PERFORMANCE ANALYSIS AND IMPACTS ON ENERGY EFFICIENCY IN REFRIGERATION CIRCUIT
REGISTRO DOI: 10.69849/revistaft/pa10202411251413
Willian da Costa Goveia1
Douglas Espedito da Silva Cardoso2
Edy Pollo Santos Hassegawa Moscoso3
Resumo
Este artigo aborda a análise no desempenho do sistema de refrigeração do ponto de vista da eficiência energética, buscando determinar a melhor forma de atingir o consumo mínimo de energia e aumentar a capacidade de resfriamento. O sistema de refrigeração opera retirando calor de um fluido refrigerante por um processo químico.A pesquisa utilizou uma abordagem qualitativa e exploratória, conduzindo estudos de caso em duas empresas, uma localizada em Rondônia e a outra em São Paulo, Brasil, das quais foram coletados dados específicos sobre consumo de energia e eficiência. Também houve uma revisão de publicações acadêmicas e profissionais nesta área.Os resultados indicaram que o controle na capacidade dos compressores pode reduzir o consumo de energia e torná-lo positivo. Um exemplo de aplicação é o uso relacionado a unidades condensadoras mais avançadas, o que certamente trará uma melhoria significativa no COP, aumentando assim a eficiência do sistema e reduzindo o consumo de energia. A pesquisa também expressou que tais valores por tecnologias como inversores de frequência e soft starters precisam ser introduzidos para controlar a partida e o desligamento do compressor, reduzindo picos de consumo e aumentando a vida útil do equipamento. Em conclusão, a pesquisa sugere a substituição de sistemas convencionais por unidades mais eficientes, resultando em até 13% de economia de energia. Além disso, destaca a importância de manutenções preventivas e o uso de tecnologias para melhorar a eficiência e reduzir custos operacionais.
Palavras-chave: Refrigeração. Eficiência Energética. Capacidade.
1 INTRODUÇÃO
Para que haja uma análise de performance e impactos na eficiência energética em um circuito de refrigeração, aborda-se os motivos da pesquisa, assim como diminuição de consumo energético, otimização de processos e equipamentos.
Um sistema de refrigeração é constituído pela capacidade de retirada de calor, esse resfriamento ocorre por ação química entre os estágios do fluido refrigerante ao ser manipulado em meios eletromecânicos. Esta ação provoca a condensação e evaporação do fluido, permitindo a troca de calor.
Sendo importante enfatizar que, os sistemas de refrigeração estão presentes em todo mundo, entendo este fator, compreende-se a problemática na redução do consumo gerado por um circuito de refrigeração capaz de impactar diretamente na sociedade. Desta forma, como objetivo geral, busca-se analisar o sistema de refrigeração com maiores capacidades e com menores taxas de consumo, com isso, tem-se como objetivos específicos, demonstrar o detalhamento do C.O.P. (coeficiente de desempenho) e relatar o controle de capacidade na refrigeração. Um sistema de refrigeração é responsável por estabelecer a qualidade no produto a ser refrigerado, desta forma, sendo importante a redução dos impactos gerados para que se tenha um sistema eficiente.
Esta pesquisa está estruturada em 04 tópicos, possuindo introdução, a metodologia aplicada na seção subsequente, os resultados e discussões, assim como as considerações finais do referente estudo.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA OU REVISÃO DA LITERATURA
Devido ao grande impacto nos custos operacionais e no uso de energia, principalmente para aplicações comerciais e industriais onde ocorrem processos estáveis — como em supermercados e centros de distribuição — a eficiência energética em sistemas de refrigeração se tornou um tópico de interesse. Segundo Ferreira (2021), a otimização desses sistemas pode reduzir consideravelmente o consumo, enquanto segundo Amaral (2013), torna-se importante utilizar tecnologias de aprimoramento, como inversores de frequência e soft starters, para tornar o sistema mais eficiente e reduzir picos de consumo durante a partida do compressor.
O Controle de Capacidade é uma estratégia essencial para otimizar a operação de sistemas de refrigeração. De acordo com Amaral (2013), a implementação de dispositivos como soft starters permite uma partida suave dos motores, reduzindo picos de corrente que aumentam o desgaste dos equipamentos e o consumo energético. Estudos realizados pela Refrigeração Goveia (2024) indicam que o uso de controladores programáveis (PLCs) para ajustar a capacidade dos compressores conforme a demanda pode resultar em uma economia de até 13% no consumo de energia em comparação com sistemas convencionais on/off.
