aspectos de custos de implantação, operação e parâmetros ambientais.
Introdução
A partir da assinatura do “Protocolo de Montreal”, a pressão social para reduzir o uso dos gases "condenados" tem aumentado progressivamente, acelerando o processo de eliminação dos CFCs e HCFCs, e forçando o mercado a se adequar o mais rápido possível dentro desta nova realidade. Como alternativa a utilização de CFCs e HCFCs em sistemas de frio alimentar para supermercados, temos desenvolvido no Brasil há mais de 10 anos instalações com a utilização de fluidos intermediários. Estas instalações foram concebidas inicialmente com o objetivo de diminuir a quantidade do refrigerante na instalação, uma vez que ele se restringe apenas aos limites da central térmica, e o fluido intermediário faz o transporte do frio, desde a central até os pontos de consumo (câmaras e expositores). E para a eliminação completa dos fluidos halogenados do sistema foi utilizada a amônia como fluido refrigerante primário.
Funcionamento do sistema
O sistema, conforme descrito na Figura 1, é formado por um grupo resfriador de líquido que resfria a solução em água de produto anti-congelante capaz de manter-se no estado líquido em baixas temperaturas. A solução circula na rede de distribuição, através da moto-bomba centrífuga, desde a central até os expositores e câmaras. A temperatura necessária para a conservação dos produtos é garantida através de um adequado balanceamento entre os níveis de temperatura do fluido intermediário e a superfície de troca térmica das serpentinas. Uma vez que a distribuição do frio fica simplificada, todos os cuidados de operação e controle, como modulação da capacidade em regime de carga parcial, controle do superaquecimento e vazamento de refrigerante, ficam restritos à central térmica. E desta maneira facilmente controlados. A utilização de amônia como fluido refrigerante primário em supermercados somente é viabilizada devido a utilização de fluidos secundários, sistema de expansão seca nos chillers para diminuir a carga de refrigerante e adotando os seguintes procedimentos de segurança:
- sistema de ventilação permanente para manter a central térmica em depressão constante de 2 mmca;
- descarga do sistema de ventilação em direção às torres de arrefecimento d’água;
- descarga das válvulas de segurança na bacia das torres de arrefecimento d’água.
Descrição do sistema: resfriados e congelados
Para refrigerados, usualmente as instalações de média temperatura em supermercados empregam a expansão direta de R-22 a uma temperatura de evaporação de aproximadamente –10oC. É para este regime que são dimensionadas as superfícies de transferência de calor dos evaporadores e selecionados os demais componentes da instalação. O grande diferencial entre a temperatura de evaporação e a temperatura de condicionamento do produto, provoca a necessidade de inclusão de malha de controle de temperatura para regimes de carga parcial e para degelo, já que a formação de gelo no evaporador é inerente ao processo. Em instalações com fluido intermediário, normalmente se utiliza a solução na temperatura de –7oC. Assim é possível manter as serpentinas com a mesma área de troca térmica, mas mantém a necessidade das malhas de controle (temperatura e degelo), além de provocar uma perda significativa no desempenho energético. A solução por nós desenvolvida, propõe operar a instalação com um menor diferencial entre a temperatura de fluido intermediário (aproximadamente –2oC) e a temperatura do produto. Através do balanceamento adequado entre fluxo de solução e a superfície de transferência de calor nas serpentinas, foi possível garantir as temperaturas necessárias para o bom condicionamento dos produtos eliminando as malhas de controle de temperatura e degelo em expositores e câmaras e, ainda, um melhor desempenho energético global. Os resultados obtidos quanto à conservação de produtos nas instalações com a utilização de fluido intermediário, foram equivalentes aos alcançados em instalações de refrigeração com sistema convencional de expansão direta de R-22. Mas como não ocorrem mais interrupções no fornecimento de fluido para a serpentina, estas condições não se alteram ao longo do dia. O que garante o perfeito condicionamento dos produtos dentro dos padrões de qualidade para comercialização, conforme apresentados na Figura 2.
Para congelados, as instalações convencionais de baixa temperatura, com expansão direta de R-22, costumam operar com evaporação igual ou menor a –32oC. Então como critério de dimensionamento para instalações com fluido intermediário, adotou-se a mesma temperatura de evaporação nos grupos resfriadores e uma temperatura de saída do fluido igual a –26oC. Nestas condições, e utilizando as mesmas serpentinas das instalações convencionais (com circuitação adaptada), é possível garantir as temperaturas necessárias em câmaras e expositores de congelados (-20oC sobre o produto). O ganho na aproximação dos diferenciais de temperatura é conseguido em função dos seguintes fatores:
- fluxo de temperatura em contra corrente perfeita;
- melhor desempenho do trocador já que a distribuição da troca térmica na serpentina é mais eficiente e de melhor distribuição em sistemas líquido x ar, do que em sistemas líquido/vapor x ar;
- otimização do super-aquecimento.
Os resultados obtidos em instalações operando da maneira descrita no item anterior, garantem as condições exigidas para o armazenamento e exposição de produtos congelados em supermercados, conforme apresentado na Figura 3. E apesar de serem ainda necessárias as rotinas de degelo, foi observado que as oscilações na temperatura da solução, nos períodos pós degelo, são muito menores que as variações da temperatura de evaporação nos mesmos períodos em sistemas com evaporação direta.
Desempenho
Analisando o desempenho da instalação em dois períodos distintos, não apenas em regime de carga total, mas também em regime de carga parcial quando temos a loja fechada ao público e conseqüentemente diminuição da carga térmica. Nestas condições observamos que ao contrário do que acontece em sistemas de evaporação direta, a temperatura de evaporação do chiller aumenta, devido a diminuição do diferencial de temperatura do fluido secundário e conseqüentemente aumenta o COP da instalação. Assim, devido ao aumento da temperatura de evaporação no circuito de refrigerados, também para congelados durante o período de regime de carga parcial e otimização do super-aquecimento, conseguimos ganho de COP quando comparamos com sistemas de expansão direta de R-22, conforme indicado na Tabela 1.
Estudo de caso
Comparando o sistema proposto com amônia como refrigerante primário e fluidos secundários com as instalações utilizadas atualmente. Analisando consumo de energia, custos de implantação, custos de operação e questões ambientais para um supermercado médio com 4.000 m2 de área de venda, localizado na cidade de Porto Alegre (RS) e com carga térmica de refrigerados de 260 Mcal/h e congelados de 80 Mcal/h temos: na Tabela 2 - consumo de energia; na Tabela 3 – custos de implantação; na Tabela 4 – custos de operação; e na Tabela 5 – questões ambientais.
Conclusão
Existem no Brasil instalações de refrigeração comercial, instaladas a mais de 10 anos, utilizando amônia como refrigerante primário e fluidos secundários, operando com excelentes resultados quando comparados com os sistemas atualmente utilizados de expansão direta de R-22 e com diversas opções de configurações disponíveis no mercado, analisando tanto os aspectos técnicos, econômicos e ambientais, e comprovando a viabilidade desta configuração face às necessidades de eliminação dos fluidos halogenados estabelecido pelo “Protocolo de Montreal”.
Alexandre Presotto Jr. e Carlos Guilherme Süffert - Engenheiros da SPM Engenharia carlos.suffert@spm.com.br
fonte:Climatização&Refrigeração
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