Refrigeração e ar condicionado, Notas de estudo de Engenharia Mecânica

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Refrigeração e Ar-Condicionado

Parte II

Ciclo de Compressão, Balanço de Energia

Trocadores de Calor, Dispositivos de Expansão

Prof. Luiz Carlos Martinelli Jr. - DeTEC.

SUMÁRIO

• INTRODUÇÃO...............................................................................................................................................
• CICLO TEÓRICO SIMPLES ........................................................................................................................
• CICLO REAL SIMPLES................................................................................................................................
• BALANÇO DE ENERGIA PARA O CICLO.................................................................................................
  • CAPACIDADE FRIGORÍFICA DO CICLO ( Q&^0 ).....................................................................................................
  • POTÊNCIA TEÓRICA DO COMPRESSOR ( W& C) ...................................................................................................
  • FLUXO DE CALOR REJEITADO NO CONDENSADOR ( W& C)..................................................................................
  • VÁLVULA DE EXPANSÃO ................................................................................................................................
  • COEFICIENTE DE EFICÁCIA DO CICLO (β / COP) ..............................................................................................
  • TROCADOR DE CALOR INTERMEDIÁRIO...........................................................................................................
  • PARÂMETROS QUE INFLUENCIAM A EFICÁCIA (β) DO CICLO DE REFRIGERAÇÃO ...............................................
    • Influência da temperatura de vaporização na eficácia do ciclo ...................................................................
    • Influência da temperatura de condensação na eficácia do ciclo
    • Influência do sub-resfriamento do líquido na eficácia do ciclo..................................................................
    • Influência do superaquecimento útil na eficácia do ciclo
• COMPONENTES DO SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO...........................................................................
  • TROCADORES DE CALOR
    • Condensadores
      • O processo de condensação...................................................................................................................................
      • Tipos de Condensadores .......................................................................................................................................
    • Evaporadores
      • O Processo de Evaporação....................................................................................................................................
      • Classificação dos Evaporadores ............................................................................................................................
      • Tipos de Evaporadores .........................................................................................................................................
      • Sistemas de Expansão Direto e Indireto.................................................................................................................
      • Coeficiente Global de Transmissão de Calor .........................................................................................................
  • DISPOSITIVOS DE EXPANSÃO
    • Tubo Capilar
      • Seleção do Tubo Capilar.......................................................................................................................................
    • Válvulas de Expansão
      • Válvulas de Expansão Manuais.............................................................................................................................
      • Válvulas de Expansão Automáticas.......................................................................................................................
      • Válvulas de Expansão de Bóia ..............................................................................................................................
      • Válvulas de Expansão Eletrônicas.........................................................................................................................
      • Válvulas de Expansão Termostáticas.....................................................................................................................
• BIBLIOGRAFIA...........................................................................................................................................

Figura 2 - Esquema do Sistema de Refrigeração com os Equipamentos Básicos

Os processos termodinâmicos que constituem o ciclo teórico, em seus respectivos equipamentos são:

a) Processos 1-2, que ocorre no compressor (que pode ser um compressor alternativo, centrífugo de parafuso etc.) é um processo adiabático reversível, e neste caso, a compressão ocorre, então, a entropia (S) constante, ou seja, S 1 =S 2 , como mostra a Figura 1. O refrigerante entra no compressor à pressão do evaporador (P 0 ) e com título X=1. O refrigerante é então comprimido até atingir a pressão de condensação, e neste estado, ele está superaquecido com temperatura T 2 , que é maior que a temperatura de condensação (TC).

b) Processo 2-3, que ocorre no condensador (que pode ser condensação a água ou ar, em convecção forçada ou natural), é um processo de rejeição de calor do refrigerante par ao meio de resfriamento desde a temperatura T 2 de saída do compressor até a temperatura de condensação (TC) e a seguir rejeição de calor na temperatura TC até que todo vapor tenha-se tornado líquido saturado na pressão de condensação (Pc).

c) Processo 3-4, que ocorre na válvula de expansão, é uma expansão irreversível a entalpia constante desde a pressão Pc e líquido saturado (X=0), até atingir a pressão do evaporador P 0. Observe-se que o processo é irreversível, e portanto, a entropia (S) do refrigerante ao deixar a válvula de expansão (S 4 ) é maior que a entropia do refrigerante ao entrar na válvula (S 3 ).

d) Processo 4-1, que ocorre no evaporador é um processo de transferência de calor a pressão constante (P 0 ), conseqüentemente a temperatura constante (T 0 ), desde vapor úmido no estado 4 até atingir o estado de vapor saturado seco (X=1). Observe-se que o calor transferido ao refrigerante no evaporador não modifica a temperatura do refrigerante, mas somente muda o seu estado.

