Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica

outubro de 2023 João Pedro Figueiredo Miranda Caldas Ribeiro Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica outubro de 2023 João Pedro Figueiredo Miranda Caldas Ribeiro Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica Dissertação de Mestrado Mestrado em Engenharia Mecânica Área de especialização em Tecnologias Energéticas e Ambientais Trabalho efetuado sob a orientação do: Professor Doutor Pedro Alexandre Moreira Lobarinhas i DIREITOS DE AUTOR E CONDIÇÕES DE UTILIZAÇÃO DO TRABALHO POR TERCEIROS Este é um trabalho académico que pode ser utilizado por terceiros desde que respeitadas as regras e boas práticas internacionalmente aceites, no que concerne aos direitos de autor e direitos conexos. Assim, o presente trabalho pode ser utilizado nos termos previstos na licença abaixo indicada. Caso o utilizador necessite de permissão para poder fazer um uso do trabalho em condições não previstas no licenciamento indicado, deverá contactar o autor, através do RepositóriUM da Universidade do Minho. Licença concedida aos utilizadores deste trabalho Atribuição-NãoComercial CC BY-NC https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/ ii AGRADECIMENTOS A conclusão desta dissertação resulta no fim de uns fantásticos cinco anos de curso, repletos de muitas horas de estudo, trabalho, dedicação e força de vontade. Contudo, não posso também esquecer as excelentes memórias, amizades e convivências, aos quais não posso passar sem deixar uma especial palavra de agradecimento. Ao Professor Doutor Pedro Lobarinhas, por todos os conselhos, apoio, disponibilidade e conhecimento ao longo desta jornada, para que a minha dissertação tomasse o melhor rumo possível. À empresa JORDAO, por me receber e acolher de braços abertos, fazendo de tudo para que o meu futuro como engenheiro fosse o melhor possível. Gostaria de agradecer particularmente a orientação dada pelo Engº Eduardo Silva e pelo Engº Filipe Guimarães, não só a orientação técnica e profissional, mas também pelas histórias, momentos e memórias partilhadas. Da mesma forma, não posso esquecer também o Sr. Teixeira, com o seu característico bom humor, o Pedro Rebelo, com a sua exigência e vontade de me tornar um melhor profissional, o Carlos Pereira, a Engª Rosa Moreira, o Engº Jorge Sousa, a Tânia Oliveira e a Ana Ribeiro. Aos meus pais, Nuno e Alexandra, que sempre me proporcionaram todas as condições para atingir o meu máximo potencial e que sempre me apoiaram em todas as decisões que tomei. Ao meu irmão, Nuninho, que sempre repartiu comigo o fardo que é tirar um curso superior e que me demonstrou que se quisermos algo, temos de nos esforçar ao máximo para o atingir. A toda a minha restante família, em especial à minha tia e avós, onde podia sempre contar com uma palavra de motivação e superação extra. A todos os meus amigos família, a Natacha, o António, a Marta, a Ana, o BiGomes, o Damião, a Joana, a Inês, a Marta, o Christian, a Bia, a Inês, os gémeos e a todos aqueles que tive o privilégio de partilhar um ano de NAMecUM, a Inês, o Plácido e muitos mais! Obrigado por me aturarem, obrigado por me motivarem e obrigado por constantemente me tornarem uma pessoa melhor, sem vocês estes cinco anos não seriam tão simples. A todos, um muito obrigado! iii DECLARAÇÃO DE INTEGRIDADE Declaro ter atuado com integridade na elaboração do presente trabalho académico e confirmo que não recorri à prática de plágio nem a qualquer forma de utilização indevida ou falsificação de informações ou resultados em nenhuma das etapas conducente à sua elaboração. Mais declaro que conheço e que respeitei o Código de Conduta Ética da Universidade do Minho. iv RESUMO A refrigeração de bens alimentares é essencial na sociedade contemporânea, já que é responsável pela conservação de bens essenciais para a sobrevivência de não só qualquer economia, mas também da espécie humana. Uma das maiores preocupações de qualquer empresa deste ramo é a crescente eficiência energética, uniformização de temperaturas e maior versatilidade de equipamentos. Foi com este propósito que surgiu a proposta para a otimização dos custos de exploração de um equipamento de frio positivo, através da inércia térmica O principal desafio nesta dissertação seria a forma como se poderia adaptar um equipamento de refrigeração convencional de frio positivo, em si já extremamente eficiente, para um equipamento com um funcionamento semelhante, mas com um sistema alternativo, que tirasse partido de materiais de mudança de fase, que através do calor latente pudessem fornecer inércia térmica e complementar o ciclo de compressão a vapor tradicional. Desta forma, realizou-se uma análise ao equipamento de refrigeração em estudo, neste caso o mural Futuro 2, caraterizando todos os seus componentes termodinâmicos, de modo a entender se estes se encontravam bem dimensionados para a carga térmica que o equipamento deve suportar. De modo a entender também qual a carga térmica que prejudica o funcionamento do equipamento, estudaram-se os ganhos térmicos pela envolvente, as infiltrações resultantes de aberturas de portas, a carga térmica resultante da reposição de produto no interior do equipamento e finalmente os ganhos térmicos consequentes de equipamentos eletrónicos no local a refrigerar. Pesando tudo isto, obteve-se o valor de 495 W, sendo que este deve ser o valor de referência para o dimensionamento do evaporador e compressor do equipamento. Este valor é também essencial para o dimensionamento do depósito de água, o material de mudança de fase escolhido, a implementar nas costas do equipamento. Após a definição do protótipo, este deverá ser testado numa câmara de ensaios, com condições ambiente de 25 ºC e 60% de humidade relativa, para que se possa verificar se cumpre os requisitos estabelecidos no início do projeto. Sendo o custo do equipamento por dia o principal critério de comparação entre o equipamento inicial e o protótipo construído, os resultados obtidos foram uma poupança de 0.06€/dia de funcionamento. Palavras-Chave EQUIPAMENTO DE REFRIGERAÇÃO, FRIO POSITIVO, MATERIAIS DE MUDANÇA DE FASE, INÉRCIA TÉRMICA v ABSTRACT Refrigeration of food products is essential in contemporary society, as it is responsible for preserving essential goods for the survival not only of any economy but also of the human species. One of the main concerns of any company in this industry is the increasing energy efficiency, temperature uniformity, and greater equipment versatility. It was with this purpose that the proposal for optimizing the operating costs of a positive cold equipment arose, through thermal inertia. The main challenge in this dissertation would be how to adapt a conventional positive cold refrigeration equipment, already extremely efficient, to equipment with a similar operation but with an alternative system that takes advantage of phase change materials. Through latent heat, these materials could provide thermal inertia and complement the traditional vapor compression cycle. In this way, an analysis of the refrigeration equipment under study was carried out, in this case, the Futuro 2 multideck, characterizing all its thermodynamic components to understand if they were well-sized for the thermal load that the equipment must support. To understand the thermal load that affects the equipment's operation, gains from the surroundings, infiltrations resulting from door openings, the thermal load resulting from product replacement inside the equipment, and finally, the thermal gains from electronic equipment in the cooling area were studied. Considering all of this, a value of 495 W was obtained, which should be the reference value for sizing the evaporator and compressor of the equipment. This value is also essential for sizing the water tank, the chosen phase change material, to be implemented at the back of the equipment. After defining the prototype, it should be tested in a test chamber, with ambient conditions of 25 ºC and 60% relative humidity, to verify if it meets the requirements established at the beginning of the project. As the equipment's daily cost is the main criterion for comparison between the initial equipment and the built prototype, the results obtained were a savings of 0.06€/day of operation. Keywords REFRIGERATION EQUIPMENT, POSITIVE COLD, PHASE CHANGE MATERIALS, THERMAL INERTIA. vi ÍNDICE Agradecimentos ................................................................................................................................... ii Resumo.............................................................................................................................................. iv Abstract............................................................................................................................................... v Índice ................................................................................................................................................. vi Índice de Figuras ................................................................................................................................ ix Índice de Tabelas .............................................................................................................................. xii Lista de Símbolos .............................................................................................................................. xiii 1. Introdução .................................................................................................................................. 1 1.1. Objetivos ............................................................................................................................. 1 1.2. Empresa ............................................................................................................................. 1 1.3. Guia de Leitura.................................................................................................................... 3 2. Estado de arte, enquadramento legislativo e de mercado ............................................................. 4 2.1. Evolução histórica da refrigeração ....................................................................................... 4 2.2. Tipos de refrigeração ........................................................................................................... 6 2.2.1. Refrigeração comercial ................................................................................................ 7 2.3. Fundamentos teóricos da refrigeração ................................................................................. 9 2.3.1. Ciclo de refrigeração por compressão de vapor ideal .................................................... 9 2.3.2. Ciclo real de refrigeração por compressão de vapor ................................................... 11 2.4. Enquadramento regulamentar para equipamentos de refrigeração ..................................... 12 2.4.1. Protocolo de Quioto ................................................................................................... 