APLICAÇÕES DO CO2 NO SETOR AUTOMOTIVO - Protocolo de ...

Universidade Federal de Uberlândia - UFU
Faculdade de Engenharia Mecânica - FEMEC
Laboratório de Energia e Sistemas Térmicos–LEST
APLICAÇÕES DO CO2
NO SETOR AUTOMOTIVO
Enio P. Bandarra Filho – bandarra@mecanica.ufu.br

Introdução
SUMÁRIO
Ar Condicionado Automotivo
Resultados e Comparações CO 2 e R-134a
Análise e Projeção de Mercado para Ar
Condicionado Automotivo
Visualização do Escoamento no Interior de
Trocadores de Calor tipo Microcanais
Considerações Finais

INTRODUÇÃO

Histórico
CO2 não é um novo refrigerante, já foi proposto
como refrigerante em 1850.
Pico de utilização como fluido refrigerante em
sistemas de refrigeração nos anos de 1920 e 1930.
Com a introdução dos compostos halogenados, seu
uso foi suprimido.
Década de 90, ressurgiram as discussões para uso
do CO2, devido às características ecológicas (ODP
e GWP), juntamente com Hidrocarbonetos e
Amônia.

CO2 não é um refrigerante tóxico. (Torna-se tóxico
em grandes concentrações)
Não é inflamável.
Características
Possui duplo Papel no meio ambiente: é necessário
à vida na terra, mas também colabora, em menor
escala, para o efeito estufa.
Concentração no ar atmosférico aproximadamente
entre 0,03 e 0,06% (Vol.)

Algumas características de refrigerantes halogenados e CO 2
Refrigerante
Fluido Natural
Potential de Destruição do Ozônio
Potential de Aquec. Global
Temperatura Crítica em °C
100 anos
20 anos
Pressão Crítica em MPa
Inflamável ou explosivo
Tóxico
Preço aproximado relativo
Capacidade Volumétrica de Ref.
(Relativa)
R12
Não
1,0
7100
7300
112
4,16
Não
Não
1
1
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
Não
4
1
CO 2
Sim
0
1 (0)
1 (0)
31,1
7,38
Não
Não
0,1
8,4

Algumas características de refrigerantes halogenados e CO 2
Refrigerante R12 R134a CO 2
Agressor da Camada de Ozônio SIM NÃO NÃO
Potencial de Aquecimento Global GWP=8100 GWP=1300 GWP=1
Emissão de CO 2 – Operação
(consumo de comb. e vazamento)
2600 kg/carro 2600 kg/carro 1800 kg/carro
Emissão de CO 2 equivalente 8100 kg/carro 1300 kg/carro 0,5 kg/carro
TOTAL 10700 kg/carro 3900 kg/carro 1800 kg/carro
Redução de 2/3 Redução de 1/2

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

Efeito Estufa
Os Automóveis são responsáveis por 10% de toda
a emissão dos gases que colaboram com o efeito
estufa
Esse número tende a crescer, pois cada vez mais
carros saem de fábrica com sistema de A/C.
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
0,03 a 0,06% - Concentração no ar atmosférico
2% -50%de aumento na taxa de respiração
3% - Limite de exposição de 10 minutos; 100%
de aumento na taxa de respiração
5% - 300% de aumento na taxa de respiração,
dor de cabeça (Obs: Isto é tolerado pela maioria
das pessoas, mas há excessões.
8% - Curto tempo de exposição

Aspectos de Segurança
8-10% - Dor de cabeça após 10 ou 15
minutos. Zumbido nos ouvidos, aumento na
pressão sanguínea, aumento da frequência
cardíaca, excitação e náusea.
10-18% - Após poucos minutos de exposição,
situação similar ao ataque epilético, perda da
consciência e entrada em estado de choque.
18-20% - Sintomas similares aqueles de um
derrame.