Ciclo Real Simples

As diferenças principais entre o ciclo real e o ciclo ideal simples por compressão de vapor estão mostrados na Figura 3, abaixo.

Figura 3 - Diferenças entre o Ciclo Real e o Teórico Simples

Uma das diferenças entre o ciclo real e o teórico é a queda de pressão nas linhas de descarga, líquido e de sucção assim como no condensador e no evaporador. Estas perdas de carga ∆Pd e ∆PS estão mostrados na Figura 3. Outra diferença é o sub-resfriamento do refrigerante na saída do condensador (na maioria dos sistemas). O superaquecimento na sucção com finalidade de evitar a entrada de líquido no compressor (obrigatório em compressores alternativos) é um processo muito importante. Outra diferença importante é quanto ao processo de

compressão ao compressor, que no ciclo real é um processo de compressão politrópico (S 1 ≠S 2 ), no lugar do processo isoentrópico do ciclo ideal. Devido a esta diferença, a temperatura de descarga do compressor (T 2 ) pode ser muito elevada, tornando-se um problema com relação aos óleos lubrificantes usados em compressores frigoríficos, obrigando a um resfriamento forçado do cabeçote do compressor (normalmente com R-22 e R-717). Muitos outros problemas de ordem técnica dependendo do sistema e das características de operação, podem introduzir diferenças significativas além das citadas até aqui.

Balanço de Energia para o Ciclo O balanço de energia do ciclo de refrigeração é feito considerando-se o sistema operando em regime permanente, nas condições de projeto, ou seja à temperatura de condensação (TC) e temperatura de vaporização (T 0 ). O sistema real e ideal têm comportamento idênticos tendo o real apenas um coeficiente de eficácia inferior ao ciclo ideal. A análise do ciclo ideal nos permitirá, de forma simples. Verificar quais parâmetros têm influência no coeficiente de eficácia do ciclo.

Capacidade Frigorífica do Ciclo ( Q&^0 )

A capacidade frigorífica (Q 0 ) é a quantidade de calor por unidade de tempo retirada do meio que se quer resfriar (produto) através do evaporador do sistema frigorífico. Para o sistema operando em regime permanente desprezando-se a variação de energia e potencial, da primeira lei da termodinâmica, temos: (ver Figura 4)

Q&^0 = m & (^) f ( h (^) 1 − h 4 )

( )

m h 2 h 1

W

f c

= , em kW

Fluxo de Calor Rejeitado no Condensador ( W&^ C )

Da mesma maneira que fizemos para o evaporador, a quantidade de calor por unidade de tempo a ser rejeitada no condensador para o sistema operando em regime permanente nas temperaturas TC e T 0 é calculado pela equação abaixo (ver Figura 6)

QC = mf (h 2 -h 3 )

Figura 6 - Volume de Controle sobre o Condensador e sua representação no Diagrama de Mollier.

Assim o condensador a ser especificado para o sistema de refrigeração deve ser capaz de rejeitar o fluxo de calor dado pela equação dada acima.

Válvula de Expansão

Na válvula de expansão, que pode ser de vários tipos, o processo é adiabático (ver Figura 7), e neste caso, aplicando-se a primeira lei da termodinâmica, desprezando-se a variação de energia cinética e potencial temos:

Figura 7 - Volume de Controle sobre a Válvula de Expansão e sua representação no Diagrama de Mollier.

Coeficiente de Eficácia do Ciclo ( ββ / COP)

O coeficiente de eficácia (β ou COP) é um parâmetro importante na análise das instalações frigoríficas. Embora o coeficiente de eficácia do ciclo real seja sempre menor que o do ciclo ideal para as mesmas condições de operação podemos com o ciclo ideal verificar quais os parâmetros que o influenciam assim como o grau de

influência de cada parâmetro. O coeficiente de eficácia β é definido como segue:

ENERGIA util

ENERGIA gasta

Q

W

h h

C h^ h

0 1 4

2 1

Pode-se inferir da equação acima que para o ciclo ideal a eficácia é função somente das propriedades do refrigerante, conseqüentemente, do refrigerante das temperaturas de condensação e vaporização como será mostrado mais adiante. Para o ciclo real, entretanto, o desempenho dependerá em muito das propriedades na sucção do compressor e deste, assim como dos demais equipamentos. O coeficiente de eficácia (β) deve ser sempre maior que 01 (um). Quanto mais próximo de 01, pior.