12 2.4.2. Regulamento (UE) nº 517/2014 ................................................................................ 13 2.4.3. Regulamento (EU) 2019/2018 .................................................................................. 14 2.4.4. Regulamento (EU) 2019/2024 .................................................................................. 15 2.5. Enquadramento regulamentar para materiais de mudança de fase – EN 12546-3:2000 .... 16 vii 2.6. Enquadramento regulamentar para ensaios de equipamentos de refrigeração comercial .... 16 2.6.1. Laboratórios de ensaios ............................................................................................. 17 2.6.2. Ensaio de temperatura e consumo de energia ............................................................ 17 2.7. Estudo de mercado ........................................................................................................... 19 2.7.1. Mercado do consumidor e concorrência ..................................................................... 20 3. Materiais de mudança de fase ................................................................................................... 25 3.1. Classificação de materiais de mudança de fase ................................................................. 26 3.2. Critérios na escolha de um material de mudança de fase................................................... 28 3.3. Limitações dos materiais de mudança de fase ................................................................... 29 3.4. Aplicações dos materiais de mudança de fase ................................................................... 29 4. Caraterização do equipamento em estudo ................................................................................. 32 4.1. Caraterísticas Gerais ......................................................................................................... 32 4.2. Componentes termodinâmicos .......................................................................................... 34 4.2.1. Compressor DLV4.0CN .............................................................................................. 34 4.2.2. Condensador ............................................................................................................. 35 4.2.3. Ventiladores do condensador ..................................................................................... 36 4.2.4. Evaporador ................................................................................................................ 37 4.2.5. Ventilador do evaporador ........................................................................................... 38 4.2.6. Capilar ...................................................................................................................... 39 4.3. Determinação da carga térmica ......................................................................................... 40 4.3.1. Carga térmica associada a ganhos pela envolvente .................................................... 40 4.3.2. Carga térmica associada à entrada de ar ................................................................... 45 4.3.3. Carga térmica associada aos produtos ....................................................................... 48 4.3.4. Carga térmica associada a equipamentos internos ..................................................... 50 4.3.5. Balanço final ............................................................................................................. 50 5. Condições de ensaio e definição do protótipo ............................................................................ 53 5.1. Preparação dos ensaios de consumo energético e temperatura.......................................... 53 xiv pcH Potência proveniente do calor latente de fusão da água W/kg Pr Número de Prandtl - PreçokWh Preço da energia elétrica por kWh, em tarifa simples €/kWh Q 󰇗 Carga térmica sensível e latente para fluxo completamente estabelecido W Q1 󰇗 Ganhos térmicos através da envolvente W Q2 󰇗 Carga térmica associada à entrada de ar W Q3 󰇗 Carga térmica dos produtos W Q4 󰇗 Carga térmica de equipamentos eletrónicos W QT Energia térmica associada à carga de produtos kJ Q 󰇗Total Carga térmica total W Q 󰇗envidraçado Ganhos térmicos através de envidraçados W Q 󰇗iluminação Carga térmica associada à existência de iluminação W Q 󰇗ventiladores Carga térmica associada à existência de ventiladores W R1 Resistência à transferência de calor por convecção natural K/W R2 Resistência à transferência de calor por condução na chapa exterior K/W R3 Resistência à transferência de calor por condução no isolamento K/W R4 Resistência à transferência de calor por condução na chapa interior K/W Ra Número de Rayleigh - Rcond Resistência à transferência de calor por condução K/W Rconv Resistência à transferência de calor por convecção natural K/W RT Resistência total à transferência de calor K/W RT1 Resistência total à transferência de calor da parte superior do equipamento K/W T1 Temperatura de entrada do produto K xv T∞ Temperatura ambiente K Tcons Temperatura de conservação K Tfilme Temperatura de filme K Tr Temperatura de produto a atingir K Tw Temperatura da chapa exterior K U Coeficiente de transferência de calor W m2 ⁄.K Uvidro Coeficiente de transferência de calor do envidraçado W m2 ⁄.K Vglicol Volume de glicol necessário dm3 Vensaio Volume total do ensaio dm3 x Espessura do material m β Coeficiente de expansão térmica 1/K Δ t Período de funcionamento do depósito s Δ T Diferença de temperatura entre a temperatura ambiente e a temperatura de conservação K θd Período diário h θo Tempo que a porta permanece aberta s θp Tempo entre abertura e fecho da porta s ν Viscosidade cinemática m2s ⁄ ρi Massa específica do ar de infiltração kg m3 ⁄ ρr Massa específica do ar refrigerado kg m3 ⁄ xvi Siglas, abreviaturas e acrónimos ASHRAE American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers CAD Computer Aided Design CE Comissão Europeia CEE Comunidade Económica Europeia COP-3 III Conference of the Parties EDP Energias de Portugal EN European Standard EU European Union GEE Gases com efeito de estufa HFC Hidrofluorcarboneto ISO International Organization for Standardization KP Kyoto Protocol LED Díodo emissor de luz LHS Latent Heat Storage PU Poliuretano XPS Poliestireno Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 1 1. INTRODUÇÃO A presente dissertação foi desenvolvida no âmbito da Unidade Curricular Dissertação , do Mestrado em Engenharia Mecânica, no ramo de especialização de Tecnologias Energéticas e Ambientais. A dissertação foi complementada com um estágio curricular durante o segundo semestre, realizada na empresa JORDAO, permitindo ao aluno obter conhecimentos na área da refrigeração comercial, bem como em outras áreas de engenharia, relacionadas com este setor. Durante o estágio, o foco foi a implementação de materiais de mudança de fase num equipamento de refrigeração de frio positivo, tendo por objetivo conferir uma maior inércia térmica ao equipamento e dessa forma conseguir tirar partido da tarifa bihorária para operar o equipamento. 1.1. OBJETIVOS Atualmente, a sustentabilidade, a ecologia e a preocupação com o meio ambiente são temas de elevada relevância no desenvolvimento de um produto, ou equipamento, independentemente do ramo onde este se encontra. Desta forma, o mercado da refrigeração comercial não é exceção, pelo que a eficiência energética dos equipamentos de refrigeração é pertinente e deve ser o mais elevada possível, não só pelo bom funcionamento de todos os ecossistemas do planeta Terra, mas também pelos crescentes requisitos referidos nas legislações que regem este tipo de equipamentos. Assim, a presente dissertação tem como objetivo o desenvolvimento de um equipamento de refrigeração projetado para funcionar, preferencialmente, segundo uma tarifa bihorária, tirando partido da implementação dos materiais de mudança de fase para reduzir a fatura ao final do mês ao cliente. Todo o projeto será realizado com base num equipamento de referência ao nível da eficiência energética, pelo que as preocupações com este aspeto, uniformização de temperaturas e prevenção de condensações também estarão presentes. Desta forma, numa primeira fase, será estudado o equipamento existente, sendo posteriormente exploradas estratégias para a implementação de materiais de mudança de fase, o que levará à construção de um protótipo, que será ensaiado, de modo a verificar se cumpre com todos os requisitos estabelecidos como objetivos para o presente trabalho. 1.2. EMPRESA José Júlio Jordão, Lda, denominada comercialmente por JORDAO, foi fundada em Guimarães no ano de 1982 por um pequeno grupo de profissionais com elevada experiência na indústria da refrigeração Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 2 comercial liderados pelo Sr. José Júlio Jordão. Desde então inova, desenha, desenvolve e produz equipamentos de refrigeração comercial e profissional como por exemplo: vitrinas, balcões, bancadas e expositores verticais, para o retalho alimentar. O contínuo reinvestimento dos lucros obtidos potencializou o crescimento da empresa, que permitiu a internacionalização das vendas, sendo que, em 1985, a empresa assume-se como exportador direto dos produtos que fabrica. A internacionalização da empresa destaca-se como um marco histórico, já que na altura, em Portugal, não existia qualquer tradição na exportação de equipamentos de refrigeração. É de destacar o ano de 1993, onde a empresa sentiu necessidade de evoluir estrategicamente, reforçando a sua componente qualitativa, implementando um sistema de gestão de qualidade, com base na norma NP EN ISO 9002. Através da implementação deste sistema, obteve, em 1995, o certificado da qualidade. Posteriormente, no ano de 2000, foi também implementado um sistema integrado de gestão da qualidade que permite efetuar a integração de todos os processos e funções do sistema, em conformidade com a conhecida norma NP EN ISO 9001. Em 2004, investe numa câmara de ensaios, promovendo ainda mais a investigação e desenvolvimento na área da refrigeração comercial. Em 2005, o sistema de gestão ambiental da empresa foi certificado segundo a norma NP EN ISO 14001:2004 e em 2009 adotou-se o novo referencial NP EN ISO 9001:2008 na área da gestão da qualidade. Atualmente, a empresa está situada no parque industrial de São João de Ponte, em Guimarães, em quatro unidades, como apresentado na Figura 1. Conta com cerca de 250 colaboradores e a sua missão é criar, fabricar e comercializar soluções para a conservação e exposição alimentar, baseandose em valores como a orientação para o cliente, a inovação, criatividade e a ética. Figura 1: Vista aérea das quatro unidades da empresa. Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 3 1.3. GUIA DE LEITURA A presente dissertação encontra-se dividida em seis capítulos e quatrp anexos, com o objetivo de explicitar o trabalho realizado em torno do tema proposto pela JORDAO: a otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração de frio positivo através da inércia térmica. No primeiro capítulo, é apresentado o propósito desta dissertação, abordando os objetivos do trabalho, bem como uma pequena exposição acerca da empresa onde a dissertação foi desenvolvida. Posteriormente, no segundo capítulo, são abordados três grandes tópicos, sendo eles o estado de arte da refrigeração e a sua evolução tecnológica ao longo do tempo, o enquadramento regulamentar e normas relevantes no desenvolvimento de equipamentos de refrigeração. Por fim, é feita uma breve análise de mercado onde a empresa se inclui. A introdução aos materiais de mudança de fase como meio para armazenar energia térmica é realizada no terceiro capítulo, onde é possível entender de que forma se podem classificar estes materiais bem como entender quais devem ser os critérios a considerar na escolha de um material de mudança de fase para uma determinada aplicação. Adicionalmente, ainda neste capítulo, são expostas as limitações presentes neste tipo de materiais, tais como as diversas aplicações que estes materiais podem satisfazer. No quarto capítulo, é apresentado o mural Futuro 2 – 700 P CP CG, desde as suas caraterísticas gerais até à caraterização detalhada de cada componente termodinâmico presente no equipamento. É também realizada uma análise no que toca ao balanço térmico do equipamento, tendo em conta as diversas cargas térmicas presentes. As condições em que se realizaram os ensaios ao equipamento estão presentes no capítulo cinco, onde é apresentada a câmara de ensaios, sondas e equipamentos para a obtenção de resultados dos ensaios realizados. De seguida, apresentam-se também as alterações realizadas ao equipamento original, definindo um protótipo, bem como os resultados provenientes deste ensaio Por fim, no sexto capítulo, encontram-se as conclusões baseadas na análise efetuada, assim como propostas para eventuais trabalhos futuros. Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 4 2. ESTADO DE ARTE, ENQUADRAMENTO LEGISLATIVO E DE MERCADO Ao longo do presente capítulo serão apresentados diversos aspetos relevantes para a área da refrigeração comercial, nomeadamente a evolução da tecnologia implementada ao longo do tempo e os fundamentos teóricos presentes na conceção de equipamentos desta área. Adicionalmente, apresentase também um enquadramento regulamentar para equipamentos de refrigeração comercial, abordando, por exemplo, o regulamento (EU) nº 517/2014 e a norma de ensaio ISO 23953-2:2015. Finalmente, será realizado uma breve análise de mercado, estudando o mercado onde a empresa se encontra e o mercado do consumidor, bem como possíveis concorrentes. 2.1. EVOLUÇÃO HISTÓRICA DA REFRIGERAÇÃO A necessidade de refrigeração na conservação de alimentos está relacionada com dois conceitos – a atividade bacteriana desenvolve-se aproximadamente entre 5 ºC e 65 ºC, dependendo do tipo de bactéria e do teor de humidade presente no meio ambiente; o desenvolvimento de microrganismos depende do teor de humidade presente no meio [1]. Mesmo sem terem noção disto, os primeiros Homens sempre puseram em prática a refrigeração, utilizando o arrefecimento através de gelo e neve [1]. Durante a idade média, na Europa, os nobres ordenavam que buracos e trincheiras fossem preenchidas com neve, para que as suas bebidas e sobremesas pudessem ficar a uma temperatura mais reduzida, durante os meses mais quentes de verão. De certa forma, é correto afirmar que a água foi o primeiro frigorigéneo a ser utilizado, com uma utilização que se estende até aos tempos mais modernos. À medida que os anos foram passando, as técnicas para armazenar alimentos foram melhorando, contudo, a utilização de gelo como uma forma de refrigeração continua a ser muito comum nos tempos contemporâneos [2]. Um dos primeiros estudos sobre a produção de gelo de forma artificial deu-se ainda no século XVIII, em 1755, quando o professor Willian Cullen, da Universidade de Edinburgh utilizou uma bomba para baixar a pressão do éter e facilitar a sua evaporação. Durante este processo de evaporação, verificouse uma queda de temperatura do meio, o que congelou uma pequena quantidade de água. A Figura 2 demonstra o esquema da instalação criada pelo Prof. Cullen. Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 5 Figura 2: Esquema de produção de gelo artificial, criado pelo Prof. Cullen. [3] A primeira patente registada de um equipamento de refrigeração que funciona de forma cíclica foi apresentada em 1834, pelo cientista Jacob Perkins, sendo a patente britânica número 6662. A Figura 3 representa a máquina de criar gelo artificial, idealizada por Jacob Perkins. Figura 3: Ilustração da patente registada por Jacob Perkins. [3] No entanto, o primeiro equipamento que funcionava através do princípio de refrigeração por compressão mecânica apenas foi construído entre 1856 e 1857, por James Harrison, obtendo em 1856 e em 1857 as patentes britânicas 747 e 2362, respetivamente. A Figura 4 demonstra como seria a máquina de refrigeração, criada por James Harrison. [3] Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 6 Figura 4: Máquina de refrigeração por compressão mecânica, criada por James Harrison. [2] A mesma máquina criada por James Harrison foi então apresentada ao mundo numa exibição internacional em Londres, em 1862, desenvolvendo atração e curiosidade pela refrigeração. Consequentemente, começaram a surgir vários sistemas de produção de frio artificial, utilizando para tal diversos fluidos frigorigéneos [3]. O ponto de viragem para a refrigeração surgiu quando Thomas Edison descobriu a eletricidade, pelo que em 1918 surgiu o primeiro frigorífico automático, com um pequeno motor, funcionando através de energia elétrica. Esta contribuição deve-se essencialmente à empresa “Kelvinator Company”, nos Estados Unidos da América, que produziram o primeiro frigorífico em pequena escala. [3] Muito importante destacar a contribuição de Thomas Midgely, que realizou um vasto trabalho no que toca aos gases frigorigéneos fluorados, abrindo o caminho para que em 1928 estes começassem a ser aplicados nos equipamentos de refrigeração. Desde então, a indústria da refrigeração tem sido alvo de grandes desenvolvimentos, desde a aplicação dos mais variadíssimos gases frigorigéneos à busca constante pela melhoria da eficiência energética, através da implementação da tecnologia inverter , por exemplo. 2.2. TIPOS DE REFRIGERAÇÃO Os equipamentos de refrigeração são normalmente divididos em três grandes setores: a refrigeração doméstica, a refrigeração comercial e a refrigeração profissional. Embora com objetivos em comum, como a conservação de bens alimentares ou medicamentos, apresentam alguns propósitos e públicos-alvo muito diferentes. Os equipamentos de refrigeração doméstica estão presentes, tal como o nome indica, em habitações, representados maioritariamente por frigoríficos e arcas congeladoras. Os equipamentos de refrigeração comercial são equipamentos de exposição e conservação de bens Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 7 alimentares, já que apresentam na sua composição várias superfícies transparentes, com o objetivo de exposição dos produtos para venda ao público. Alguns exemplos de equipamentos de refrigeração comercial são as vitrinas, os murais e as ilhas. Tendo em conta o propósito desta dissertação, esta área da refrigeração será abordada com mais detalhe posteriormente. Finalmente, os equipamentos de refrigeração profissional, que não apresentam um propósito final de venda, mas de armazenamento de bens alimentares ou medicamentos. Bancadas e armários de refrigeração são exemplos de equipamentos que podem ser utilizados para o armazenamento de bens alimentares ou até mesmo vacinas. Figura 5: Divisão de equipamentos de refrigeração em domésticos, comerciais e profissionais [4]. 2.2.1. REFRIGERAÇÃO COMERCIAL Os equipamentos de refrigeração comercial podem ser divididos e classificados em vários tipos, sendo eles murais, vitrinas, ilhas e semimurais. As diferentes definições para cada tipo de equipamento de refrigeração estão representadas no terceiro ponto da norma ISO 23953-1:2015. Para uma melhor visualização desta classificação, a Tabela 1 apresenta os diferentes tipos de equipamentos de refrigeração comercial. É importante referir que dentro das diferentes classificações podem existir algumas variações, como a presença/ausência de portas ou, no caso particular das vitrinas, poderem Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 14 2.4.3. REGULAMENTO (EU) 2019/2018 O regulamento (EU) 2019/2018 estabelece requisitos específicos para a etiquetagem energética dos equipamentos de refrigeração com função de venda direta, de modo a fornecer informações claras e precisas aos consumidores sobre a eficiência energética desses equipamentos. A etiqueta energética que acompanha os equipamentos é apresentada na Figura 9, onde se podem observar informações como o consumo anual de energia do equipamento, o seu volume líquido dos compartimentos e a sua classe de temperatura. [9] Figura 9: Etiqueta energética presente nos equipamentos de refrigeração com função de venda direta, de acordo com o regulamento (EU) 2019/2018 [9]. Os equipamentos de refrigeração são classificados de A a G, onde cada letra corresponde a um intervalo do índice de eficiência energética, como apresentado na Figura 10. Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 15 Figura 10: Classes de eficiência energética de equipamentos de refrigeração. [9] 2.4.4. REGULAMENTO (EU) 2019/2024 O Regulamento Europeu de Conceção Ecológica 2019/2024 estabelece limites de eficiência energética para equipamentos de refrigeração comercial, com vista a eliminar produtos menos eficientes e promover a durabilidade e a reciclabilidade dos materiais. Todos os equipamentos de refrigeração no mercado devem estar em conformidade com valores específicos, tal como definido pelo Índice de Eficiência Energética (IEE). O regulamento afirma que o IEE é definido através da razão entre o consumo anual de energia do equipamento (CAE) e o seu consumo anual de energia normalizado (CAEN). O primeiro corresponde ao consumo energético diário médio do equipamento, multiplicado por 365, expresso em kWh/ano. O segundo representa um consumo de referência, de acordo com as caraterísticas do equipamento de refrigeração. [10] A Tabela 3 apresenta os valores limite do IEE impostos pelo regulamento. Tabela 3: Valores limite do índice de eficiência energética, de acordo com o regulamento (EU) 2019/2024. [10] Data Equipamento IEE [%] A partir de 1 de março de 2021 Congeladores para gelados 80 Outros aparelhos de refrigeração com função de venda direta 100 A partir de 1 de setembro de 2023 Congeladores para gelados 50 Outros aparelhos de refrigeração com função de venda direta, exceto máquinas de venda automática refrigeradas do tipo tambor 80 Da análise da Tabela 3, verifica-se que este ano, 2023, ocorreu uma redução do limite do IEE, ou seja, alguns equipamentos deixam de cumprir com os requisitos mínimos estabelecidos para poderem ser comercializados na EU. Esta tendência verificar-se-á certamente ainda mais no futuro, com requisitos cada vez mais apertados, procurando reduzir os consumos energéticos provenientes destes Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 16 equipamentos, mas também a investigação e desenvolvimento de novas soluções no setor da refrigeração comercial. 