Ar Condicionado
Automotivo

Ar Condicionado Automotivo
R134a
CO 2

Ar Condicionado Automotivo

Ar Condicionado Automotivo

Ar Condicionado Automotivo

Ar Condicionado Automotivo
Unidade Básica de um Sistema de Ar Condicionado com CO2

Ar Condicionado Automotivo

Compressor

Trocador de Calor

Gas Cooler e Evaporador

Comparativo
Configuração de Trocador de Calor Interno
Configuração de Trocador de Calor – Gas Cooler

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/m 2 s 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%
Revellin, Thome et al., Int. J. Multiphase Flow, Vol. 32, pp. 755-774, 2006.

Vídeos feitos por Dr. Lorenzo Consolini no LTCM da EPFL
Bolhas
Pistonado / Intermitente

Intermitente para Anular
annular

Comparação de
Resultados Obtidos
na Literatura

Modelo para cálculo do h
em Evaporador com CO2
Coef. Transf. de Calor – kW/m 2 . o C
Título
Cheng, Ribatski e Thome (2007)

COP
Resultados Comparativos
34%
21%
Estados Unidos - 2002
30%
51%
60%
Temperatura do Ar (Condensador / Gas Cooler)
34%

Geração de Entropia /
Capacidade de Refrigeração (x 10-4 .K-1 )
Resultados Comparativos
Estados Unidos - 2002
Geração Total
Geração Total
Gas Cooler
Evaporador Evaporador
Temperatura do Ar (Condensador / Gas Cooler)
Condensador

COP
Resultados – Efeito da Carga de CO 2
Rotação compressor: 1800 rpm
Temperatura do ar no Gas Cooler: 35 o C
Velocidade face Gas Cooler: 4,5m/s
Velocidade face Evaporador: 2,5 m/s
Umidade: 50%
China - 2005
Consumo de Potência do Compressor
Capacidade de Refrigeração
Carga de Refrigerante - gramas
Capacidade de Ref. e Potência - kW

Vazão de CO 2 –kg/s
Resultados – Efeito da Carga de CO 2
Título de entrada
Vazão de CO 2
Carga de Refrigerante - gramas
Título

Pressão - Bar
Resultados – Efeito da Carga de CO 2
Rotação do Compressor: 1800 rpm
Entalpia - kJ/kg

Pressão - Bar
Efeito da Pressão de Descarga do Compressor
COP
Capacidade de Refrigeração
Potência de Compressão
Carga de Refrigerante - gramas
Temperatura - o C

Efeito da Pressão de Saída do Evaporador
COP
COP
Capacidade de Refrigeração
Potência de compressão
Pressão de Saída Evaporador - Bar
Capacidade de Ref. e Potência - kW

Efeito da Temperatura do Ar na Entrada Gas Cooler
Capacidade de Refrigeração – kW
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
Temp. Entrada de Ar no Gas Cooler - o C
COP

Efeito da Velocidade de Face do Ar no Gas Cooler
Capacidade de Ref. e Potência – kW
COP
Capacidade de Refrig.
Potência de Compressão
Velocidade do Ar – Gas Cooler (m/s)
COP

Comparação de
Resultados obtidos em
Testes com Veículos

Comparação R134a x CO2

Tempo em Minutos
Série 3
Comparação R134a x CO2
Desconforto
‘’Quente’’
CO 2
Zona de Conforto
CO 2
Desconforto
‘’FRIO’’
CO 2
Temperatura na cabine
Temperatura não é atingida
Temperatura Inicial da cabine: 75 o C
Sol: 1000 W/m 2
Temperatura Ambiente: 40 o C
CO 2

Temperatura
Comparação R134a x CO2
CO 2
Audi A4
R134a
Tempo em Minutos

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

Resumo dos Testes
O sistema com CO 2 mostrou melhor
desempenho para atingir a temperatura
desejada,
Alcança valores reduzidos da temperatura
da cabine,
Elevado potencial no desenvolvimento de
componentes com melhor desempenho,
Redução no consumo de combustível
comparado ao sistema com R-134a.

