Análise do Fluido Refrigerante R-744 na Refrigeração de Contêineres para Transporte Marítimo de Cargas Refrigeradas

Abstract

O transporte marítimo de cargas refrigeradas é empregado para a movimentação de cargas perecíveis e pode ser realizado através de diferentes tecnologias. Apesar da sua ampla utilização, observa-se que ainda há oportunidades de melhorias nesses sistemas referentes à eficiência energética e ao impacto ambiental causado por determinados fluidos refrigerantes. Uma das alternativas em relação ao uso de substâncias nocivas ao meio ambiente, como CFCs e HFCs, está associada ao uso de fluidos refrigerantes naturais. Este trabalho aborda uma revisão da literatura sobre o transporte marítimo de cargas refrigeradas até a introdução do container refrigerado, atualmente utilizado para o transporte de cargas nesse modal. As características principais desses contêineres quanto às suas unidades de refrigeração são apresentadas. A utilização do fluido refrigerante natural CO2 remete a operação de ciclos transcríticos de refrigeração, processo caracterizado pela não condensação do fluido. O ciclo de refrigeração desses contêineres é analisado através de um modelo matemático que realiza o cálculo do desempenho do sistema em diferentes condições operacionais. O modelo matemático foi desenvolvido a partir dos fundamentos termodinâmicos e de transferência de calor. É simulado também, para efeitos de comparação, um ciclo com o refrigerante atualmente mais utilizado nesse mercado, o R-134. Finalmente uma simulação de otimização é realizada para a obtenção da melhor performance possível de um sistema operando com o refrigerante natural R-744, e a análise do comportamento do ciclo transcrítico. Os resultados mostram que quando operando sob temperaturas ambiente baixas, onde os sistemas com ambos fluidos operam ciclos subcríticos, o R-744 mostra-se competitivo quanto à eficiência energética, porém perde esta vantagem conforme for maior a temperatura ambiente, chegando a uma eficiência 24% menor próximo a temperatura crítica de 31°C. Como as condições de operação no mercado têm temperaturas ambiente maiores, a utilização do R-744 necessita da operação em um ciclo transcrítico, onde a desvantagem em relação ao R-134a chega a 56% em média. Esta desvantagem pode ser reduzida com a compensação de outros fatores como a eficiência do compressor, além de poder ser considerada aceitável tendo em vista o apelo ambiental deste refrigerante.

The maritime transport of refrigerated cargo is applied to perishable goods carriage and may be performed by using different technologies. Although its wide utilization, there are still great opportunities for improvements in those systems, regarding energetic efficiency and the environmental impact, caused by the use of determined refrigerant fluids. One of the alternatives regarding the use of substances with damage potential to the environment, such as CFCs and HFCs, is associated with the adoption of natural refrigerant fluids. This work approaches a literature revision about maritime transport of refrigerated cargo to the introduction of the refrigerated container for cargo transport. The main characteristics of refrigerated containers regarding its refrigerating units are presented. Adoption of the natural refrigerant CO2¬ refers to transcritical operating refrigeration cycles, a process that is characterized by impossible fluid condensation. The refrigeration systems for these containers is simulated through the use of an algorithm for performance calculations of the system under different conditions. The simulation of a refrigeration cycle with the most used refrigerant currently, R-134a is also performed for comparison purposes and lastly, the simulation of an optimization routine is performed for the determination of the compressor discharge pressure that maximizes the system’s performance operating with the natural refrigerant R-744 and the analysis of the transcritical refrigerating cycle. Results show that when operating under low ambient temperatures, where the systems with both fluid operate subcritical cycles, R-744 is competitive regarding energetic efficiency, but loses advantage as ambient temperature grows, becoming 24% less efficient when close to its critical temperature of 31°C. As conditions for operation in the market have higher ambient temperatures, the utilization of R-744 needs the operation of a transcritical cycle, where the disadvantage comparing to R-134a is about 56%. This disadvantage can be reduced by other factor such as a higher compressor efficiency, and also be tolered considering the environmental appeal of this refrigerant.