Replacement Process of R22 in CommercialRefrigeration Systems

This work reports an experimental investigation related to the drop-in process of HCFC22 in a commercial refrigeration system with a maximum capacity of 15 kW. Among the alternative refrigerants there are hydrocarbons (HCs) and synthetic refrigerants, HFC. The experimental facility is basically composed of analternative variable speed compressor (VSC), tube in tube heat exchangers and an electronic expansion valve (EEV). Different methodologies were addressed to this document. Initially, the systemoperated at the nominal frequency and has been configured to the same openning condition in the expansion valve. The limits of the refrigeration system were operated by factorial experimental designs. Therefore,there were presented response surfaces and metamodels, showing consistent tools to predict the cooling system behavior. Also, an analysis of the individual performance of each refrigerant was held in three different evaporation temperatures: -15ºC, -10ºC and -5ºC. All fluids, except R134a can be suitable to replace R22 in these specific applications. Both HCs and HFC32 provide the refrigeration capacity and COP greater than the original system. In addition, the environmental impact of each fluid was estimated by the TEWI method. HCs showed the lowest impacts, while HFC404A promoted the greatest damage to the environment. Finally, the analysis of the operating system with a Scroll compressor was made. Among the seven options to R22, only five refrigerants operated in stable condition. Moreover, even with handling system parameters, this class of compressors was less flexible to the proposed drop-in. In general, as a great technical contribution for refrigeration systems, this study found that, regardless of the installation capacity, the EEV/VSC pair functionality is an essential tool not only for the adaptation of an alternative fluid to the original compression cycle, as well as to reduce environmental impacts.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e TecnológicoDoutor em Engenharia MecânicaO presente trabalho relata uma investigação experimental do processo de drop-in(substituição direta) do HCFC22 em um sistema de refrigeração comercial com capacidade máxima de 15kW. Entre os refrigerantes alternativos testados, encontram-se hidrocarbonetos e refrigerantes sintéticos da classe HFC.A bancada experimental é composta, basicamente, de um compressor de velocidade variável(CVV) alternativo, trocadores de calor de tubos concêntricos e uma válvula de expansão eletrônica (VEE). Inicialmente, o sistema operou à frequência nominal e foiconfigurado à mesma condição de abertura no dispositivo de expansão. Posteriormente, os limites de cada refrigeranteforam explorados por meio de ferramentas estatísticas DOE,design of experiments. Nesta segunda etapa, foram apresentadas superfícies de respostas e metamodelos, que se mostraram ferramentas coerentes na previsão do comportamento do sistema de refrigeração.Em sequência,foirealizada uma análise do desempenho individual de cada refrigerante, em três diferentes temperaturas de evaporação: -15ºC, -10ºC e -5ºC. Todos os refrigerantes, com exceção do R134a, podem substituir o R22 nestas aplicações específicas. Ambos os hidrocarbonetos (HCs) e o HFC32 proporcionaram capacidades de refrigeração e COPs superiores ao sistema original. Em complemento, a estimativa dos impactos ambientais de cada fluidofoi estimada através do método TEWI, total equivalent warming impact. Os HCs apresentaram os menores impactos, enquanto o HFC404A promoveu os maiores danos ao meio ambiente.Por fim, realizou-se a análise do sistema operando com um compressor tipoScroll. Entre as sete opções ao R22, apenas cinco refrigerantes operaram em condições estáveis. Além disso, mesmo com a manipulação de parâmetros do sistema, esta classe de compressores mostrou-se menos flexível à proposta de drop-in.Em geral, como maior contribuição técnica aos sistemas de refrigeração, o presente trabalho comprovou que, independentemente da capacidade da instalação, a funcionalidade do par VEE/CVV é uma ferramenta essencial não só para a adaptação de um fluido alternativo ao ciclo de compressão original, como também para a reduçãodos impactos ambientais