Trocador de Calor Intermediário

Alguns sistemas frigoríficos utilizam trocadores de calor que resfriam o líquido saído do condensador com o vapor que se dirige para o compressor, vindo do evaporador. (ver Figura 8). O líquido saturado no estado 3 vindo do condensador, é resfriado até atingir o ponto 3 pelo vapor que sai do evaporador no estado 1, que por sua vez se aquece até atingir o estado 1, de vapor superaquecido. Aplicando-se a primeira lei da termodinâmica ao trocador e admitindo-se que o processo é adiabático, temos:

h 3 ’ - h 3 = h 1 - h 1 ’

Figura 8 - Esquema frigorífico com trocador de calor intermediário e sua representação no Diagrama de Mollier

Comparando com ciclo ideal de compressão de vapor, o ciclo com trocador de calor intermediário é vantajoso devido ao aumento do efeito frigorífico (h 1 ’ - h 4 ). Tanto a capacidade frigorífica quanto o coeficiente de eficácia (β) parece melhor com o trocador intermediário, o que nem sempre é verdade devido à maior temperatura de sucção. O trocador de calor intermediário é interessante em situações onde o vapor aspirado pelo compressor deva ser superaquecido para evitar a entrada de líquido no compressor. Outra razão de ordem prática para o uso do trocador de calor é o sub-resfriamento do líquido vindo do condensador com o fim de evitar formação de bolhas de vapor de refrigerante, que poderiam dificultar o escoamento pela válvula de expansão.

Parâmetros que Influenciam a Eficácia ( ββ ) do Ciclo de Refrigeração

Vários parâmetros influenciam a eficácia do ciclo de refrigeração. A seguir analisaremos a influência de cada um deles separadamente.

Figura 9 - Influência da Temperatura de Vaporização no Coeficiente de Eficácia do Ciclo (β)

Influência da temperatura de condensação na eficácia do ciclo

Assim como no caso da temperatura de vaporização, a influência da temperatura de condensação é mostrada num conjunto de ciclos onde apenas se altera a temperatura de condensação (TC).

Figura 10 - Influência da Temperatura de Condensação no Coef. de Eficácia do Ciclo (β)

Esta análise é mostrada na Figura 10. Observe-se que para a mesma variação de temperatura (TC) (15ºC) em relação a temperatura de vaporização (T 0 ), a vaporização da eficácia no caso da temperatura de condensação TC é menor que no caso da variação de T 0.

Influência do sub-resfriamento do líquido na eficácia do ciclo

De forma idêntica aos dois casos anteriores a Figura 11 mostra a influência do sub-resfriamento do líquido após sair do condensador no aumento da eficácia. Observe-se, também que a variação é bem menor que nos dois casos anteriores.

Influência do superaquecimento útil na eficácia do ciclo

Quando o superaquecimento do refrigerante ocorre retirando calor do meio que se deseja resfriar, chamamos a este “Superaquecimento útil”. A Figura 12 mostra a influência deste superaquecimento na eficácia do ciclo. Quando este superaquecimento não é realizado através de um trocador de calor intermediário, normalmente par ao sistema completo há uma diminuição da eficácia ao contrário do que está mostrado na figura abaixo.

Figura 12 - Influência do Superaquecimento no Coeficiente de Eficácia do Ciclo (β)

Isto se deve ao fato que o superaquecimento aumenta o volume específico do refrigerante na entrada do compressor e este desloca uma massa menor que deslocaria caso não existisse o superaquecimento. Este efeito de aumento de volume específico na diminuição do fluxo de massa é mais sensível que o efeito - frigorífico. Quando analisaremos a eficiência do compressor teremos oportunidade para esta verificação.

Componentes do Sistema de Refrigeração

Trocadores de Calor

Condensadores

Condensador são os elementos do sistema de refrigeração que têm a função de transformar o gás quente, que é descarregado do compressor a alta pressão, em líquido. Para isso, rejeita o calor contido no fluido refrigerante para alguma fonte de resfriamento.