Comparação R134a x CO 2 – 1000cm 3

Temperatura do Ar - o C
Comparação R134a x CO 2 – 1000cm 3
Teste com 43 o C, 40% de umidade e carga de 1000 W/m 2
R134a: Em 10 min a temperatura na saída do Evaporador era 12 o C
CO2: Sistema teve uma melhora de desempenho. Em 10 minutos a
temperatura de saída do Evaporador era 6 o C
T saída Evap. CO2
T saída Evap. R-134a
T média Int. CO2
T média Int. R-134a
Parado

Temperatura do Ar - o C
Comparação R134a x CO 2 – 1000cm 3
Testes nas mesmas condições anteriores
CO 2 foi levado às mesmas condições do R134a
Parado
Tempo em segundos
-4,5%
-5,5%

Consumo de Combustível – l/100 km
Comparação R134a x CO 2 – 1000cm 3
-5%
-7,5%
-3%

Comparação R134a x CO 2 – 1000cm 3
Comparação com Temperatura de 45 o C
CO 2
COP médio (900-1200s) = 2,52
R134a
COP médio (900-1200s) = 2,0

Resumo dos Testes
Sistema com CO 2 para Veículos de baixa
potência provou ser viável e pode ser
projetado com os componentes padrões.
Consumo de combustível em média 5%
menor com o CO 2. Isso pode levar a uma
redução na emissão de CO 2 pelo
escapamento entre 6 e 10 g/km.
Isso leva a crer que a medida que forem
projetados equipamentos melhores, a
tendencia é de maior vantagem para
utilização do CO 2.

Vazamento de CO2 – g/ano
Elastômeros para uso com CO2
Lado Baixa Pressão
Vazamento
de 0,5 g/ano
Lado Alta Pressão
Saída do Gas Cooler
Lado Alta Pressão
Saída do Compressor

COP
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

Análise e Projeção de
Mercado para Ar
Condicionado
Automotivo

% Veículos com Ar Condicionado de Fábrica
Projeção Carros com A/C de fábrica
100
90
80
70
60
50
40
30
20
18%
Projeção DENSO
27%
46%
38%
10
0
10%
Dados Reais
1988 1992 1996 2000 2004 2008 2012
Previsão
2007
A
Europa:
58%
47%
90%
75%
ANFAVEA

Comissão
Européia
Decisão da Legislação da Comunidade Européia
sobre os Gases Fluorados
Proposta
Agosto
2003
Parlamento Europeu
1 a
Leitura
MAR
2004
Abril 2005
Posição
Comum
2 a
Leitura
Conselho (Estados membros)
Conselho e Parlamento
negociam através de
Procedimento de Conciliação
NÃO
2 a
Leitura
=
Posição
Comum?
SIM

Proposta da Comissão Européia
Propuseram a retirada (phase-out) dos
compostos fluorados entre 2009 e 2013.
Propuseram a inclusão do HFC-152a como
opção.
Redução 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
milhões de Toneladas de CO 2 equivalente por ano.

Posição Parlamento Europeu
Na 1a. Leitura, (Março 2004), o Parlamento
concordou com a necessidade de retirada
do HFC 134a.
Propuseram a retirada (phase-out) dos
compostos fluorados entre 2011 e 2014.
Propuseram a EXCLUSÃO do HFC-152a.

Posição do Conselho Europeu
Concordam com a necessidade de retirada
do HFC 134a.
Propuseram que a retirada (phase-out) dos
compostos fluorados seja entre 2011 e
2017.
Propuseram a INCLUSÃO do HFC-152a.
Concordaram a redução nos níveis de
vazamentos desses gases nos
equipamentos.

Considerações Finais

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

Considerações Finais
O CO 2 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 CO 2.
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
75 o C para
25 o C em
Aquecimento
mais rápido
utilizando o
mesmo
equipamento
10 min. Menor Consumo
de Combustível
CO2 não é Inflamável e
não é Tóxico
Considerações Finais
Menor Emissão
Economia de $

Considerações Finais
Sistemas com CO 2 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 CO 2, 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 CO 2 a partir de 2008.

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