Refrigeração (Aula 02)

EQUIPAMENTOS, ACESSÓRIOS E REFRIGERANTES DOS SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO

MECÂNICA DE VAPORJessé Luís Padilha

• Somente em circunstâncias muito especiais os equipamentos e acessóriosdos sistemas de refrigeração são construídos para uma aplicação emparticular. Em geral, são de tamanhos padronizados e pertencem a umafamília de produtos que têm seus desempenhos especificados emcatálogos de fabricantes. São fabricados por indústrias especializadas queusam métodos de produção em massa. Em instalações de porte muitogrande esses componentes podem ser produzidos a fim de atender umprojeto especial. Isso é particularmente verdadeiro no caso dosevaporadores que podem tomar formas diferentes de acordo com oproduto a ser resfriado. Entretanto, na maioria das instalações mesmo oevaporador tende a ser um equipamento padronizado.

• A seleção dos equipamentos e acessórios e sua integração em um sistemade refrigeração são feitas pelos fabricantes de aparelhos e utensílios, que,em determinados casos, podem produzir alguns desses componentescomo acontece com as geladeiras e condicionadores de ar de janela.Entretanto, apesar dos sistemas montados em fábrica, a grande maioriadas instalações de refrigeração é construída por empreiteiras (firmasmontadoras), algumas vezes mediante seu próprio projeto e outrasseguindo o projeto de um consultor contratado pelo cliente. Geralmente,a firma contratada faz a compra dos equipamentos, acompanha a entrega,monta a instalação e a coloca em funcionamento, ou seja, introduz a cargade refrigerante, ajusta os controles, etc, cuidando para que tudo funcioneadequadamente. Durante esse período o corpo técnico do cliente étreinado na operação da instalação.

• Compressores• O COMPRESSOR É O EQUIPAMENTO DO SISTEMADE REFRIGERAÇÃO QUE REALIZA:

• 1) A ASPIRAÇÃO DA VAPOR DE REFRIGERANTEEM BAIXA PRESSÃO, NA MESMA TAXA EM QUE ÉPRODUZIDO NO EVAPORADOR;

• 2) COMPRESSÃO, AUMENTANDO SUA PRESSÃO,PRODUZINDO VAPOR SUPERAQUECIDO;

• 3) DESCARGA DO VAPOR EM ALTA PRESSÃO ETEMPERATURA NO CONDENSADOR.

• O compressor é um dos principais componentes dosistema de refrigeração, sua função é aumentar apressão do fluido refrigerante e promover a circulaçãodesse fluido no sistema. Os principais tipos decompressores utilizados são: alternativo, centrífugo, deparafusos, palhetas e Scroll. A escolha do tipo decompressor depende essencialmente da capacidade dainstalação, que pode ser dividida em pequenacapacidade (< 2,5 TR), média capacidade (entre 2,5 e75 TR) e grande capacidade (> 75 TR), da temperaturade vaporização e do fluido frigorífico utilizado.

• (1,0 TR = 3,53 kW = 3024 kcal/h).

• COMPRESSORES ALTERNATIVOS ‐ PISTÃO• O REFRIGERANTE É ADMITIDO NA CÂMARA DECOMPRESSÃO PELA VÁLVULA DE SUCÇÃO;

• O VIRABREQUIM TRANSFORMA O MOVIMENTOROTATIVO DO MOTOR EMMOVIMENTO LINEAR;

• A CRUZETA GUIA O MOVIMENTO DO EIXO DO PISTÃO;• O PISTÃO COMPRIME O REFRIGERANTE, QUE ÉRETIRADO DA CÂMARA PELA VÁLVULA DE DESCARGA;

• O ESPAÇO OCUPADO PELAS VÁLVULAS IMPEDE OCURSO TOTAL DO PISTÃO, FAZENDO COM QUEPERMANEÇA UMA PARTE DO FLUIDO DENTRO DACÂMARA.

Compressor Alternativo

• COMPRESSORES DE UM ESTÁGIO REALIZAM UMAÚNICA COMPRESSÃO NO REFRIGERANTE.