Sub-Resfriamento

Após a condensação o refrigerante, agora no estado líquido (líquido saturado), é resfriado de mais alguns graus, utilizando-se para isso um trocador de calor intermediário (ver Trocador de Calor Intermediário, página 8). Na Figura 15 pode-se visualizar o sub-resfriamento indicado em um diagrama de Mollier.

Sub-Resfriamento

Figura 15 – Sub-Resfriamento em um ciclo de refrigeração

É no condensador que toda a energia absorvida pelo sistema de refrigeração, mais o equivalente em calor da energia mecânica necessária ao funcionamento do sistema devem ser eliminados. Para cada tonelada de refrigeração (200 BTU/min ou 50,4 kcal/min) de capacidade do sistema, é preciso remover no condensador até 300 BTU/min. A quantidade depende das pressões de sucção e descarga e do tipo de refrigerante. Na média, os sistemas são projetados para eliminar 250 BTU/min para cada 200 BTU/min de capacidade de refrigeração.

Tipos de Condensadores

Os tipos de condensadores comumente usados em sistemas de refrigeração são:

1. Condensadores de casco e tubos (shell and tube), Figura 16;
2. Condensadores de casco e serpentina (shell and coil), Figura 17;
3. Condensadores de tubos duplos (Figura 18);
4. Condensadores atmosféricos (Figura 19);
5. Condensadores evaporativos (Figura 20 e Figura 21) e
6. Condensadores resfriados a ar (Figura 22).

A utilização de um ou outro tipo de condensador dependerá, dentre muitas variáveis, das condições de projeto, da localização do condensador, da reutilização ou não do calor rejeitado. Para a escolha de um condensador deve-se ter em mente alguns parâmetros, a saber:

1. O condensador deve possuir uma superfície de transferência de calor suficiente para condensar o vapor enviado até o estado líquido;
2. O condensador deve ser projetado para pressões e temperaturas razoáveis, pois o processo normalmente é assim realizado;
3. O condensador deve ter tamanho suficiente para armazenar o vapor refrigerante comprimido pelo compressor. Antes de se condensar, o vapor ocupa um volume bem definido, este volume pode ser diminuído pelo aumento da pressão, mas um aumento da pressão significa um aumento da potência requerida para fazer funcionar o sistema. Quando um condensador tem superfície suficiente, normalmente ele também tem volume suficiente. Deve-se ter cuidado quando se escolhem condensadores com superfícies aletadas, pois isso indica área suficiente para eliminação de calor sem o volume necessário.
4. O condensador deve ainda ter espaço suficiente para que o líquido refrigerante condensado se separe do vapor e seja drenado para o reservatório de líquido.

Condensadores “Shell and Tube”

Um condensador do tipo “shell and tube” ou de casco e tubo (Figura 16), consiste de uma carcaça cilíndrica, na qual é instalada uma determinada quantidade de tubos horizontais e paralelos, conectados a duas placas de tubos dispostas em ambas as extremidades. Nos condensadores menores, a carcaça pode ser um tubo comum, mas, nos maiores, usam-se carcaças soldadas. As chapas de tubos, geralmente com espessura de 1” ou 1 ¼”, são soldadas à carcaça (casco) e perfuradas para receber os tubos. Os tubos, com as extremidades retificadas ou polidas, são inseridos nos respectivos furos das chapas de tubos e suas extremidades são soldadas ou trefiladas de modo a manter uma junta estanque ao gás. O gás refrigerante flui dentro da carcaça, em volta dos tubos, ao passo que a água passa dentro dos tubos.

Figura 16 – Condensador Casco e Tubos

Condensadores “Shell and Coil”

São semelhantes aos condensadores de casco e tubo. Consistem de uma carcaça que contém uma serpentina de circulação de água. Não possuem flanges removíveis (como nos de casco e tubo) e a limpeza da água só pode ser feita por meios químicos. No caso de vazamento na serpentina, toda ela tem que ser substituída. São normalmente usados para capacidades menores, i.e., potências fracionárias.