2.5. ENQUADRAMENTO REGULAMENTAR PARA MATERIAIS DE MUDANÇA DE FASE – EN 12546-3:2000 A norma EN 12546-3:2000 não tem como foco os equipamentos de refrigeração comercial, como as restantes normas abordadas. Esta norma denomina-se como “ Materials and articles in contact with foodstuffs – Insulated containers for domestic use – Part 3: Specification for termal packs” e define os requisitos que estes produtos devem cumprir, bem como os testes a que devem ser submetidos, para que possam ser comercializados. Desta forma, dado que o propósito desta dissertação passa pela aplicação de materiais de mudança de fase para tirar partido da inércia térmica num equipamento de refrigeração comercial, esta norma apresenta-se com uma elevada relevância para o presente caso de estudo. A EN 12546-3:2000 apenas abrange ice packs reutilizáveis, selados e não recarregáveis, destinados ao uso em recipientes isolados de alimentos domésticos. Não abrange ice packs para o tratamento de lesões físicas ou para o uso como recipientes de água quente. Adicionalmente, não contempla requisitos para materiais em contacto com bens alimentares, já que estes já são definidos no regulamento CE nº 1935/2004. 2.6. ENQUADRAMENTO REGULAMENTAR PARA ENSAIOS DE EQUIPAMENTOS DE REFRIGERAÇÃO COMERCIAL A legislação europeia relativa à conceção ecológica de produtos tem por base a diretiva 2009/125/CE ( eco design ), que define os requisitos de conceção ecológica dos produtos relacionados com o consumo de energia. Para que os princípios definidos nessa diretiva possam ser colocados em prática, no que toca aos requisitos aplicáveis aos equipamentos de refrigeração e de congelação para fins profissionais, foi então publicado o regulamento (UE) 2015/1095 [11]. Estando diretamente ligada com o “eco design”, embora possuindo um quadro legal específico, está a etiquetagem energética, baseada no regulamento (UE) 2017/1369. De realçar que é o regulamento (UE) 2015/1094 que dá execução a este quadro legal, que se refere aos armários refrigerados de armazenamento para fins profissionais. Esta última legislação europeia impõe que os equipamentos de frio profissional apresentem o seu consumo energético de forma normalizada [11]. Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 17 Desta forma, é imperativo que os fabricantes destes equipamentos efetuem ensaios de temperatura e de consumo energético, cujos resultados permitirão determinar qual a classe energética do equipamento e as restantes informações adicionais exigidas. Finalmente, para demonstrar que os equipamentos de frio se encontram em conformidade com a regulamentação que lhes é aplicável, devem ser aplicadas as normas indicadas pela Comissão Europeia. Estas normas têm como objetivo aproximar as condições de ensaio às de utilização real dos equipamentos, com condições de ensaio uniformes e rigorosamente definidas, aplicando regras de cálculo que permitam efetuar comparações corretas entre os diferentes produtos disponíveis no mercado. 2.6.1. LABORATÓRIOS DE ENSAIOS De acordo com os requisitos estabelecidos nas normas EN 16825 e EN ISO 23953-2, as câmaras de ensaios de grande volume, destinadas a colocar no seu interior os equipamentos sujeitos a ensaio [11] devem cumprir os seguintes requisitos: • A iluminação presente deve assegurar uma iluminância de 600 ± 100 lx, medidos a uma altura de 1 metro acima do nível do chão. O seu espetro de emissão no domínio do infravermelho não deve apresentar picos que excedam os 500 W/5 nm/lm; • As paredes e o teto devem apresentar uma emissividade entre 0.9 e 1, a uma temperatura ambiente de 25 °C; • A velocidade média do ar, medida durante 1 minuto com intervalos de amostragem inferiores a 5 s, deve estar compreendida dentre 0.1 e 0.2 m/s; • A temperatura do ar, medida em cada um dos pontos, localizados a diversas alturas e distâncias das paredes, não deve diferir mais de 2°C da temperatura estipulada para cada classe climática. Havendo requisitos térmicos extremamente apertados, deve-se ter cuidado em garantir que existe o mínimo de trocas térmicas possíveis entre o interior da câmara e o ambiente exterior. Desta forma, deve-se utilizar, nas faces verticais e no teto da câmara, painéis isolantes compostos por espuma de poliuretano rígido, com condutividade igual ou inferior a 0.03 W/m.K [11]. 2.6.2. ENSAIO DE TEMPERATURA E CONSUMO DE ENERGIA Na fase inicial do ensaio, após o condicionamento do equipamento, este é carregado com pacotes de ensaio paralelepipédicos ( M-packs) , de 500 ou 1000 gramas, constituídos por um material sintético que procura simular as caraterísticas térmicas da carne. No caso dos equipamentos abrangidos pela EN Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 18 16825, o enchimento poderá também ser completado com pacotes de 125, 250 ou 375 gramas. Para a monitorização da temperatura, alguns dos pacotes de ensaio de 500 gramas são instrumentados com sensores de temperatura, colocados no seu centro geométrico [11]. Para a colocação dos pacotes de ensaio, deve-se seguir um plano de carga específico de cada equipamento, tendo em conta os limites de carga estipulados pelo fabricante. As Figuras 12 a 27 da norma ISO 23953-2:2015 demonstram como devem ser colocados os pacotes de ensaio, em diferentes tipos de equipamentos [12]. Após a colocação dos pacotes de ensaio no interior do equipamento e de se atingirem as condições de estabilidade de temperatura previstas de acordo com a norma durante 24 horas, são iniciados os registos de temperatura e de consumo energético. De acordo com as caraterísticas do equipamento (presença de portas, gavetas, existência de iluminação, entre outros), os ensaios abrangem diversas condições funcionais. No final do ensaio, é importante analisar o gráfico de variação de temperatura dos pacotes de ensaio e entender como se pode classificar o equipamento. Na norma ISO 23953-2:2015, na tabela 1 do ponto 4.2.2, é possível observar as diferentes classes de temperatura. A Figura 11 apresenta as classes climáticas previstas para os equipamentos de refrigeração, bem como os limites de temperatura (máxima e mínima) dos pacotes de ensaio. Por exemplo, caso o equipamento seja classificado como M1, todos os pacotes de ensaio devem ter temperaturas compreendidas entre -1 e 5 ºC, durante o seu funcionamento. Figura 11: Classes de temperatura previstas na ISO 23953-2:2015 [12]. De forma semelhante, o equipamento deve ser projetado para funcionar a uma determinada temperatura, bem como uma dada humidade presente no meio ambiente. Estas temperaturas e humidades também estão previstas na ISO 23953-2:2015, na Tabela 3, no ponto 5.3.1.3.1. A Figura 12 Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 19 demonstra quais as classes climáticas previstas na ISO 23953-2:2015. Neste caso, é de destacar a classe climática 3, já que é a classe para o qual o equipamento em estudo foi dimensionado e testado. Figura 12: Classes climáticas previstas na ISO 23953-2:2015 [12]. Para a monitorização do consumo de energia elétrica, é feito um registo contínuo, após o período inicial de estabilização. Desta forma, obtém-se o consumo energético ao longo de 24 horas, sendo então posteriormente possível extrapolar para o consumo anual de energia, que será comparado com o consumo anual de energia de referência, em kWh/ano, para se estabelecer então o índice de eficiência energética do equipamento [11]. O Quadro I do Anexo II do regulamento de Etiquetagem Energética 2019/2018 define as classes de eficiência energética para equipamentos de refrigeração comercial, como apresenta a Figura 10. 2.7. ESTUDO DE MERCADO Para realizar um estudo de mercado, optou-se por efetuar uma análise ao número de estabelecimentos de comércio por grosso e a retalho, onde se incluem hipermercados, supermercados, talhos, entre outros estabelecimentos. Nestes locais, observa-se com bastante frequência a presença de um ou mais equipamentos de refrigeração, pelo que para o presente estudo de mercado se irá assumir que o crescimento dos estabelecimentos de comércio a grosso ou a retalho implicará também um crescimento do setor das empresas fabricantes de equipamentos de refrigeração profissional. A Figura 13 demonstra de que forma o número de estabelecimentos de comércio por grosso e a retalho evoluiu ao longo dos últimos 30 anos em Portugal. Destaca-se a tendência ascendente nos anos 90, com o pico de estabelecimentos a ser atingido em 2004, mantendo-se em valores semelhantes até 2008/2009, altura em que Portugal sentiu uma crise económica. De 2010 para a frente, o mercado tem Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 20 vindo a acalmar, com pouca oscilação de ano para ano, existindo em 2021 cerca de 215 000 estabelecimentos deste setor [13]. Figura 13: Evolução do comércio por grosso e a retalho em Portugal [13]. Havendo a estabilização do número de instalações de comércio por grosso e a retalho, o produto que mais se destacará é aquele que se apresenta como mais inovador e diferenciado, com as melhores caraterísticas e com o menor preço possível. Desta forma, a aposta da JORDAO na procura de um equipamento com uma elevada inércia térmica com recurso a materiais de mudança de fase de modo a melhorar a sua eficiência energética, esperando que o mesmo se revele como uma escolha acertada para o futuro da empresa. 2.7.1. MERCADO DO CONSUMIDOR E CONCORRÊNCIA Tratando-se de um equipamento de refrigeração alternativo, com a presença de armazenamento de energia térmica, o público-alvo será o mesmo dos equipamentos de refrigeração convencionais, ou seja, todos os estabelecimentos que necessitem de preservar os seus alimentos, recorrendo a baixas temperaturas para o fazer. Desta forma, destacam-se mais uma vez os hipermercados, supermercados, mercearias, minimercados, talhos, entre outros. A utilização de materiais de mudança de fase é algo que se encontra numa fase embrionária, pelo menos em Portugal. Assim, caso a JORDAO comece a implementar estas soluções nos seus equipamentos seria pioneira em Portugal, pelo menos à data em que se realizou este documento. Contudo, no contexto internacional, já existem algumas aplicações de materiais de mudança de fase em equipamentos de refrigeração, como é o caso da ifi , uma empresa italiana. [14] A empresa ifi implementou numa das suas vitrinas de gelado, ou seja, de frio negativo, denominada Jolly , uma tecnologia a que a empresa chamou de hybrid cooling technology . Esta solução Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 21 garante uma refrigeração contínua, mesmo em ciclos de descongelação. Isto previne variações da temperatura, não alterando a qualidade dos gelados expostos na vitrina [14]. Quando o compressor se encontra ligado, a vitrina funciona de acordo com um ciclo de compressão de vapor convencional. A única diferença é a presença de materiais de mudança de fase por cima do evaporador, que estão a ser arrefecidos quando o compressor se encontra ligado. Quando a vitrina entra em ciclo de descongelação, ou quando ocorre uma falha na rede, por exemplo, os materiais de mudança de fase garantem que a temperatura dos gelados se mantenha, por um determinado tempo, até que o ciclo de descongelação termine, ou que a rede de energia volte ao normal. A Figura 14 representa o funcionamento da vitrine Jolly , bem como o local de posicionamento dos materiais de mudança de fase, representados pelo acumulador [14]. Figura 14; Esquema representativo da Hybrid Cooling Technology [14] . Outra empresa, a ES SYSTEM K, polaca, optou por implementar materiais de mudança de fase nas prateleiras dos seus equipamentos de frio negativo, como se pode observar na Figura 15. Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 22 Figura 15: Shelf cooler , uma prateleira onde é possível observar a presença de materiais de mudança de fase no seu interior [15]. Estas novas prateleiras funcionam essencialmente como um banco de inércia térmica, com o material de mudança de fase no seu interior, capaz de absorver o calor proveniente dos bens alimentares nos momentos mais críticos. Funciona com base no calor latente da mudança de fase, permitindo que os bens alimentares sejam mantidos à temperatura pretendida com maior facilidade e garantem que, mais uma vez, no caso de falha de algum componente ou na presença de um ciclo de descongelação, a temperatura dos produtos se mantenha homogénea [15]. A empresa FREECOLD foi mais além na implementação de materiais de mudança de fase, combinando-os com painéis solares fotovoltaicos em dois dos seus produtos. O FREECOLD RSI-180 está diretamente conectado ao painel fotovoltaico, sem qualquer bateria ou outros componentes eletrónicos, com um custo elevado e com uma vida útil limitada. Algumas caraterísticas relevantes do equipamento são: • Volume para produtos: 155 dm3; • Consumo anual de energia: 40 kWh/ano; • Amplitude de temperatura ambiente: 10 ºC/43 ºC; • Frigorigéneo: R134a; • Potência frigorífica: 75 W; • Dimensões: 890x870x685 mm A ficha técnica do equipamento não apresentava nenhuma informação acerca da sua classe de temperatura, ou seja, não se sabe se este é um equipamento de frio positivo ou negativo. Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 23 O seu princípio de funcionamento baseia-se na utilização da energia proveniente da fonte solar para alimentar o grupo compressor, que irá refrigerar o espaço interior do equipamento, resultando na solidificação dos materiais de mudança de fase, localizados junto ao evaporador. Ao conjunto de materiais de mudança de fase e evaporador a empresa chama de FREECOLD Ecotainer . A solidificação dos materiais de mudança de fase é o que permite a refrigeração no interior do equipamento, por exemplo durante a noite ou então em dias sem significativa presença solar. Isto permite que o equipamento possa funcionar durante 3 a 4 dias, dependendo da temperatura ambiente [16]. Na Figura 16, é possível observar o equipamento em questão, bem como a localização dos materiais de mudança de fase. Figura 16: Localização dos materiais de mudança de fase no interior do FREECOLD RSI-180 [16] . O FREECOLD FrigoMobile é uma variação do FREECOLD RSI-180, no sentido em que a empresa adaptou o equipamento inicial para ser um carrinho de rua, onde é possível vender bebidas ou outros produtos que necessitem de refrigeração. Este equipamento aplica o mesmo princípio de funcionamento e caraterísticas gerais mencionadas no FREECOLD RSI-180, com uma maior versatilidade, apresentando até um kit USB para carregar dispositivos eletrónicos, graças à presença de um módulo fotovoltaico de 275 W. A Figura 17 demonstra o equipamento em questão [16]. Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 30 que tenha sido mantida a uma temperatura constante [23]. Um dos maiores desafios para manter esta temperatura constante passa pelas embalagens e pelos cuidados com o transporte de bens alimentares, sendo que nestas áreas, os materiais de mudança de fase apresentam-se como uma ótima solução para combater este problema. A aplicação de materiais de mudança de fase em equipamentos de refrigeração comercial apresenta inúmeras vantagens, tais como a possibilidade de tirar partido de um regime de tarifa bi horária, aumentando o consumo de energia durante períodos onde esta é mais barata e constituir uma inércia térmica nesse período. Desta forma, é então possível satisfazer a necessidade de refrigeração durante o dia, sem que se consuma tanta energia elétrica a um preço mais elevado. Outra consequência da utilização desta tecnologia é a estabilização do consumo energético durante o dia, já que será necessária uma menor quantidade de energia, reduzindo a possibilidade da ocorrência de picos. Adicionalmente, o uso de painéis fotovoltaicos apresenta-se como uma grande oportunidade para complementar o uso desta tecnologia. Com o uso de materiais de mudança de fase, é possível armazenar a energia solar extra, para que possa ser utilizada mais tarde, quando a presença de luz solar não se verificar, por exemplo. Consequentemente, é possível uma gestão da rede elétrica, aliviando todo o uso da mesma, caso o uso/armazenamento da energia se realize de forma correta. Finalmente, a fiabilidade do equipamento de refrigeração será muito superior, já que será possível manter os produtos no seu interior a uma temperatura constante, no caso de falha de abastecimento, ou que um componente avariado seja substituído, por exemplo [18]. Para a implementação desta tecnologia, existem três cenários possíveis: armazenamento total , armazenamento parcial com nivelamento de carga e armazenamento parcial com limitação de carga [18]. Os três cenários encontram-se representados na Figura 20. Figura 20: Três cenários possíveis para a implementação de materiais de mudança de fase num equipamento de refrigeração: (a) armazenamento total; (b) Armazenamento parcial com nivelamento de carga; (c) Armazenamento parcial com limitação de carga [18]. Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 31 No primeiro cenário, armazenamento total, os materiais de mudança de fase conseguem satisfazer toda a necessidade de refrigeração, mesmo quando se atinge o pico desta necessidade - Figura 20 (a). Contudo, para que os materiais de mudança de fase voltem novamente à fase sólida, é necessário que exista um sistema com alta potência de refrigeração. No segundo cenário, armazenamento parcial com nivelamento de carga , o sistema de refrigeração e os materiais de mudança de fase são dimensionados de forma que o próprio equipamento de refrigeração opere a uma carga quasi constante, durante o dia. No terceiro cenário, armazenamento parcial com limitação de carga , os materiais de mudança de fase são dimensionados para que o consumo energético do equipamento não ultrapasse um determinado valor, por exemplo para evitar uma tarifa extra de eletricidade. Geralmente, os dois últimos cenários são os mais utilizados, já que se torna difícil prever qual será a necessidade de refrigeração máxima de um determinado equipamento, a uma determinada altura do dia [18]. Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 32 4. CARATERIZAÇÃO DO EQUIPAMENTO EM ESTUDO O equipamento de refrigeração em estudo na presente dissertação é o mural Futuro 2 – 700 P CP CG HE, de frio positivo, com grupo compressor/condensador incorporado, com portas, equipado com um compressor de velocidade variável. Trata-se de um dos equipamentos de referência da JORDAO, destacando-se no portal topten.pt como o expositor líder na eficiência energética. Figura 21: Mural Futuro 2 - 700POS CG CP HE . 4.1. CARATERÍSTICAS GERAIS O mural Futuro 2 é um equipamento de refrigeração vertical que pode ser construído com diferentes configurações. Pode variar o seu comprimento, desde a configuração mais reduzida, com 937 mm até à maior, com 3750 mm. Pode ser construído com o grupo termodinâmico embutido ou então remoto. Pode também ser configurado ao nível do tipo de portas, de decorações externas, entre outras caraterísticas. A Figura 22 demonstra um excerto da brochura do produto, representando apenas as configurações possíveis para equipamentos com 700 mm de profundidade, embora o modelo possa ter outra variante, com 900 mm de profundidade. Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 33 Figura 22: Configurações possíveis para o modelo Futuro 2, com 700 mm de profundidade. A Tabela 5 apresenta características gerais relevantes do equipamento em estudo. É de destacar o seu reduzido consumo energético, e consequente baixo custo em eletricidade, a sua classe energética e a sua área total de exposição. Tabela 5: Propriedades relevantes do equipamento em estudo. Propriedade Unidade Valor Dimensões (sem laterais) [mm] 1250 Altura [mm] 2085 Profundidade [mm] 820 Superfície de Exposição [m2] 3.01 Volume de carga [L] 770 Peso líquido [kg] 338 Peso bruto [kg] 363 Temperaturas de funcionamento [ºC] -1/+5 Classe climática [-] 3 Classe de temperatura [-] M1 Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 34 Tabela 5: Propriedades relevantes do equipamento em estudo. Propriedade Unidade Valor Carga R290 [kg] 0.150 Capilar [mm] Comprimento: 1800; Diâmetro: 1.2 Compressor [-] VESA7U Ventiladores do condensador [-] IQ3612 Ventiladores do evaporador [-] W1G200-EC87-25 Produção Frigorífica [W] 1000 Consumo energético [kWh/ano] 1108.10 Índice de eficiência energética [-] 8.8 Classe energética [-] A Alimentação [V~Hz] 230~50 Torna-se importante mencionar que as caraterísticas supramencionadas são correspondentes ao mural Futuro 2 que é normalmente comercializado pela JORDAO. Para a implementação de materiais de mudança de fase para tirar partido da inércia térmica, os componentes termodinâmicos iniciais são diferentes, sendo que serão apresentados e caraterizados no seguinte subcapítulo. 4.2. COMPONENTES TERMODINÂMICOS Neste subcapítulo, serão apresentados os componentes termodinâmicos mais relevantes, presentes no equipamento de refrigeração em estudo. 4.2.1. COMPRESSOR DLV4.0CN O compressor aplicado no equipamento é o compressor DLV4.0CN, da marca SECOP, tratandose de um compressor de velocidade variável, ou seja, o compressor encontra-se aliado a um inversor de frequência, que regula a rotação do motor por meio da frequência e de tensões variáveis. Desta forma, a velocidade do motor é ajustada automaticamente conforme a necessidade de compressão, pelo que estes sistemas são mais eficientes do que os convencionais on/off . Na Tabela 6, encontram-se as caraterísticas gerais do compressor presente no mural. Tabela 6: Caraterísticas gerais do compressor presente no equipamento em estudo. Propriedade Unidade Valor Frequência [Hz] 50/60 Tensão [V] 220-240 Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 35 Tabela 6: Caraterísticas gerais do compressor presente no equipamento em estudo. Propriedade Unidade Valor Frigorigéneo [-] R290 Temperatura de evaporação [°C] -35 - 7.2 Temperatura máx. de condensação [°C] 60 Deslocamento [cm3] 4.00 Peso [kg] 7.8 Capacidade frigorífica (-10 °C; 4500 rpm; 45 °C) [W] 491 Consumo energético (-10 °C; 4500 rpm; 45 °C) [W] 209 É possível observar o compressor aplicado no mural em estudo, na Figura 23. Figura 23: Conjunto compressor, indicado através da seta vermelha, e inversor, indicado através da seta azul. 4.2.2. CONDENSADOR O condensador tem como função rejeitar o calor presente no frigorigéneo para o meio ambiente. Neste caso, o condensador presente no mural em estudo é da marca Centauro, representado na Figura 24. Este condensador apresenta uma capacidade de rejeição de calor de 900 kW, para uma diferença de temperatura de 15°C. Neste caso, o condensador apresenta caraterísticas ligeiramente diferentes de um condensador convencional, dado que este não apresenta alhetas. Esta caraterística confere-lhe um pior rendimento de permuta de calor, contudo, a sua manutenção é facilitada, já que é um componente sujeito a ficar obstruído, devido à presença de pós e outras substâncias. Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 36 Figura 24: Condensador do mural Futuro 2. É importante destacar algumas caraterísticas do condensador, estando apresentadas na Tabela 7. Tabela 7: Caraterísticas gerais do condensador presente no mural Futuro 2. Propriedade Unidade Valor Potência [W] 900 Número de circuitos [-] 1 Frigorigéneo [-] R290 Diâmetro do tubo [mm] 5 Material [-] Cobre Temperatura de condensação [ºC] 45 Diferença de temperatura no evaporador [ºC] 15 4.2.3. VENTILADORES DO CONDENSADOR Tratando-se de um condensador sem alhetas, a presença de ventiladores torna-se ainda mais relevante, para que a eficiência de transferência de calor entre o frigorigéneo e o ar seja superior. Desta forma, a JORDAO optou por utilizar três ventiladores M4Q045-BD01, acoplados ao condensador, de modo a induzir uma ventilação forçada. Na Tabela 8, é possível observar caraterísticas relevantes do modelo de ventilador utilizado. Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 37 Tabela 8: Caraterísticas dos ventiladores M4Q045-BD01. Propriedade Unidade Valor Frequência [Hz] 50 Tensão [V] 230 Potência consumida [W] 29 Caudal [m3/h] 230 Rotações [rpm] 1300 Classe de proteção [-] IP42 Classe de isolamento [-] B Fabricante [-] Ebmpapst Modelo [-] M4Q045-BD01 Hélice [mm] 172 [°] 34 A Figura 25 representa os três ventiladores utilizados, acoplados ao condensador. Figura 25: Ventiladores M4Q045-BD01, aplicados junto ao condensador. 4.2.4. EVAPORADOR O evaporador tem como função retirar calor do local a refrigerar, para que o frigorigéneo o possa transportar, sendo rejeitado posteriormente no condensador. O evaporador presente no mural Futuro 2 é constituído por um circuito em tubo de cobre, com um diâmetro de 9.53 mm. No total, este circuito apresenta 12 tubos, sendo estes alhetados em alumínio, com um espaçamento entre alhetas de 6.35 mm. Apresenta uma altura de 115 mm e uma profundidade de 95 mm, sendo que o espaçamento entre Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 38 espelhos é de 1000 mm. Neste equipamento, o evaporador encontra-se situado por trás da caixa de ventiladores, por baixo das prateleiras. 4.2.5. VENTILADOR DO EVAPORADOR À semelhança do que é realizado no condensador, também se opta pela utilização de um ventilador para uma melhoria na permuta de calor entre o espaço a refrigerar e o frigorigéneo, bem como uma distribuição mais uniforme do ar. O ventilador utilizado é um W1G200-EC91-45, da marca Ebmpapst, onde as caraterísticas são apresentadas na Tabela 9. Tabela 9: Caraterísticas do ventilador do evaporador. Propriedade Unidade Valor Frequência [Hz] 50/60 Tensão [V] 230 Potência consumida [W] 31 Caudal [m3/h] 750 Rotações [rpm] 2100 Classe de proteção [-] IP55 Classe de isolamento [-] B Fabricante [-] Ebmpapst Modelo [-] W1G200-EC91-45 A Figura 26 apresenta a localização da ventilação do evaporador no equipamento, bem como a vista superior do ventilador. Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 39 (a) (b) Figura 26: Vistas de pormenor do equipamento: (a) Ventilador W1G200-EC91-45, localizado imediatamente abaixo das prateleiras e antes do evaporador. (b) Vista superior do ventilador. O conjunto ventilador e evaporador, nas condições supramencionadas, perfaz uma potência de 490 W. 4.2.6. CAPILAR O tubo capilar é um tubo de diâmetro interno reduzido, responsável por promover a queda de pressão entre a linha de alta pressão e a linha de baixa pressão. Neste caso particular, o capilar é de cobre, com um diâmetro interno de 1.5 mm e 2 metros de comprimento. A Figura 27 apresenta o tubo capilar utilizado no equipamento. Figura 27: Aspeto do tubo capilar usado no mural. Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 46 de ar é prejudicial para o bom funcionamento do equipamento de refrigeração, já que este apresenta uma carga de calor sensível, mas também uma carga de calor latente. Em vários casos, pode representar cerca de 1/3 da carga térmica total e é função das temperaturas envolvidas, o número de portas, a geometria das mesmas e o tempo e frequência de abertura das portas. Contudo, por ser função de tantas variáveis, a determinação do valor das infiltrações não é de todo simples [24]. Para a determinação da carga térmica, seguiu-se o modelo ASHRAE [25], onde o ganho de calor devido às trocas de ar através da abertura de portas, em kW, é dado pela seguinte equação: 𝑄󰇗2=𝑄󰇗.𝐷𝑡.𝐷𝑓.(1−𝐸) (13) Onde: 𝑄󰇗 - Carga térmica sensível e latente para fluxo completamente estabelecido [W]; 𝐷𝑡 - Fração de tempo de abertura das portas; 𝐷𝑓 - Fator de fluxo da porta; 𝐸 - Efetividade do sistema de proteção da porta. A carga térmica sensível e latente, 𝑄󰇗, pode ser calculada através da seguinte equação: 𝑄󰇗=0.221.𝐴𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎.(ℎ𝑖−ℎ𝑟).𝜌𝑟.(1−𝜌𝑖 𝜌𝑟)0,5.(𝑔.𝐻)0,5.𝐹𝑚 (14) Onde: 𝐴𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎 - Área da porta [m2]; ℎ𝑖 - Entalpia do ar de infiltração (ar externo) [kJ/kg]; ℎ𝑟 - Entalpia do ar refrigerado [kJ/kg]; 𝜌𝑖 - Massa específica do ar de infiltração [kg/m3]; 𝜌𝑟 - Massa específica do ar refrigerado [kg/m3]; 𝑔 - Aceleração da gravidade [m2/s]; 𝐻 - Altura da porta [m]; 𝐹𝑚 - Fator de densidade, dado pela seguinte equação: 𝐹𝑚=[ 2 1+(𝜌𝑟𝜌𝑖 ⁄ )1 3 ⁄]1,5 (15) O fator de tempo de abertura das portas pode ser calculado através da equação seguinte: 𝐷𝑡=(𝑃.𝜃𝑝+𝜃𝑜.60) 3600.𝜃𝑑 (16) Onde: Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 47 𝑃 - Número de aberturas das portas; 𝜃𝑝 - Tempo entre abertura e fecho das portas [s]; 𝜃𝑜 - Tempo em que as portas permanecem abertas [s]; 𝜃𝑑 - Período de um dia [24h]; O fator de fluxo da porta, Df, é a relação entre a troca de ar real e a troca de fluxo completamente desenvolvido. Este último apenas ocorre quando a porta fica aberta para uma grande sala ou para o exterior, não sendo obstruído por objetos como pilhas de produto, entre outros. Nestas condições o valor de Df é igual a 1. Em condições normais, semelhantes ao do caso de estudo, o valor fica situado entre 0.7 e 0.8 [25]. A efetividade dos dispositivos de proteção da porta E, tais como portas automáticas rápidas, vestíbulos, cortinas plásticas e cortinas de ar ficam entre 0.7 a 0.95. Para portas sem nenhum dispositivo de proteção, E assume o valor de 0 [25]. Para que seja possível o cálculo da carga térmica associada à entrada de ar nas portas do mural, foram consideradas as seguintes propriedades do ar, apresentadas na Tabela 13. Tabela 13: Propriedades do ar consideradas. T [ºC] HR [%] ρ [kg/m3] h [kJ/kg] Temperatura ambiente 25 60 1.17 55.45 Temperatura zona refrigerada 0 60 1.291 5.64 As restantes variáveis encontram-se representadas na Tabela 14. É importante referir que os valores adotados estão de acordo com a norma ISO 23953-2:2015. Por exemplo, considerou-se que o mural é utilizado durante 12 horas, sendo aberto 10 vezes por hora, perfazendo um total de 120 aberturas. Adicionalmente, considerou-se que a porta demora 1.5 segundos para abrir e 1.5 segundos para fechar, perfazendo um θp igual a 3 segundos. De forma semelhante, a norma prevê que a porta deve ficar aberta durante 13 segundos, logo θo=13 s. Tabela 14: Valores assumidos, de acordo com ISO 23953-2:2015 Variável Definição Unidade Valor 𝑃 Número de aberturas das portas [-] 120 𝜃𝑝 Tempo entre abertura e fecho das portas [s] 3 𝜃𝑜 Tempo que as portas permanecem abertas [s] 13 𝜃𝑑 Período de um dia [h] 24 Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 48 Para o cálculo final, é também necessário determinar quais as dimensões das portas, pelo que mais uma vez se utilizou o software Creo View Express 9.1. A Tabela 15 apresenta as dimensões das portas do equipamento. Tabela 15: Dimensões das portas do equipamento. Variável Unidade Valor Altura da porta [m] 1.691 Comprimento da porta [m] 0.614 Área de uma porta [m2] 1.038 Número de portas [-] 2 Área total [m2] 2.076 Finalmente, são então apresentados quais os valores para cada incógnita apresentada, utilizando as equações (13) a (16), na Tabela 16. Tabela 16: Carga térmica associada à entrada de ar. Variável Definição Unidade Valor 𝐷𝑡 Fração de tempo de abertura das portas [-] 0.0043 𝐹𝑚 Fator de densidade [-] 0.9755 𝑄󰇗 Carga térmica sensível e latente para fluxo completamente estabelecido [W] 35.89 𝑄󰇗2 Carga térmica associada à entrada de ar [W] 37.21 4.3.3. CARGA TÉRMICA ASSOCIADA AOS PRODUTOS Num contexto de utilização real, o mural é carregado com bens alimentares, como carne e iogurtes. Contudo, numa situação de teste, como é o caso, é carregado com pacotes de ensaio ou MPacks , que simulam o comportamento térmico de artigos reais. A Figura 30 apresenta um pacote de ensaio. Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 49 Figura 30: Pacote de ensaio. Para carregar o mural com estes pacotes de ensaio, são necessários cerca de 300 pacotes de 1 kg, cuja composição é 76.42% de água e 23.58 % de elementos que simulam substâncias orgânicas [12]. Quando um produto é parcialmente constituído por água (a) e substâncias orgânicas, o calor específico será determinado através de uma média pesada, apresentada na equação seguinte: 𝑐𝑝1 =(4.18(%𝑎)+1.7(%𝑏)) 100 (17) Desta forma: 𝑐𝑝1 =(4.18 .76.42+ 1.7 .23.58) 100 =3.59 𝑘𝐽/𝑘𝑔.𝐾 Para o cálculo dos ganhos térmicos associados à carga de produtos é utilizada a seguinte equação: 𝑄𝑇=𝑚𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜.𝑐𝑝1.