Outro aspecto importante do desempenho desses sistemas é seu coeficiente de eficiência, ou relação entre consumo de energia e capacidade de resfriamento. Tecnologias como o sistema Varistep, que ajusta o fluxo de refrigerante, podem melhorar o COP e o desempenho superior do sistema são alguns dos aspectos que comprovam Bitzer (2024).
Estudos de caso realizados por Goveia, Silva e Moscoso (2024) em empresas localizadas em Rondônia e São Paulo demonstram os benefícios da atualização tecnológica em sistemas de refrigeração. A pesquisa mostrou que a implementação de unidades condensadoras com controle de capacidade e tecnologias avançadas levou a uma economia anual de até 16.094 kWh, sem comprometer a capacidade de resfriamento.
Por fim, a adoção de tecnologias como soft starters e inversores de frequência, conforme discutido por Amaral (2013), é essencial para reduzir o consumo energético durante a partida dos motores. Esses dispositivos proporcionam uma transição suave para a operação plena, diminuindo os picos de corrente e prolongando a vida útil dos compressores, o que é especialmente benéfico em operações de alta demanda energética, conforme ilustrado por estudos da Bitzer (2024).
Dessa forma, a fundamentação teórica apresentada reforça a importância da eficiência energética em sistemas de refrigeração, destacando a relevância do controle de capacidade, tecnologias de otimização e estratégias para reduzir custos operacionais e promover a sustentabilidade ambiental.
3 METODOLOGIA
A presente pesquisa buscou analisar e descrever os principais impactos na eficiência energética em circuitos de refrigeração, para entender como ocorre um sistema de refrigeração perante as ações químicas entre os estágios do fluido refrigerante. Utiliza-se de uma abordagem qualitativa, com caráter exploratório e descritivo, cujos procedimentos técnicos foram aplicados mediante ao estudo de caso.
A apuração para o método visou à necessidade da análise de modo mais amplo do conteúdo pesquisado deste trabalho. Para exploratório, em virtude de propor maior aproximação e familiaridade do pesquisador com o objetivo investigado.
Para a abordagem qualitativa, adota o método histórico-antropológico, assegurando aspectos e características específicas dos dados e acontecimentos, no contexto em que ocorrem na mesma proporção. Assim como, baseiam-se em compreender e analisar as ações, práticas, reações e atitudes, a partir do enfoque e expectativa dos sujeitos participantes deste estudo. Em entender a necessidade da aplicação de um sistema de controle de capacidade dentro da refrigeração, assim como os benefícios alcançados através deste controle.
Os procedimentos aplicados foram de estudo de caso, tendo como objeto de investigação duas empresas, sendo uma localizada no interior de Rondônia e a outra no interior de São Paulo, ambos na área de refrigeração, atribuindo e analisando dados expostos nesta pesquisa. Os documentos por ambas foram disponibilizados por meio das mídias de comunicação com recorte de tempo do ano 2024.
A definição espacial para o desenvolvimento deste estudo foi fundamental por conter duas empresas no mesmo ramo com estados distintos, justificando-se pela aproximação, sendo no município de São Francisco do Guaporé interior do estado de Rondônia, com sua área territorial de 10.948,593 km² e sua população estimada em 16.286 habitantes e a outra em 274.413.
A pesquisa se caracteriza em duas etapas distintas. A primeira realizou uma revisão bibliográfica sobre sistema de refrigeração. Para a complementação das investigações efetivou-se uma busca em fontes secundárias e nas referências.
Foram relevantes as investigações on-line perante os sites de bibliotecas virtuais, bancos de teses e órgãos governamentais todos relacionados ao estudo sobre a região onde situa a experiência e demonstrando capilaridade perante a organização de um quadro contextual com amplitude.
A segunda fase do estudo retrata-se ao município de São Francisco do Guaporé (RO) e sua contextualização em um supermercado buscando uma relação dos impactos energéticos em circuitos de refrigeração. Fundamentada na pesquisa documental.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
A capacidade deste sistema de refrigeração gera uma carga térmica em Watts (W) enquanto consome em Watts (W) uma demanda energética. Determinar uma maior variação entre geração e consumo, permitirá uma maior eficiência. Controlar o COP (Coeficiente de desempenho) é necessário, através da fórmula a abaixo podemos encontrar o COP (Coeficiente de desempenho) do circuito de refrigeração:
Considerando estes fatores, mais à frente iremos abordar mais a fundo sobre COP, e analisando um sistema aplicado a um circuito de refrigeração, compreendendo sua eficiência.