Figura 17 – Condensador de Serpentina e Casco

Condensadores Duplo Tubo

O condensador de duplo tubo (Figura 18) tem o tubo de água dentro do tubo de refrigerante. O refrigerante passa pelo espaço entre os dois tubos, enquanto que a água é bombeada pelo tubo interior. A água flui em direção oposta à do refrigerante, ficando a água mais fria em contato com o refrigerante mais frio e a água mais quente em

Condensadores Evaporativos

Os condensadores evaporativos combinam as funções de condensador e de torre de resfriamento. Consiste de um invólucro que contém uma seção de ventilador, separador de gotas, serpentina de condensação do refrigerante, reservatório de água, válvula de bóia e a bomba de pulverização do lado de fora do invólucro. A bomba de pulverização circula a água do reservatório, no fundo da unidade, para os bicos de pulverização, sobre a serpentina do refrigerante. Os ventiladores forçam a passagem do ar pela serpentina e pela água que está sendo pulverizada sobre a serpentina. O calor do refrigerante é transmitido através das paredes da serpentina à água que passa sobre ela. O ar remove o calor da água, pela evaporação de parte dela. Os separadores de gotas impedem que gotículas de água sejam levadas pelo ar.

Figura 20 – Condensadores Evaporativos

Esse tipo de condensador possibilita, ainda, o uso de serpentinas de sub-resfriamento e de pré-resfriamento. Definindo:

1. Serpentina de sub-resfriamento é uma serpentina auxiliar colocada abaixo da serpentina principal. O refrigerante líquido é drenado do condensador para o receptor e canalizado através da serpentina de sub- resfriamento, a caminho do lado de baixa pressão do equipamento. A serpentina retira algum calor do refrigerante líquido e ajuda a reduzir o volume de gás desprendido.
2. Serpentina de pré-resfriamento é uma serpentina separada do sistema, usada em algumas unidades para retirar o calor de compressão do gás refrigerante antes que ele chegue à serpentina de aspersão. Esta serpentina é dimensionada de modo a retirar calor suficiente para que o refrigerante se resfrie até próximo da temperatura de condensação. Isto ajuda a reduzir a incrustação na serpentina e a reduzir a umidade relativa do ar que sai da unidade.

Figura 21 – Esquema de um Condensador Evaporativo

É interessante observar que, a capacidade de um condensador evaporativo depende da extensão da área da serpentina, da quantidade de ar que passa por ela e da temperatura de bulbo úmido do ar que entra na unidade. O calor total a ser retirado é função da temperatura de bulbo úmido. Este calor é representado pela soma do calor sensível e do calor latente do ar à temperatura dada de bulbo úmido. Determinando-se a temperatura de bulbo úmido do ar que entra na unidade e do ar que sai dela, o calor total nesses dois pontos pode ser determinado. O acréscimo de calor total é devido ao calor cedido pelo refrigerante que se condensa e representa a capacidade do condensador. Quanto mais baixa a temperatura de bulbo úmido do ar de entrada, tanto maior a capacidade do condensador. Além da temperatura, um fator importante para esse tipo de condensador é a área de troca de calor. Há muitos anos têm sido usadas serpentinas tanto de tubos como aletadas. O tubo liso apresenta alguma vantagem principalmente na facilidade de limpeza, porém, é mais volumoso e pesado para uma dada capacidade. A serpentina aletada pode funcionar mesmo sob condições adversas de qualidade da água, sendo esta convenientemente tratada. Apresenta também a vantagem de ter capacidade suficiente para operar como condensador seco quando a temperatura do ar está abaixo de zero. Em se tratando de climas muito frios, onde a temperatura chega muitas vezes abaixo de zero, alguns cuidados devem ser tomados para assegurar o bom funcionamento dos condensadores, a saber:

1. Uma bomba e uma tomada de água separadas podem ser instaladas na casa de máquinas ou outro ambiente aquecido. A água do condensador pode fluir para essa tomada interna.
2. Aquecedores elétricos ou a vapor podem ser instalados no receptáculo de água.
3. Por meio de defletores, pode-se recircular uma parte do ar aquecido da descarga pelo condensador.

Fora esses cuidados, para uma boa operação destes equipamentos, há necessidade de uma manutenção preventiva como:

1. Lubrificar apropriadamente os mancais do eixo e do motor do ventilador e os mancais da bomba;
2. As correias do ventilador devem ser revisadas periodicamente para localizar desgaste e ajustar a tensão;
3. O reservatório de água deve ser drenado e limpo a intervalos predeterminados;
4. Os bocais de aspersão devem ser inspecionados e limpos;
5. Pontos incipientes (que estão começando) de ferrugem ou corrosão devem ser limpos e pintados;
6. As serpentinas devem ser inspecionadas periodicamente para detectar formação de incrustações.

SELEÇÃO DE CONDENSADORES EVAPORATIVOS

Para a seleção de um condensador evaporativo, é necessário: