O documento discute sistemas de refrigeração industrial com temperatura de evaporação variável para a indústria de alimentos. Ao variar a temperatura de evaporação de acordo com a carga térmica, é possível reduzir o consumo de energia em até 9,2% em relação a sistemas com temperatura fixa.

1. Sistema de Refrigeração Industrial
com Set-Point Variável
para a Indústria de Alimentos
M. Eng. Francisco Salvador
Siemens Ltda.
Prof. Dr. Cláudio Garcia
Escola Politécnica da USP

2. Agenda
 Controle
 Ciclo Frigorífico
 Introdução
 Conclusão

3. Introdução
 A demanda por alimentos em 2050 será o dobro da atual.
Entre 2010 e 2011, o aumento do preço dos alimentos deixou 70
milhões de pessoas na pobreza extrema (FAO).
 Os investimentos na produção deverão aumentar 50% se quisermos
contar com alimentos suficientes em 2050 (FAO-OECD).
 Na indústria de alimentos, a refrigeração representa 10% dos custos
de operação (FAO).
 A cada R$ 1,00 a mais no custo da energia resulta numa retração de
crescimento de R$ 8,60 da economia brasileira (FGV-ABRACE, 2010).

4. Introdução
 Na indústria de alimentos, os sistemas de refrigeração visam fornecer as temperaturas
necessárias ao processamento e estocagem dos produtos, sendo amplamente utilizado
o sistema de refrigeração por compressão.
 O consumo de energia (custo da geração de frio) apresenta grande variação em
função dos regimes de operação adotados.
Isto é, das pressões de Evaporação, Aspiração e Condensação.
 O regime de operação é um compromisso entre as necessidades de:
processo (velocidade de congelamento e características sensoriais do produto)
projeto (investimento e gasto fixo da instalação de refrigeração).

5. Introdução
 Por outro lado, o dimensionamento das instalações de refrigeração industrial é
realizado para condições de operação nominais e em regime.
Porém, elas operam apenas 7% do tempo nesse ponto.
Curva típica de distribuição de carga
de sistemas de refrigeração na
indústria de alimentos.
(LUNDBERG, 1997).
 Para lidar com a operação em cargas térmicas parciais, os sistemas atuais utilizam o
controle de capacidade de refrigeração através da vazão de refrigerante (mantendo fixo
o regime de operação).
Entretanto, pelas características do sistema de compressão, isso implica em perda de
eficiência e maiores investimentos.

6. Introdução
Em resumo, temos:
 O consumo de energia apresenta grande variação em função do regime de
operação adotado.
 As instalações operam 93% do tempo abaixo da carga térmica de projeto.
 Os sistemas atuais de controle são limitados pela perda de eficiência e
necessidade significativa de investimentos adicionais.
 Este trabalho demonstra alternativas de controle do
sistema de refrigeração capazes de
produzir a capacidade de refrigeração necessária
com o menor trabalho de compressão
através da otimização do regime de operação.

7. Agenda
 Controle
 Ciclo Frigorífico
 Introdução
 Conclusão

8. Regime de Operação
 Pressão de evaporação é aquela observada
no evaporador.
 É selecionada pela velocidade ou tempo de
congelamento necessário para manutenção
das características sensoriais do produto,
investimento e gasto fixo da instalação de
refrigeração.
 Pressão de aspiração é aquela observada a
montante do compressor.
 É definida pelo projeto e dimensionamento da
instalação, reduzindo ao mínimo a perda de
carga no sistema.
 Pressão de condensação é aquela observada
a jusante do compressor.
 É definida pelas condições atmosféricas
locais.
 Vamos analisar as pressões de aspiração e evaporação por estarem associadas e
representarem 85% da demanda.

9. Compressores
 Como vimos, para lidar com a operação em cargas térmicas parciais, os sistemas
atuais utilizam o controle de capacidade de refrigeração através da vazão de
refrigerante (mantendo fixo o regime de operação).
 O controle é normalmente através de um êmbolo deslizante e tem eficiência limitada.
0
20
40
60
80
100
120
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Capacidade (%)
BHP
(kW)
Real
Ideal
IRC
(Industrial Refrigeration Consortium)
University of Wisconsin-Madison
 Recentemente tem aumentado a aplicação de conversores de frequência buscando-se
melhores eficiências em cargas parciais.