• COMPRESSORES DE DOIS ESTÁGIOS RECEBEM O AR EMUM CILINDRO E DEPOIS PASSA PARA O SEGUNDOCILINDRO. AMBOS ESTÃO LIGADOS AO MESMOVIRABREQUIM.

• POSSUEM GRANDE APLICAÇÃO NA CLIMATIZAÇÃO,USADOS EM CONDICIONADORES DE AR, MAS TAMBÉMPODEM SER USADOS PARA OBTER TEMPERATURASBAIXAS (‐35ºC) EM PROJETOS DE MÉDIO PORTE, EPODEM MANIPULAR GASES NA INDÚSTRIA DEALIMENTOS.

Compressor Alternativo Aberto

Compressor Alternativo Aberto

Unidade Condensadora

Compressor Alternativo Semi-Hermético

Compressor Alternativo Semi-Hermético

Compressor Alternativo Hermético

Compressores Abertos• Exigem um selo na ponta do eixo, • Variação de sua rotação apenas pela modificação das polias • Manutenção mais fácil (motor e compressor separados)

Compressores Herméticos e Semi-herméticos• Funcionamento mais silencioso• Difícil o surgimento de vazamentos de refrigerante• O óleo age como refrigerante, isolante e lubrificante do motor• Juntas podem dar origem a vazamentos de fluído frigorífico (semi)• Não podem ser utilizados com amônia• Maior taxa de rejeição de calor no condensador


Diagrama Pressão-Volume

31

m


Eficiência volumétrica de espaço morto

3 1v,m

3 m

V V 100V V

Definindo fração de espaço morto rm , como:

mm

3 m

Vr 100V V

Resulta para a Eficiência volumétrica de espaço morto

1v,m m

m

V100 r 1V


Para expansão politrópica então:1/ k

d1

m 1

pVV p

1v,m m

m

V100 r 1V

1/ kd

v,m m1

p100 r 1p


1/ kd

v,m m1

p100 r 1p

Eficiência volumétrica de espaço morto XTemperatura de evaporação

Refrigerante R22Tc=35 oC



Potência

iP m h

Onde : variação de entalpia na compressão isentrópica

e

ihv,m

aspm taxa de deslocamento

100 v


Trabalho de compressão e potênciaXTemperatura de evaporação



Capacidade de refrigeraçãoXTemperatura de evaporação


1 4q m(h h )


Coeficiente de eficácia - COPXTemperatura de evaporação


Eficiência volumétrica de espaço morto XTemperatura de Condensação

Refrigerante R22To= 20 oC


Capacidade de Refrigeração XTemperatura de Condensação



Potência XTemperatura de Condensação



Cap. Frigorífica[ kcal/h]Tc, oC

To,oC30 40 50

-20,0 14.410 12.650 10.810-15,0 18.030 15.950 13.840-10,0 22.050 19.610 17.070

-5,0 27.050 24.350 21.4500,0 33.000 29.750 26.200

+5,0 39.800 35.900 32.000+10,0 47.450 43.000 38.300


o

Tc =

40

Co

Tc =

50

Co

Tc =

30

CCap. Frigorífica

Tc = 30 C

Tc = 40 C

Tc = 50 C

o

.

-20 -15 -10 -5 0 5 10TEMPERATURA DE VAPORIZAÇÃO, To, em C

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

50000C

APA

CID

AD

E FR

IGO

RÍF

ICA

, Q

o, e

m k

cal/h Potência de Eixo

Tc = 30 C

Tc = 40 C

Tc = 50 C

-20.00 -10.00 0.00 10.00TEMPERATURA DE VAPORIZAÇÃO, [ C ]

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

16.00

18.00

POTÊ

NC

IA D

E EI

XO, W

,

em

[ k

W ]

O

Tc = 30 C

Tc = 40 C

Tc = 50 Co

o

o

o

o

o

eixo

.