Neste processo, pode ser analisado um sistema de um supermercado no estado de Rondônia, onde consiste a aplicação de cinco câmaras frias, cada unidade opera com seu circuito próprio. Ao exemplificar no quadro abaixo as unidades condensadoras aplicadas e suas condições de operação.
Quadro 01: Unidades condensadoras e suas capacidades.
| UNIDADE CONDENSADORA | TEMPERATURA DE EVAPORAÇÃO | TEMPERATURA EXTERNA | KW Refrigerado /KW CONSUMO |
| OP-HJM032 | -20°C | 40°C | 2,717 / 2,156 |
| OP-HJM022 | -20°C | 40°C | 1,821 / 1,504 |
| OP-HJM022 | -20°C | 40°C | 1,821 / 1,504 |
| OP-HJM064 | -28°C | 40°C | 3,127 / 3,127 |
| OP-HJM064 | -5°C | 40°C | 12,40 / 5,662 |
Fonte: Dados da pesquisa (2024).
4.1- Compreendendo o Projeto
O atual circuito de refrigeração conta com sistema de parada de compressor durante o set point e processo de degelo. Seu controlador de temperatura atua como um sistema on/off. Não havendo um controle de capacidade que possibilite um auxílio na partida dos compressores, sendo assim, demanda uma maior potência de energia. Devido a geração de maiores custos operacionais, apresento a capacidade e o consumo atual do circuito de refrigeração para encontrar um sistema de maior eficiência.
Capacidade de refrigeração em quilowatt é a potência de retirada de calor que uma unidade pode oferecer, já o consumo é capacidade demandada de energia em kW para operação. Visualizando no quadro 2, a correlação entre os dois encontramos o COP (Coeficiente de desempenho), onde chegamos na relação do consumo de geração de frio (retirada de calor). Sendo 21,886 kw de refrigeração para 13,953 kW de consumo.
Um fator a ser mencionado é a falta de um sistema pump down, onde os compressores não param pelo recolhimento do fluido, causando uma partida forçada no religamento dos compressores, devido ao esforço demandado para pressurizar o fluido parado pela tubulação.
4.2 – Eficiência energética aplicada na refrigeração.
A eficiência energética na refrigeração refere-se ao uso otimizado da capacidade de refrigeração em relação ao seu consumo energético. É crucial o uso de equipamentos com tecnologias avançadas, como compressores que permitam ajuste de potência conforme sua necessidade.
Compreender a correlação entre pressão e temperatura em um circuito fechado de refrigeração é de extrema importância. Esta pressão está diretamente ligada aos fluidos refrigerantes e como se comportam em seus processos de condensação e evaporação.
Cada fluido seja natural ou sintético possui suas próprias características e seu coeficiente de transformação entre temperatura e pressão, no entanto, mesmo que possuam características próprias, se comportam semelhante em relação à temperatura, sendo quanto menor a pressão menor a temperatura. Entendendo este conceito aplicado ao sistema de refrigeração, compreendemos o comportamento do fluido dentro do sistema.
No circuito fechado existem os seguintes processos ao qual o fluido se submete: pressurização, condensação expansão e evaporação. Exemplificando a situação, no processo inicial o fluido é pressurizado em alta pressão e temperatura até o condensador onde ocorre uma troca de calor e sub-resfriamento alterando o fluido de gasoso para líquido, sendo em seguida expandido, causando uma queda pressão e temperatura dentro evaporador ocorrendo então um superaquecimento do fluido e trocar calor com ambiente refrigerado. É necessária a compreensão deste fundamento para maior entendimento na aplicação do controle de capacidade.
O controle de capacidade é realizado pela análise de pressão e temperatura, modulando compressor e ventilador, ou seja, por sensores e transdutores de pressão, interligado a um dispositivo de controle, controlador de temperatura e pressão ou plc ( controlador lógico programável) e inversor de frequência.
Uma das possibilidades de controle está na modulação da frequência de operação do motor elétrico, tanto do compressor como do ventilador. Podendo ser reduzida gradativamente de acordo com a baixa da pressão, seja na sucção ou condensação. Um dos pontos importantes podendo ser aplicado este sistema também é o sistema de partida em rampa.
Partida em rampa por inversor de frequência se dá ao processo utilizado no ligamento do motor elétrico, sua frequência inicia-se mais baixa até que atinja sua capacidade total. Este processo proporciona uma partida suave e controlada, diminuindo o pico energético e proporcionando uma queda no consumo de energia. Outra maneira de aplicação deste método se dá pela utilização de soft starter, um dispositivo capaz de controlar tensão e corrente, permitindo um desligamento e religamento suave através da modulação de tensão, controlando os picos de consumo.
4.3 – Novo sistema de refrigeração
Compreende que, um sistema on/off possui inúmeros fatores que os desclassificam como uma solução ideal. Trabalharemos com controladores e moduladores de sinais trazendo resultados mais precisos e eficazes.
A partir de agora, passará a utilizar três unidades condensadoras capazes de suprir a demanda. Este sistema deve ser controlado por um PLC, onde seus sensores e transdutores de pressão controlam todo o processo.
O novo projeto contempla o uso de unidades condensadoras conforme indicadas no quadro 03 abaixo, exemplificando as vantagens apresentadas para aplicação deste projeto.
Quadro 02: Unidades condensadoras e suas capacidade
| Quantidade | Modelo | kW Refrigeração | kW consumo |
| 1 | LHC84/4FES-3Y | 6,25kW | 4,16kW |
| 1 | LHC64/2CES-3Y | 3,74kW | 3,07kW |
| 1 | LHC114/4FES-5Y | 12,71Kw | 5,42kW |
Fonte: Bitzer Brasil (2024).
O modelo de projeto proposto é a substituição de cinco unidades para apenas três, onde o modelo LHC84/4FES-3Y sozinho passará a atender três câmaras frigoríficas, enquanto as outras duas utilizará um sistema de um por um, sendo uma unidade por um ambiente refrigerado.
Os compressores destas unidades contam com uma tecnologia utilizada pelo fabricante, sistema Varistep, o mesmo sendo capaz de ajustar a capacidade de compressão controlando o fluxo do fluido refrigerante comprimido, possível por meio de uma válvula solenóide, capaz de regular o fluxo de deslocamento do compressor.
CRII é o sistema de regulação da capacidade mecânica para compressores de pistão BITZER. Alcança uma operação sem etapas entre 10%, 100% da capacidade do compressor bloqueando a linha de sucção. O número de cabeçotes usados com CRII pode ser definido dependendo da faixa de carga parcial necessária (por exemplo, compressor de 4 cilindros com 1 CRII pode ser operado entre 50% .. 100% da capacidade, mesmo compressor com 2 CRII pode ser operado entre 10% .. 100% da capacidade). (bitzer, Software v16)
Pode-se observar na figura 01 detalhes com relevâncias sobre a operação da válvula solenóide, agindo mecanicamente sobre o controle de capacidade impactando diretamente no fluxo de fluído refrigerante.
Figura 01: Funcionamento do Sistema Varistep.
Fonte: Bitzer; Software (2024).
Para fins de comparativos, vamos considerar o valor do kWH em R$0,70 e apresentar dados referente a este comparativo de acordo como mostra a figura de número 02 abaixo:
Figura 02: Comparativo referente ao consumo mensal e anual.
Fonte: Bitzer (2024).
Pode-se observar na figura 02 um diferencial de 16.094 KW.H, desta forma, na figura 03, observa-se a economia gerada ao alcançar este diferencial demonstrado anteriormente.
Figura 03: Gráfico comparativo referente ao consumo mensal e anual.
Fonte: Bitzer (2024).
Neste modelo o sistema de refrigeração conta com compressores de sistema Varistep, existe ainda a possibilidade de aplicação desta operação dos compressores com controle de capacidade por intermédio de um inversor de frequência, podendo ser superior ao sistema Varistep em alguns quesitos sendo um deles a partida em rampa já citada neste artigo. Na escolha pelo módulo aplicado se dá a extrema capacidade de controle por um menor custo de investimento.
Ao utilizar o sistema Varistep, podemos perder a capacidade partida em rampa e o desligamento por desaceleração, no entanto, citado anteriormente neste artigo o dispositivo soft starter. Conforme diz Amaral (2013), ele nos possibilita uma partida suave e desligamento por desaceleração. Este fenômeno pode ser observado na figura 04, onde V1 é o demonstrativo da tensão de partida e Vn é a tensão nominal do sistema, enquanto t1 refere-se ao tempo de partida, ilustrada na figura 04:
Figura 04: Partida em rampa
Fonte: Amaral (2013).
Segundo Amaral (2013), a exemplo, na figura 05 o processo é um proporcionamento de uma desaceleração gradual do motor devido à redução linear de tensão aplicada. Onde para isto, a tensão mínima de rampa e o tempo são parametrizados.
Figura 05: Desligamento por desaceleração
Fonte: Amaral (2013).
Sendo assim, compreende-se que esta é uma grande ferramenta para auxiliar na qualidade e performance deste projeto, no entanto, para fins de cálculos referente ao COP do sistema, este método foi desconsiderado, incluindo apenas a capacidade gradativa de consumo e refrigeração. Portanto, a aplicação deste dispositivo é um fator fundamental para um melhor desenvolvimento deste circuito, tendo em vista sua capacidade de controle de partida e pico de corrente.
4.4 – Impacto no COP
Para que possamos definir o impacto direto ao COP, definiremos através dos cálculos o diferencial entre o Sistema atual e o proposto:
Nosso coeficiente de desempenho integra a nossa fórmula a somatória de cada sistema como um todo. Através dos das informações retiradas dos quadros 01 e 02 notam-se que as unidades condensadoras BITZER entregam uma maior capacidade de refrigeração com um menor consumo de energia em relação ao comparada com as unidades herméticas Danfoss, impactando significativamente no COP geral, atingindo um diferencial de 0,23 kW. Compreendendo este conceito juntamente com sistema Varistep, foi alcançado os resultados demonstrados nas Figuras 02 e 03. Na Figura 04 abaixo veremos uma análise real antes e depois da aplicação de um sistema de controle de capacidade.
Figura 06: Implementação em supermercado do sistema de controle de capacidade.
Fonte: Bitzer Brasil (ano).
Através das análises realizadas pela Bitzer Brasil pode-se verificar o diferencial na aplicação do controle de capacidade, comprovando a máxima de 147 kW, redirecionando para 116 kW. Uma redução significativa alcançada após a aplicação do sistema de controle de capacidade Varistep
5 CONCLUSÃO/CONSIDERAÇÕES FINAIS
Considerando a importância do sistema de refrigeração, o estudo aborda um comparativo entre dois sistemas, onde o operante atende as necessidades solicitadas e possuem divergências as quais suas desvantagens são capazes de elevar custos operacionais e maiores consumos energéticos.
Ao analisar sobre eficiência e performance, verifica-se que são validados a capacidade do circuito em refrigeração, podendo ser aferida através do COP, onde um sistema eficiente deve ser superior ao coeficiente 01, desta forma, demonstramos a superioridade proposta neste artigo ao optarmos pela substituição do sistema atual para unidades condensadoras BITZER.
Pode-se observar a relevância em oferecer um sistema apto a atender a demanda solicitada, com atributos capazes de fornecer além de eficiência um controle estável no consumo energético. Considerando que sistemas de refrigeração são um dos maiores consumidores de energia atualmente, eleva a importância de circuitos de refrigeração capazes de minimizar este impacto, tanto financeiro quanto ambiental.
Os controles de capacidade incorporados nos compressores entregaram uma queda significativa no consumo energético, além de garantir que os compressores possam operar não somente em sua capacidade total. Dessa forma, prolongamos a vida útil do equipamento, além de reduções de custos com manutenções. No entanto, vale salientar a necessidade de manutenções preventivas nestes equipamentos, as quais devem ser operadas por mecânicos com nível de capacidade técnica em refrigeração comercial básica e avançada.
Deste modo, apresenta-se um comparativo real, onde um sistema capaz de oferecer um consumo energético 13% abaixo do utilizado atualmente. Ressaltando também sobre a utilização do soft starter neste sistema, podendo reduzir ainda mais este consumo por meio do controle de partida e desligamento.
Com este intuito, o estudo promoveu de modo claro e direto as propostas de vantagens deste upgrade, outro fator a ser considerado neste projeto, está na diminuição de unidades condensadoras, impactando diretamente nos custos de manutenções. Acredita-se que sua relevância científica norteia a habilidade de viabilizar o entendimento sobre os impactos energéticos nos circuitos de refrigeração, assim como as contribuições das ações no município de Jaru (RO).
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1 Graduando em Engenharia Elétrica – Faculdade de Educação de Jaru – FIMCA JARU. E-mail: xxx.
2 Graduando em Engenharia Elétrica – Faculdade de Educação de Jaru – FIMCA JARU. E-mail: xxx.
3 Professor Orientador. Mestre em Planejamento e Desenvolvimento Territorial – Universidade de Taubaté – UNITAU. E-mail: edymoscoso@hotmail.com.