10. Compressão
 Usualmente as instalações possuem vários compressores operando em conjunto.
 Assim, o controle de capacidade é feito “em grupo”: um compressor opera variando sua
capacidade e os outros permanecem a 100% de capacidade (ou desligados).
 Essa forma de operação alcança ganhos de 3 a 7% no consumo de energia, sendo
limitado pelas perdas mecânicas e elétricas (STOECKER).

11. Compressão e Evaporação
 No compressor, os parâmetros operacionais mais importantes são a capacidade de
refrigeração e a potência de compressão.
 Um aumento de 10 ºC no set-point de compressão provoca:
 aumento de 75 % na capacidade de refrigeração dos CPs.
 aumento de 50% na eficiência de compressão (COP).
Potência e Capacidade Frigorífica
100
120
140
160
180
200
220
-40 -39 -38 -37 -36 -35 -34 -33 -32 -31 -30
TE (ºC)
BHP
(kW)
Cap.Frig.
(Mcal/h)
Capac.Frig. / BHP
1
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
-40 -39 -38 -37 -36 -35 -34 -33 -32 -31 -30
TE (ºC)
(Mcal/h/kW)
Capacidade de Refrigeração Capac. de Refrig. / BHP
Onde:
Capacidade de Refrigeração = Vazão de Refrigerante x Efeito Frigorífico
O Efeito Frigorífico corresponde ao aumento de entalpia do refrigerante através do evaporador
(admitindo-se vapor saturado na saída do mesmo).

12. Compressão e Evaporação
 Porém, para ser possível alterarmos o regime de operação, devemos considerar não só
o regime de compressão, mas também o de evaporação.
 Isto é, o processo permite alterações do regime de evaporação?
Curva de Congelamento do Produto B
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
16:50
17:01
17:13
17:24
17:36
17:47
17:59
18:10
18:22
18:33
18:45
18:56
19:08
19:19
19:31
19:42
19:54
20:05
20:17
20:28
20:40
20:51
tempo (h)
tem
peratura
(ºC)
 Isso é possível porque evaporadores e outros equipamentos de produção também
estão dimensionados para situações de pico e não alteram suas características com a
redução da temperatura de evaporação (STOECKER; JABARDO, 1994).

13. Carga Térmica Parcial
 A operação em carga térmica parcial pode ocorrer por diversos relacionados
principalmente a:
 características dos equipamentos de produção (túnel de congelamento, etc);
 linhas de produção paralelas;
 turnos de operação, horários de refeições e higienização;
 características dos produtos;
 mix de produção;
 volumes de produção;
 características dos compressores;
 número e capacidade dos compressores.

14. Agenda
 Controle
 Ciclo Frigorífico
 Introdução
 Conclusão

15. Estudo de Caso
 Há uma grande oportunidade de ganho se controlarmos a capacidade frigorífica
através do regime de operação afim de aproveitar as características de forte aumento
de capacidade e eficiência de compressão em temperaturas mais elevadas.
 É possível desenvolver um sistema de controle dos compressores que identifique e tire
proveito dos momentos de carga parcial para reduzir o gasto de energia.

16. Estudo de Caso
 Para tanto é preciso conhecer a capacidade frigorífica necessária e a forma como varia
a carga térmica.
Essas informações não são facilmente medidas !
 Elas dependem das características de cada planta:
Projeto
(características, capacidades e quantidade de compressores, túneis de
congelamento, câmeras frias, etc.)
Processo
(linhas de produção, mix de produtos, características dos produtos, etc)
Operação
(perfil de produção atual, tendência, conjunto de compressores disponível, etc).