(𝑇1−𝑇𝑟) (18) Onde: QT – Ganhos térmicos associados à carga de produtos [kJ]; mproduto - Massa de produtos carregados [kg]; cp1 - Calor específico dos pacotes de ensaio [kJ/kg.K]; T1 - Temperatura de entrada do produto [K]; Tr - Temperatura do produto a atingir [K]. Para efeitos de cálculo, considerou-se que a temperatura de entrada do produto são 10 ºC, já que é a temperatura que a JORDAO aconselha aos clientes e que existe uma renovação de produtos do mural de 10% por cada 2 horas. O mural apresenta uma área de exposição total correspondente a 300 pacotes de ensaio, pelo que uma reposição de produto representa 30 pacotes de ensaio, ou seja, 30 kg. Desta forma: 𝑄𝑇=30×3.59×(283.15−278.15)=538.5 𝑘𝐽 Sendo o período de reposição igual a 12 horas, então ocorrerão 6 reposições por dia, o que resulta em: Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 50 𝑄𝑇=6 × 538.5=3231 𝑘𝐽 Considerando que serão necessárias cerca de 18 horas para arrefecer os pacotes de ensaio desde 10 ºC até 5 ºC, então o ganho térmico é o seguinte: 𝑄󰇗3= 3231 18×3600=49.86 𝑊 4.3.4. CARGA TÉRMICA ASSOCIADA A EQUIPAMENTOS INTERNOS A restante carga térmica que será necessário considerar para o balanço térmico do equipamento é aquela que está relacionada com a presença de equipamentos internos, como ventiladores e iluminação. Neste caso, o equipamento de refrigeração apresenta um ventilador do evaporador, com uma potência de 31 W e uma lâmpada LED, com uma potência de 3.8 W. Apesar de não ser verdade, considera-se que toda a potência elétrica consumida, tanto pelo ventilador como pela iluminação, é transformada em energia térmica, através do efeito de Joule. Desta forma, tem-se: 𝑄󰇗4=𝑄󰇗𝑣𝑒𝑛𝑡𝑖𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟𝑒𝑠 +𝑄󰇗𝐼𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑎çã𝑜 (19) O que resulta em: 𝑄󰇗4=31+3.8=34.80 𝑊 4.3.5. BALANÇO FINAL Como referido anteriormente, o balanço térmico do equipamento pode ser obtido através da equação (1). Na Tabela 17, é possível observar um pequeno resumo das várias cargas térmicas presentes no equipamento, bem como o valor final obtido para o balanço térmico. Tabela 17: Resumo do balanço térmico do equipamento. Componente Unidade Valor Carga térmica associada a ganhos pela envolvente superior [W] 5.55 Carga térmica associada a ganhos pela envolvente traseira [W] 36.76 Carga térmica associada a ganhos pela envolvente inferior [W] 11.90 Carga térmica associada a ganhos pela envolvente lateral esquerda [W] 89.20 Carga térmica associada a ganhos pela envolvente lateral direita [W] 89.20 Carga térmica associada a ganhos pela envolvente frontal [W] 140.17 Carga térmica associada à entrada de ar [W] 37.21 Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 51 Tabela 17: Resumo do balanço térmico do equipamento. Componente Unidade Valor Carga térmica associada aos produtos [W] 49.86 Carga térmica associada a equipamentos internos [W] 34.80 Total [W] 494.65 Na Figura 31 apresenta-se um gráfico circular, onde é possível observa o peso relativo de cada componente para o balanço térmico final do equipamento. Figura 31: Representação do peso relativo de cada uma das componentes nos ganhos térmicos do mural. Da análise da Figura 31, verifica-se que os ganhos térmicos através da envolvente frontal são a componente com mais peso, com cerca de 28%, devido à envolvente frontal ser apenas constituída por vidro duplo, com um coeficiente de transferência de calor elevado (2.7 W/m2.K), quando em comparação, por exemplo com a envolvente traseira (0.71 W/m.K). De forma semelhante, as envolventes laterais totalizam 36% dos ganhos térmicos do equipamento, precisamente também por serem constituídas por um vidro duplo com um coeficiente de transferência de calor similar (2.8 W/m2.K). De notar que os ganhos através da envolvente representam uma grande porção de todos os ganhos térmicos, cerca de 79%. É também relevante afirmar que a contribuição da carga térmica associada aos produtos (10%) é reduzida por se ter considerado 6 reposições no período de funcionamento diário do equipamento. Num Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 52 dia onde exista a necessidade de repor mais produto, esta componente terá um impacto muito mais significativo. Após realizado o balanço térmico, conclui-se que seria necessária uma potência de refrigeração de cerca de 500 W. Este valor é muito relevante para o dimensionamento do evaporador, já que será este componente o responsável por retirar esta energia térmica de dentro do equipamento. Neste mural, o evaporador apresenta uma potência de 490 W, pelo que o coeficiente de segurança está muito perto de 1 (cerca de 0.99). Tendo em conta este valor de coeficiente de segurança, devem-se ter em atenção aspetos como a obstrução de alhetas por gelo, já que desta forma será impossível refrigerar os produtos no seu interior. É importante também referir que o mural não deveria ser comercializado desta forma, já que o coeficiente de segurança é próximo de 1. Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 53 5. CONDIÇÕES DE ENSAIO E DEFINIÇÃO DO PROTÓTIPO Neste capítulo, serão primeiramente apresentadas as condições em que será feito o ensaio de consumo energético e o ensaio de temperaturas com os pacotes de teste, com o equipamento original, caraterizado previamente no capítulo 4.2. De seguida, apresentar-se-ão as diferentes alterações realizadas no equipamento, para que seja possível implementar materiais de mudança de fase na sua estrutura. 5.1. PREPARAÇÃO DOS ENSAIOS DE CONSUMO ENERGÉTICO E TEMPERATURA Para manter as condições climáticas controladas é necessária uma câmara climática, onde os equipamentos possam ser ensaiados de acordo com condições rigorosas. Esta câmara é um compartimento isolado, com controlo da temperatura que permite a realização de ensaios a temperaturas controladas entre os 10 ºC e os 50 ºC, com uma variação de ± 0.5 ºC. A humidade relativa pode também ser regulada entre os 30 % e os 90 %, com uma incerteza de ± 3 ºC, bem como a velocidade do escoamento do ar, que varia entre os 0 e os 0.3 m/s. A Figura 32 apresenta uma vista do exterior da câmara de onde foram realizados os ensaios. Figura 32: Aspeto exterior da câmara de ensaios climatizada. De acordo com a norma ISO 16825, antes do início do ensaio, o equipamento é colocado vazio, em funcionamento, pelo menos 24 horas à tensão de 230 V e à frequência de 50 Hz. Após este condicionamento, o equipamento é colocado no interior da câmara climática, a uma temperatura de Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 54 25±1 ºC e humidade relativa de 60±3 %, de acordo com a classe climática 3. A velocidade do ar foi também definida para 0.1 m/s. Para a recolha e visualização de dados, é utilizado uma placa de aquisição de dados com a qual é possível implementar uma interface I/O, ou seja, entrada/saída em tempo real entre o equipamento a ensaiar e o computador. Os dados adquiridos são então monitorizados, analisados e guardados num computador, através de um software interativo fornecido pelo produtor do hardware . Após o equipamento estar colocado no interior da câmara de ensaios, é carregado com pacotes de ensaio até ao limite de carga em cada prateleira, como apresenta a Figura 33. Figura 33: Vista lateral do equipamento, onde é possível observar os limites de carga para cada prateleira. A configuração de carga dos pacotes de teste deve respeitar alguns valores, como 25 mm de espaçamento entre eles e 25 mm de qualquer parede interior do mural. Os dois ensaios foram realizados com a regulação do dispositivo de comando de temperatura, conforme predefinido pelo fabricante, ou seja, o set point de temperatura predefinido para o mural é -1 ºC, com um diferencial de temperatura de 2 ºC. Para que seja possível monitorizar a evolução da temperatura ao longo do ensaio, são utilizadas sondas de temperatura, dispostas de acordo com a norma, como se pode observar na Figura 34. Embora as sondas estejam colocadas em várias prateleiras, estas foram colocadas entre dois pacotes de ensaio, na parte da frente das prateleiras. Idealmente, deveriam ser colocadas sondas em todas as prateleiras, tanto na parte frontal como na parte traseira, contudo, na altura do ensaio apenas estavam disponíveis Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 55 10 sondas, pelo que foi feito o ensaio possível. De destacar que as sondas 21 e 30 representam a temperatura na zona de insuflação e a temperatura na zona de aspiração, respetivamente. Figura 34: Numeração e localização das sondas de temperatura, situadas entre os pacotes de ensaio, nas várias prateleiras do equipamento. 5.1.1. ENSAIO DE CONSUMO ENERGÉTICO O registo do consumo energético é feito através de um medidor de parede digital ao longo das 24 horas de teste. Na Figura 35, é possível observar o medidor de parede utilizado para o ensaio de consumo energético. Figura 35: Medidor de parede digital. Adicionalmente, de modo a relacionar os dados do consumo energético com os dados do ensaio de temperatura, utilizou-se um Shelly EM, capaz de medir a corrente e a tensão que estão a passar na Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 62 De modo a evitar a flexão do depósito, aquando do seu enchimento com água, instalaram-se duas barras verticais, fixadas por parafusos, colocadas perto da zona central do acumulador, como indica a Figura 42. Figura 42: Barras verticais instaladas, para evitar a flexão do depósito. Devido à dificuldade de retirar a água do depósito, foi também instalada uma válvula, como indica a Figura 43, para facilitar todo o processo de remoção de água do depósito. Figura 43: Válvula instalada no depósito de água. Contudo, a fixação das barras verticais com parafusos não se demonstrou suficiente para evitar a flexão do depósito, pelo que se soldou as barras ao depósito, como demonstra a Figura 44. Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 63 Figura 44: Barras verticais soldadas ao depósito. Após o depósito de água se encontrar cheio, será necessário arranjar forma de a congelar, de modo a tirar partido do calor latente presente na mudança de fase. Desta forma, a solução pensada foi a implementação de uma serpentina de frio no interior do depósito, como indicado na Figura 45. De notar que esta serpentina funciona com base num ciclo de compressão de vapor, independente do ciclo presente no equipamento de refrigeração em estudo. Figura 45: Esquema representativo da serpentina de frio presente no interior do depósito de água. Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 64 Este circuito de frio apresenta uma serpentina de diâmetro ¼” (6.35 mm) e um comprimento de 50 metros, pelo que o frigorigéneo é movido por um compressor da marca Embraco , de 975 W, com um tubo capilar de 1 mm de diâmetro e 1.95 m de comprimento, selecionado através do software CapSel, da SECOP. A Figura 46 demonstra os dados de entrada necessários para o dimensionamento do capilar, nomeadamente, o tipo de frigorigéneo, os ganhos térmicos do sistema, a temperatura de evaporação, a temperatura de condensação e a temperatura do frigorigéneo na entrada do compressor. Os valores utilizados para o dimensionamento do capilar estão também representados na Figura 46. É de destacar que o correto dimensionamento do capilar é essencial para preservar a vida do compressor, já que é este que evita a chegada de líquido ao compressor. Figura 46: Seleção do tubo capilar para o depósito de água. Adicionalmente, no circuito de frio está presente também um condensador, da marca Bundy Refrigeration , de 900 W. Devido a restrições de espaço, foi necessário trocar também o condensador do equipamento de refrigeração por um igual ao referido na frase anterior, como indica a Figura 47. Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 65 Figura 47: Unidades condensadoras dos dois ciclos de compressão de vapor. 5.3. ENSAIOS REALIZADOS AO PROTÓTIPO Após a construção do protótipo, surge naturalmente a necessidade de o testar, pelo que, o objetivo do primeiro ensaio era entender se a utilização de um depósito de água era viável para a poupança de energia. Desta forma, o primeiro ensaio realizado teve o objetivo de entender qual seria o custo do equipamento em 24 horas de funcionamento, onde o grupo compressor do equipamento funciona as 24 horas, enquanto o grupo compressor do depósito de água funcionaria apenas nas primeiras 12 horas de ensaio, de modo a congelar toda a água no seu interior. Consequentemente, o ensaio ocorreu das 18:00 até às 18:00 do dia seguinte, onde o grupo compressor do depósito de água trabalhou das 18:00 às 06:00, sendo que o grupo compressor do equipamento trabalhou todas as 24 horas do ensaio. Os resultados obtidos foram positivos, sendo que existe uma poupança de 0.8 kWh/24h no funcionamento do equipamento, como demonstra o somatório do consumo médio do equipamento em cada hora, apresentados na Tabela 18. Tabela 18: Consumo médio em cada hora de funcionamento do equipamento no ensaio realizado. Horário Consumo médio [kWh] 18:00:00 0.15 19:00:00 0.13 20:00:00 0.13 21:00:00 0.12 22:00:00 0.13 23:00:00 0.12 00:00:00 0.12 01:00:00 0.14 02:00:00 0.12 03:00:00 0.12 Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 66 Tabela 18: Consumo médio em cada hora de funcionamento do equipamento no ensaio realizado. Horário Consumo médio [kWh] 04:00:00 0.11 05:00:00 0.11 06:00:00 0.12 07:00:00 0.13 08:00:00 0.13 09:00:00 0.13 10:00:00 0.13 11:00:00 0.13 12:00:00 0.13 13:00:00 0.13 A Figura 48 apresenta a comparação do perfil de consumo energético entre o ensaio inicial realizado e o ensaio com o auxílio do depósito de água, pelo que é de fácil visualização a ajuda que o depósito de água tem no consumo energético do equipamento, com oscilações muito menores no consumo energético. Figura 48: Comparação entre o perfil de consumos inicial e o perfil de consumos do ensaio com auxílio do depósito de água. Analisando a Figura 49, é facilmente percetível que as temperaturas dos pacotes de ensaio desceram para baixo de 4 ºC quando o grupo compressor do depósito se encontrava a funcionar. Isto acontece devido à transferência de calor entre o ar que passa na conduta de ar, a cerca de 5/6º C, e o depósito de água, a uma temperatura inferior. Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 67 Figura 49: Evolução das temperaturas dos pacotes de ensaio ao longo do ensaio com auxílio do depósito de água. Às 6 da manhã, o grupo compressor responsável por congelar a água do depósito foi desligado, pelo que passado 2 horas se verificou uma subida de cerca de 0.5 ºC na temperatura de insuflação. A explicação para isto passa pelo facto que a transferência de calor de ar para o fluido do depósito é menor, devido à menor diferença de temperatura, quando o grupo é desligado. Ao desligar o grupo, a temperatura do fluido do depósito rapidamente sobe até 0 ºC, pelo que o ∆T entre o ar e o depósito é muito menor, resultando numa menor transferência de calor e consequentemente um aumento de temperatura dos pacotes de ensaio, como se pode verificar a partir das 07:00. Estas alterações podem também ser observadas na evolução das temperaturas de insuflação e aspiração, presentes na Figura 50. Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 68 Figura 50: Evolução das temperaturas de insuflação e aspiração ao longo do ensaio com auxílio do depósito de água. Contudo, o consumo energético não foi apenas o do grupo compressor do equipamento, pelo que o grupo compressor do depósito de água também deve ser contabilizado. O consumo deste último foi elevado, pelo que, como se trata da primeira iteração, o setpoint aplicado no controlador PJEZ foi muito reduzido (-15 ºC), para haver certezas que toda a água no depósito congela. Consequentemente, o compressor encontra-se em funcionamento contínuo durante as primeiras 12 horas de funcionamento, pelo que o seu consumo será naturalmente muito maior. A Tabela 19 apresenta o consumo energético médio do grupo compressor do depósito de água por hora de funcionamento, totalizando 2.2 kWh/24h. Tabela 19: Consumo médio em cada hora de funcionamento do grupo compressor do depósito no ensaio realizado. Horário Consumo médio [kWh] 18:00:00 0.19 19:00:00 0.21 20:00:00 0.20 21:00:00 0.20 22:00:00 0.20 23:00:00 0.20 00:00:00 0.20 01:00:00 0.20 02:00:00 0.20 03:00:00 0.20 04:00:00 0.20 05:00:00 0.20 06:00:00 0.06 07:00:00 0.00 08:00:00 0.00 09:00:00 0.00 Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 69 Tabela 19: Consumo médio em cada hora de funcionamento do grupo compressor do depósito no ensaio realizado. Horário Consumo médio [kWh] 10:00:00 0.00 11:00:00 0.00 12:00:00 0.00 13:00:00 0.00 14:00:00 0.00 15:00:00 0.00 16:00:00 0.00 17:00:00 0.00 2.20 Através dos valores de consumo médio energético do equipamento e do grupo compressor do depósito recolhidos pelo Shelly EM é possível traçar gráficos que representem o consumo médio de energia de ambos os grupos, de modo que seja possível calcular o custo energético diário do equipamento, em tarifa bi horária. A Figura 51 representa o consumo energético médio do equipamento e do grupo compressor do depósito de água, em função do tempo de ensaio. Para uma correta leitura do gráfico, devem-se subtrair as áreas, sendo que, na primeira hora de ensaio, o equipamento consumiu cerca de 0,15 kWh e o compressor do depósito consumiu cerca de 0.20 kWh, sendo que se deve repetir este procedimento para o resto das horas. Figura 51: Consumo energético médio [kWh] do equipamento e do grupo compressor do depósito de água, ao longo do ensaio. Torna-se também importante referir que os preços considerados para o a tarifa bi-horária foram baseados nos preços da EDP, pelo que estes se encontram representados na Tabela 20. Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 70 Tabela 20: Cotações de eletricidade num regime bi horário. Preço kWh (8:00h-22:00h) 0.148 [€/kWh] Preço kWh (22:00h-8:00h) 0.1096 [€/kWh] Sabendo o consumo médio de tanto o equipamento como o compressor do depósito, é então possível calcular qual o custo diário do equipamento numa tarifa bi horária. A Tabela 21 demonstra diferentes variáveis importantes para o cálculo do custo diário do equipamento, com base numa tarifa bi horária, como o consumo isolado dos dois grupos compressores, o consumo total e por fim o custo. Tabela 21: Custo diário do equipamento, de acordo com o ensaio realizado. Horário Consumo equipamento [kWh] Consumo comp. depósito [kWh] Consumo total [kWh] Preço [€] 8:00h-22:00h 1.8 0.8 2.6 0.38 22:00h-8:00h 1.2 1.7 2.9 0.32 5.5 0.70 Da análise da Tabela 21, verifica-se que o custo diário do equipamento subiu, dado o maior consumo energético, proveniente do funcionamento contínuo do compressor do depósito de água. Um dos pontos a melhorar para a próxima iteração será a necessidade de entender quando este compressor deve trabalhar ou não, dependendo da presença de gelo no depósito de água. Adicionalmente, o uso de glicol no depósito de água poderá revelar-se vantajoso, já que conforme o volume de glicol presente na mistura, será possível baixar o ponto de solidificação da água para -10 ºC, o que permitirá uma maior troca de calor entre o ar e o depósito. 5.3.1. IMPLEMENTAÇÃO DE GLICOL NO DEPÓSITO DE ÁGUA Para que a troca de calor entre o ar a refrigerar e o depósito de água seja mais eficiente, decidiu-se criar uma mistura de água glicolada, inicialmente com 12% de glicol e posteriormente, com 25% de glicol, de modo a baixar o ponto de solidificação da mistura para -5 e -10 ºC, respetivamente, como indica a Figura 52. Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 71 Figura 52: Influência da percentagem de glicol no ponto de solidificação da água. [27] Para o primeiro ensaio, criou-se uma mistura glicolada com uma concentração de 12%, com 53 litros de água. De notar que o volume total é inferior à capacidade máxima do depósito de água, já que o ensaio se realizou com vista a realizar o ensaio seguinte, não desperdiçando a mistura glicolada já existente. Desta forma, pode-se calcular o volume de glicol necessário, através da seguinte expressão: 𝑉𝑔𝑙𝑖𝑐𝑜𝑙 =0.12×𝑉𝑒𝑛𝑠𝑎𝑖𝑜 (23) O que resulta em: 𝑉𝑔𝑙𝑖𝑐𝑜𝑙 =0.12 ×53 =6.36 𝐿 Como referido anteriormente, para realizar o ensaio seguinte, ou seja, com uma mistura glicolada com uma concentração de 25%, será necessário calcular a quantidade de glicol a acrescentar à mistura, através da equação (24): 𝑉𝑔𝑙𝑖𝑐𝑜𝑙 +𝑉𝑔𝑙𝑖𝑐𝑜𝑙 𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎 𝑉𝑒𝑛𝑠𝑎𝑖𝑜 + 𝑉𝑔𝑙𝑖𝑐𝑜𝑙 𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎 =𝑑 (24) Onde: 𝑉𝑔𝑙𝑖𝑐𝑜𝑙 - Volume de glicol na mistura do ensaio com 12 % de concentração [L]; 𝑉𝑔𝑙𝑖𝑐𝑜𝑙 𝑒𝑥𝑡𝑟𝑎 - Volume de glicol a adicionar [L]; 𝑉𝑒𝑛𝑠𝑎𝑖𝑜 - Volume total da mistura glicolada com 12% de concentração [L]; 𝑑 - Concentração da mistura a atingir [-]. Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 78 6.2. PERSPETIVAS E TRABALHOS FUTUROS No que toca a trabalhos futuros, a empresa deverá garantir o bom posicionamento da sonda de temperatura do controlador responsável por gerir o funcionamento do compressor do depósito, já que esta será responsável por ditar se o fluido se encontra no estado sólido ou líquido. Adicionalmente, deveria prever um local para confirmação visual se o fluido se encontra efetivamente congelado, preferencialmente no fundo do depósito, já que o gelo é menos denso que a água. Se mesmo com a sonda bem posicionada o fluido no interior do depósito não congelar no intervalo de tempo pretendido, terá de se trocar o compressor para outro com mais potência. O sistema de fixação do depósito terá também de ser revisto, já que deformou as costas do equipamento, para além de métodos para evitar a flecha criada pelo fluido no interior do depósito. Uma possível solução para este problema seria a utilização de uma chapa mais grossa, com elementos de fixação posicionados em locais estrategicamente escolhidos. Finalmente, resta todo o trabalho de perceber quanto tempo dura o banco de inércia realizado e as implicações que este terá no funcionamento do equipamento, quer seja a nível de consumos ou temperaturas aplicadas. Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 79 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] “História da refrigeração,” Intarcon, 24 maio 2023. [Online]. Available: https://www.intarcon.com/pt-pt/historia-da-refrigeracao/. [Acedido em 15 julho 2023]. [2] E. Silva, “Certificação Energética de um Equipamento de Frio Profissional,” Novembro 2016. [3] “History of Refrigeration and Refrigerators,” History of Refrigeration, [Online]. Available: http://www.historyofrefrigeration.com/. [Acedido em 15 julho 2023]. [4] H. Moons, A. Villanueva Krzyzaniak, M. Calero Pastor, F. Ardente, F. 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Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 86 ANEXO C: ENSAIO DE TEMPERATURAS COM AUXÍLIO DA MISTURA GLICOLADA Figura 60: Gráfico de temperaturas dos pacotes de ensaio com o auxílio da mistura glicolada. Otimização dos custos de exploração de um equipamento de refrigeração através da inércia térmica 87 ANEXO D: ENSAIO DE TEMPERATURAS COM IMPLEMENTAÇÃO DE SETPOINT NOTURNO Figura 61: Gráfico de temperaturas dos pacotes de ensaio com a incorporação de um setpoint noturno.