Eficiência volumétrica real

Variação de temperatura do refrigerante ao entrar no cilindro

Variação de pressão do refrigerante na válvula de admissão

Fuga de refrigerante pelas válvulas de admissão e descarga

realv,m0,79 0,90

realv,m

t0,90 0,95

p0,93 0,97

f0,95 0,98

Eficiência volumétrica efetiva e de espaço morto XRazão entre a pressão de descarga e a de aspiração

Refrigerante R22To= 20 oCTc = 35 oC


Controle de Capacidade em Compressores Alternativos

Atuação no compressor, ligando-o ou desligando-o;

Estrangulamento do gás de aspiração entre o evaporador e o compressor através do uso de uma válvula reguladora de pressão de sucção;

Desvio do gás na descarga do compressor para a linha de aspiração ou para o evaporador;

Funcionamento a vazio de um ou mais cilindros, através da abertura contínua da válvula de sucção;


• COMPRESSORES ALTERNATIVOS – DIAFRAGMA• A FAIXA AMARELA, OCUPADA PELO FLUIDO DE TRABALHO

(NORMALMENTE, UM ÓLEO), É COMPRIMIDA POR UMPISTÃO;

• A COMPRESSÃO DO FLUIDO DE TRABALHO CAUSA ACOMPRESSÃO DO DIAFRAGMA, A FAIXA AZUL,PROVOCANDO DESLOCAMENTO DELE;

• ASSIM, O REFRIGERANTE PODE SER COMPRIMIDO PELODESLOCAMENTO DO DIAFRAGMA.

• POSSUEM GRANDE APLICAÇÃO NO TRABALHO COM GASESPERIGOSOS OU CORROSIVOS , POIS ISOLAMCOMPLETAMENTE O GÁS COMPRIMIDO, NÃO HAVENDOCHANCES DE MISTURA COM FLUIDOS.

Compressor Parafuso• É FORMADO POR DOIS ROTORES ACOPLADOS, UM MACHO

(PERFIL CONVEXO) E UM FÊMEA (PERFIL CÔNCAVO),SEPARADOS POR UMA PELÍCULA DE ÓLEO PARA EVITAR OCONTATO DIRETO METAL‐METAL;

• COM O GIRO DOS ROTORES, AUMENTA O VOLUME ENTREOS LÓBULOS, QUE É PREENCHIDO COM GÁS SUCCIONADO,E A ENTRADA É FECHADA;

• NO FINAL DA SUCÇÃO, OS LÓBULOS COMEÇAM A SEENCAIXAR, COMEÇANDO O PROCESSO DE COMPRESSÃO;

• A DESCARGA DE AR COMPRIMIDO É DETERMINADA PELALOCALIZAÇÃO DA CÂMARA DE DESCARGA. O VOLUME DEGÁS NOS ESPAÇOS ENTRE OS LÓBULOS NA PORTA DEDESCARGA É CHAMADO DE VOLUME DE DESCARGA.

• Compressor• Parafuso

• SÃO UTILIZADOS EM SISTEMAS DEREFRIGERAÇÃO INDUSTRIAL, UTILIZANDOAMÔNIA E OUTROS GASES;

• SÃO APLICADOS EM MOTORES AUTOMOTIVOS,MAS SÃO MENOS EFICIENTES QUE OSTURBOCOMPRESSORES;

• POSSUI POUCAS PARTES MÓVEIS, DIMINUINDO ODESGASTE MECÂNICO DAS PEÇAS;

• SÃO MUITO USADOS EM PROCESSOS UTILIZANDOAR COMPRIMIDO QUE NECESSITAM DE AR EMPRESSÕES RELATIVAMENTE BAIXAS.


Tipos de Compressores Alternativos:

De simples ou duplo efeito;

De um ou mais cilindros;

Abertos, herméticos ou semi-herméticos;

Horizontais, verticais, em V, em W ou radiais.

Sua capacidade de refrigeração varia desde pequenas frações até centenas de kW (1 a 700kW)(pequenas frações até 200 TR)Obs.: TRTonelada de Refrigeração (1TR = 3,5 kW)

Compressor de Parafusos



• Capacidades de 50 até 350 TR• Menor tamanho que os alternativos• Menos partes móveis• Permite a sucção de uma certa quantidade de líquido

• Menor eficiência que os alternativos em condições de carga parcial

• Óleo: - lubrificação

- vedação

- resfriamento

COP para chillers parafuso

(resfriados água)



Controle de Capacidade em Compressores de Parafusos

Válvulas corrediças localizadas na carcaça do compressor , que se movem na direção axial provocando um retardamento do início da compressão.

Compressor Rotativo• SÃO EQUIPAMENTOS QUE COMPRIMEM O AR POR MEIO DE UM

PISTÃO ROLANTE (EMPURRADO POR UM CONJUNTO LÂMINA‐MOLA), QUE POSSUI UM ROLO EXCÊNTRICO MONTADO COM EIXOCOINCIDENTE DO CILINDRO (CÂMARA DE COMPRESSÃO);

• TODO O CONJUNTO DO CILINDRO OPERA SUBMERSO NUM BANHODE ÓLEO. A VÁLVULA DE SUCÇÃO E A DE DESCARGA SE LOCALIZAMPROXIMAMENTE À RANHURA DA LÂMINA, E A DESCARGA OCORRENUM ESPAÇO ACIMA DO NÍVEL DE ÓLEO, DIRETAMENTE PARA OCONDENSADOR;

• INSTALA‐SE UMA VÁLVULA DE RETENÇÃO PARA EVITAR RETORNODE VAPOR NA DESCARGA DO COMPRESSOR;

• POR GERAR POTÊNCIA DE, APROXIMADAMENTE, 7000 Btu/h, ÉMAIS UTILIZADO EM GELADEIRAS E EQUIPAMENTOS DE MENORPORTE, COMO CONDICIONADORES DE AR PEQUENOS E MÁQUINASDE BEBIDAS.

• Compressor Rotativo

Compressor de Palhetas

Palhetas Simples


Múltiplas Palhetas

Compressor de Palhetas • SÃO COMPRESSORES COM DESEMPENHO MENOR DO QUE OS COMPRESSORES DE PARAFUSO E OS CENTRÍFUGOS;

• SÃO APLICADOS EM GELADEIRAS E SISTEMAS DE CLIMATIZAÇÃO DE EDIFÍCIO QUE NÃO EXIGEM GRANDE DESEMPENHO DE OPERAÇÃO;

• PODEM SER UTILIZADOS EM UNIDADES FABRIS DE ATÉ 60 TR;

• EM APLICAÇÕES NOS DIVERSOS SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO, O SCROLL CHEGA A SER MELHOR QUE OS SEMI‐HERMÉTICOS;

• PRODUZEM POUCOS RUÍDOS E VIBRAÇÕES.

Compressor de Palhetas • A GRANDE APLICAÇÃO DSTES EQUIPAMENTOS É NO

SISTEMA DE TURBOCOMPRESSÃO EM MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA;

• POSSUI APLICAÇÃO EM SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO DE MÉDIO PORTE, NA PRODUÇÃO DE 400 TR, EM MÉDIA;

• É MAIS UTILIZADO PARA SE OBTER PRESSÕES MAIS BAIXAS (SE COMPARADAS ÀS PRESSÕES ALCANÇADAS POR COMPRESSORES DE FLUXO AXIAL) EM FAIXAS AMPLAS DE FLUXO MÁSSICO;

• AS FORMAS DAS PALHETAS DO ROTOR E O MATERIAL DO QUAL ELAS SÃO FEITAS SÃO MUITO IMPORTANTES PARA DETERMINAR A PRESSÃO DE EJEÇÃO DO FLUIDO.