17. Simulação e Controle
 Para a análise, será considerado um sistema frigorífico industrial típico na indústria de
alimentos, com compressores a vapor tipo parafuso, refrigerante amônia (R-717),
reservatório de líquido a baixa pressão, túnel de congelamento contínuo com
evaporadores com circulação forçada de líquido e condensadores evaporativos
atmosféricos.
CP-01 CP-02
RL-01
SL-01
CE-01
TCH-01
TUNEL DE CONGELAMENTO
BA-01B
BA-01A
AL-01
ÁGUA
ÁGUA
FS
-30ºC
-40ºC

18. Temperaturas
Sistema de
Congelamento
Compressores
Sistema de
Controle
Parâmetros da
Instalação
Pressão
Capacidade
Potência
Set-point
Regime de
Operação
Simulação e Controle

19. Compressores
Sistema de
Congelamento
Sistema de
Controle
 Implementação em MATLAB e SIMULINK.
Simulação e Controle

20. Compressão e Evaporação
 Aumentando-se a temperatura de evaporação mantendo-se, porém, a mesma carga
térmica, o controle de capacidade do compressor irá reduzir a capacidade (%) do
mesmo a fim de manter a nova temperatura de evaporação.
 A redução da capacidade por sua vez irá reduzir a eficiência do compressor.
 Portanto, a redução da temperatura de evaporação implicará em menor consumo de
energia enquanto a redução no rendimento devido à redução na capacidade de
trabalho do compressor seja suficientemente pequena.
Potência e Capacidade Frigorífica
100
120
140
160
180
200
220
-40 -39 -38 -37 -36 -35 -34 -33 -32 -31 -30
TE (ºC)
BHP
(kW)
Cap.Frig.
(Mcal/h)
Capac.Frig. / BHP
1
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
-40 -39 -38 -37 -36 -35 -34 -33 -32 -31 -30
TE (ºC)
(Mcal/h/kW)
Capacidade de Refrigeração Capac. de Refrig. / BHP

21. Máxima Temperatura de Evaporação
 O ‘set-point’ de temperatura de sucção do
compressor é obtido através de um
controlador PI onde a variável controlada é
a temperatura ambiente do túnel de
congelamento.
 O sistema é simulado considerando-se a
operação a partir de uma condição inicial
com o túnel vazio e carregamento nominal
de 4.500 kg/h de um produto ‘A’.
 O túnel é carregado continuamente, numa
operação de 2 turnos.
Ele atinge sua capacidade máxima (regime
de operação nominal) e, finalmente, é feito o
descarregamento.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
0
50
100
150
200
250
300
350
400
Carga Té rmica do Produto (kW) x tempo (h)

22.  Para carga térmica de produto na faixa de 50% a 59% (carga térmica total de 61% a
67%), o sistema com ‘set-point’ variável opera com apenas um compressor, ao passo
que o sistema com ‘set-point’ fixo opera com dois.
Nesta situação, a redução de consumo chega a 30%.
Carga Térmica Redução no Consumo
Total Compressor
100% 4,1%
80% 7,2%
 Redução no consumo para operação com ‘set-point’ variável em função da temperatura
ambiente com relação à operação com ‘set-point’ fixo (–40ºC).
 Potência no eixo para 80% da carga térmica
nominal.
--- controle de capacidade tradicional.
 controle pela máxima temp. de evaporação.
Máxima Temperatura de Evaporação
0 5 10 15 20
0
100
200
300
400
Carga Té rmica (kW) x tempo (h)
0
-40
-35
-30
-25
Te
0 5 10 15 20
-45
-40
-35
-30
SP Temp. Evaporaç ã o (º C) x tempo (h)
0
0
0.5
Va
0 5 10 15 20
0
100
200
300
400
Potê ncia Total (kW) x tempo (h)
0
0
1000
2000
3000
4000
5000

23. Máxima Temperatura de Evaporação
 Para a distribuição de carga térmica típica, temos
uma redução do consumo de energia de
7,8 %
para o sistema com ‘set-point’ variável comparado ao
sistema com ‘set-point’ fixo.

24. Otimização
 A otimização do sistema correspondente à determinação da temperatura de evaporação
que produza a menor potência absorvida no eixo do compressor para determinada
capacidade de refrigeração.
Otimização
Vazão de refrigerante
Max. Temp. Evap.
Temp. Evap. ótima
Pot. Total Absorvida
Vazão de Refrigerante

25. Otimização
Carga Térmica Redução no Consumo SP Redução no Consumo SP
Total variável pela máxima variável pela rotina de
temperatura de evaporação otimização
100% 4,1% 5,5%
80% 7,2% 9,2%
 Redução no consumo para operação com ‘set-point’ variável conforme máxima
temperatura de evaporação e rotina de otimização com relação à operação com ‘set-
point’ fixo de –40ºC.
0 2 4 6 8 10
0
100
200
300
400
Carga Té rmica (kW) x tempo (h)
0
-40
-35
-30
-25
T
0 2 4 6 8 10
-45
-40
-35
-30
-25
-20
SP de Temperatura de Evaporaç ã o (º C) x tempo (h)
0
0
0.5
V
0 2 4 6 8 10
0
100
200
300
400
Potê ncia Total (kW) x tempo (h)
0
0
500
1000
1500
2000
 Potência no eixo para 80% da carga térmica
nominal.
----- controle de capacidade tradicional.
-  controle pela máxima temp. de evaporação
 controle com rotina de otimização

26. Otimização
 Para a distribuição de carga térmica típica, temos uma
redução do consumo de energia de
10,1%
para o sistema com ‘set-point’ variável ótimo comparado
ao sistema com ‘set-point’ fixo.

27. Observações Adicionais
 Para compressores com melhor relação de rendimento
em função da capacidade, a redução da temperatura
de evaporação trará maiores benefícios.
 Numa instalação com dois ou mais compressores
operando no mesmo regime, a redução de capacidade
pode atingir valores em que possa ser desligado um ou
mais compressores. Esse caso é extremamente
vantajoso, pois propicia grande redução na potência
absorvida.
 Existe uma tendência à operação somente com um compressor enquanto a vazão de
refrigerante necessária esteja dentro da faixa do mesmo.
 É interessante observar que para a operação com dois compressores a rotina de
minimização fornece como resultado a operação dos compressores com capacidades
iguais.
0 2 4 6 8 10
0
100
200
300
400
Carga Té rmica (kW) x tempo (h)
0 2 4 6 8 10
-45
-40
-35
-30
-25
-20
SP de Temperatura de Evaporaç ã o (º C) x tempo (h)
0 2 4 6 8 10
0
100
200
300
400
Potê ncia Total (kW) x tempo (h)

28. Agenda
 Controle
 Ciclo Frigorífico
 Introdução
 Conclusão

29. Conclusões
 Existe enorme pressão pelo aumento da produção de alimentos e redução do
consumo energético para atender a população mundial até 2050.
 Este trabalho enfoca novos sistemas de controle para a otimização
energética dos sistemas de refrigeração industrial.
 O estudo propõe a investigação da operação com ‘set-point’ de temperatura
de sucção e evaporação variáveis em função da variação da carga térmica
das instalações.
 Foi elaborado um modelo para simulação dinâmica de um sistema de
refrigeração industrial por compressão a vapor com refrigerante amônia (R-
717) para o congelamento de alimentos.
 O modelo foi simulado em condições de operação típicas das instalações
industriais.

30. Conclusões
 O controle com ‘set-point’ variável pode proporcionar a reduções no consumo
de energia da ordem de 8 a 10%.
 Para compressores com maior eficiência em regime de cargas parciais os
resultados são superiores.
 O controle proposto é igualmente aplicável a instalações novas e existentes.
 Requer :
baixo investimento;
nenhuma alteração mecânica ou elétrica;
nenhuma interrupção de operação.
• Apresenta ganhos superiores a todas as técnicas atuais.

31. Próximos Passos
 Simulação on-line com dados de operação para cargas parciais e
compressores.
 Aplicação de técnicas de identificação de sistemas a fim de comparar a
operação e o desempenho dos compressores com dados de catálogo.
 Aperfeiçoamento das rotinas de otimização e controle visando aplicação
industrial.
 Desenvolvimento em plataforma industrial com
controle avançado.
 Adaptação do modelo para outros objetivos de
controle, por exemplo:
 aumento da capacidade de refrigeração;
 melhor resposta a picos de produção.

32.  Francisco Salvador
 Telefones: +55 11 3908 2096
+55 11 9687 6694
 E-Mail: francisco.salvador@siemens.com.br
Obrigado por sua atenção!