• Utilizados em geladeiras domésticas, congeladores e condicionadores de ar (<0.75 kW to 3.0 kW)

• COP 2,7 (To = 2 ºC Tc = 50 ºC )


Compressores Scroll• SÃO FORMADOS POR DUAS ESPIRAS, UMA ESTÁTICA E OUTRA

MÓVEL, CADA UMA MONTADA A UMA PLACA PLANA CIRCULAR EESTÃO DEFASADAS DE 180º;

• A ADMISSÃO É REALIZADA ENTRE AS DUAS ESPIRAS, COM AENTRADA DE REFRIGERANTE PELAS ABERTURAS LATERAIS, QUESÃO SELADAS PELO MOVIMENTO RELATIVO ENTRE AS ESPIRAS;

• A COMPRESSÃO OCORRE DURANTE O MOVIMENTO DO EIXOROTATIVO, QUE REDUZ O VOLUME ATÉ UMA PRESSÃO MÁXIMA;

• TODOS OS PROCESSOS OCORREM SIMULTANEAMENTE, DURANTEUMA ROTAÇÃO DO EIXO. A DESCARGA OCORRE NO PONTOMÁXIMO DE PRESSÃO, E OCORRE ATRAVÉS DE UMA PEQUENAABERTURA LOCALIZADA NO CENTRO DA ESPIRAL FIXA.

Compressor Scroll

Compressor Scroll

Características

A capacidade de refrigeração dos compressores Scroll, para sistemas de expansão direta, está na faixa de 1 a 15 TR (52,3 kW)

Podem ser encontrados com capacidade de até 60 TR

Eficiência volumétrica, variando de 96,9 a 93,6% para um aumento de relação de pressão de 2,77 para 3,58

COP de 3,35 (Chillers resfriados a água)

Admitem a sucção de uma certa quantidade de líquido

Menos peças móveis (<50%)

Compressor Centrífugo

• Compressor Centrífugo


COP para chillers centrífugos (resfriados água)

• Podem ser utilizados satisfatoriamente de 60 a 3000 TR

• To pode atingir de –50 a –100 ºC (sistemas de estágios múltiplos)

• Maior aplicação: resfriamento da água até 6 a 8 ºC (ar condicionado)






Controle de Capacidade em Compressores Centrífugos

Variação da rotação.

Regulagem das pás de pré-rotação na entrada do rotor

• Comparação entre vários tipos de compressores (Wang, 1992)

SELEÇÃO DE COMPRESSORES• EM ATIVIDADES ENVOLVENDO REFRIGERAÇÃO E CLIMATIZAÇÃO, O

COMPRESSOR É O COMPONENTE QUE CONSOME MAIOR QUANTIDADE DEENERGIA, INFLUENCIANDO BASTANTE NOS CUSTOS DA ATIVIDADE. PARAQUE SE POSSA SELECIONAR OS MELHORES EQUIPAMENTOS , DEVE‐SEATENTAR PARA OS SEGUINTES ITENS:

• TIPO E EFICIÊNCIA DO COMPRESSOR• O NÚMERO DE EQUIPAMENTOS EM FUNÇÃO DA CAPACIDADE DE

REFRIGERAÇÃO NECESSÁRIA DEVE ATENTAR PARA O ESPAÇO DISPONÍVEL• AMBIENTE DE INSTALAÇÃO• CONDIÇÕES OPERACIONAIS LIMITES• A CONFIABILIDADE DO EQUIPAMENTO: COMPRESSORES COM NÚMERO

REDUZIDO DE PEÇAS SÃO MAIS CONFIÁVEIS QUE OS DE ELEVADONÚMERO DE PEÇAS

• CARACTERÍSTICAS DO MOTOR ELÉTRICO

Condensadores

• A representação precisa do comportamentode um condensador pode ser complexa,porque o vapor de fluido frigorífico entra nocondensador superaquecido e, quando atingeo inicio da condensação, após o inicio deresfriamento, a fração de líquido e vapor noescoamento varia ao longo do condensadoraté sair completamente no estado líquido.

Condensadores

Características

Condensadores resfriados a ar

Condensadores resfriados a água

Condensador duplo tubo

Condensador Carcaça e Serpentina (Shell and Coil)

Condensador Carcaça e Tubo (Shell and Tube)

Condensador de Placa

Condensadores Evaporativos


Faixa de capacidade 1 a 100 TR (7 a 352 kW) É usual a sua montagem em paralelo, atingindo

capacidades superiores


• A temperatura de condensação deve ser fixada em um valor entre 11 °C e15 °C maior que a temperatura de bulbo seco do ar que entra nocondensador.

• O valor ótimo da diferença entre a temperatura de condensação e atemperatura do ar que deixa o condensador: 3,5 e 5,5 °C.

• Temperatura de condensação não deve ser superior a 55 °C.– Tc = 48 °C, para temp. de evaporação maior ou igual a 0 °C;– Tc = 43 °C, para temp. de evaporação menor que 0 °C;

• Devem ser instalados elevados, com relação ao nível do solo, paraprevenir acumulação de sujeira sobre as serpentinas.

• Garantir que existam aberturas adequadas e livres de qualquer obstruçãopara entrada de ar frio e para a saída do ar quente.

• Entradas de ar localizadas longe do lado de descarga do ar para evitar aaspiração de ar quente pelos ventiladores


Condensadores resfriados a água

• Normalmente estes condensadores utilizam água proveniente de uma torre de resfriamento

• A temperatura de condensação deve ser fixada em um valor entre 5,0 e 8,0 °C maior que a temperatura da água que entra no condensador

Condensadores duplo tubo

Normalmente utilizados em unidades de pequena capacidade Condensadores auxiliares (paralelo com condensadores a água Limpeza difícil

Condensador Carcaça e Serpentina

(Shell and Coil)

Normalmente são usados em unidades de pequena e médiacapacidade, tipicamente até 15 TR

Limpeza difícil

Condensador Carcaça e Tubo (Shell and Tube)

São fabricados para uma vasta gama de capacidades,sendo amplamente utilizados em pequenos e grandessistemas de refrigeração

• Aumentando-se o tamanho de um condensador, aumenta-se a eficiência do compressor, mas ao mesmo tempo o seu custo inicial também aumentará.

• Aumentando o fluxo de água de resfriamento aumenta-se a capacidade de condensador, porém também aumenta-se o custo de bombeamento da água e o seu consumo.

• Fator incrustação: está associado a uma resistência térmica adicional devido à formação de incrustações (qualidade de água). Para e água de boa qualidade, considera-se de 0,000044 m2.°C/W

Condensador de Placa

• Placas de aço inox ou, em casos especiais, de outro material, de pequena espessura (0,4 a 0,8 mm).

• Elevado coeficiente global de transferência de calor

• Torre de Resfriamento• Em muitos sistemas de refrigeração, ar condicionado e processos

industriais, gera‐se calor que deve ser extraído e dissipado.Geralmente utiliza‐se água como elemento de resfriamento. Seexiste água disponível em quantidade suficiente e temperaturaadequada, sem problemas econômicos ou ecológicos, basta utilizá‐la de maneira contínua retirando, por exemplo, de um rio. Se estasolução não for possível ou for inviável economicamente ouecologicamente, o procedimento mais comum é empregar umatorre de resfriamento que permite através da evaporação de umapequena quantidade de água, transmitir calor para o ar de formaque água possa ser empregada novamente para resfriamento,devendo‐se repor ao circuito apenas a parte de água perdida porevaporação. Assim, uma torre de resfriamento é uma instalaçãopara resfriamento de água através do contato com o ar atmosférico.

Condensadores Evaporativos

• São selecionados com base em uma diferença de 10 a 15 °C, entre atemp. de condensação e a temp. de bulbo úmido do ar que entra nocondensador.

• bomba de água destes condensadores é de menor capacidade que arequerida pelos condensadores resfriados a água

• Devem estar localizados próximos dos compressores

Reservatórios de Líquido

Todo sistema de refrigeração deve ter umreservatório com volume suficiente para armazenar acarga total de refrigerante devido a:

Paradas para manutenção Sazonalidade do processo de produção

Obs.: Em condensadores Shell and tube, o reservatório éa própria carcaça.

Condensadores

Condensadores

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Condensadores

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