Refrigeração (Aula 03)

EQUIPAMENTOS, ACESSÓRIOS E REFRIGERANTES DOS SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO

MECÂNICA DE VAPORJessé Luís Padilha

• Evaporadores• Seguindo o mesmo procedimento realizadopara os condensadores, a variação detemperaturas do refrigerante e do meio a serresfriado, no caso o ar, em um dadoevaporador de um sistema frigorífico.

Evaporadores

Classificação quanto ao sistema de alimentação

Evaporadores Secos (ou de Expansão Direta)

Evaporadores Inundados

Classificação dos Evaporadores Quanto ao Fluído a Resfriar

Evaporadores para o resfriamento de ar

Evaporadores para o resfriamento de líquidos Carcaça e tubo (Shell and tube). Carcaça e serpentina e (Shell and coil). Cascata ou Baudelot. Evaporadores de Placas.

Evaporadores de contato

Evaporadores Secos (ou de Expansão Direta)

• Refrigerante entra no evaporador, de forma intermitente, através de uma válvula de expansão (VET)

• É completamente vaporizado e superaquecido ao ganhar calor em seu escoamento pelo interior dos tubos

• “Baixo” coeficiente global de transferência de calor (dificuldade de se manter a superfície dos tubos molhadas)

• fluídos frigoríficos halogenados

• instalações de capacidades não muito elevadas.

Evaporadores de Expansão Direta – Carga Parcial

Evaporadores com circulação forçada de ar

• Utilizado em câmaras frigoríficas, salas deprocessamento e túneis de congelamento

• Constituídos por uma serpentina aletada eventiladores montados em um gabinete

• Molhar a sua superfície externa pelaaspersão de um líquido (“evaporadores desuperfície úmida”) => Aumenta-se o coef.global de transferência de calor

• Aspersão de água => Aumentar a umidaderelativa do ambiente (temp acima de 0 °C)

• Aspersão de glicol ou salmoura => Eliminara formação de gelo reduzindo o tempo eperda de energia no degelo.


• Ventilador succionando Permite maio alcance do fluxo de ar frio, porém o calor dissipado pelo motor do ventilador não é retirado imediatamente.

• Ventilador soprando Menor alcance, porém calor dissipado pelo motor do ventilador é retirado do ar imediatamente após a sua liberação.


Comportamento em função de parâmetros dimensionais e operacionais.

Área de Face (produto da altura pela largura)

• Determina a velocidade de face

• Reduzindo-se a área de face => Aumenta-se a velocidade de face

• O coeficiente global de transferência de calor aumenta até umdeterminado valor (depois não ocorrem mais aumentos significativos)

• A variação de temperatura do ar diminui (temp. na saída aumenta)

• A umidade do ar na saída da serpentina aumenta.

• Valores usuais: 2,0 a 4,0 m/s.

Obs.: Para evitar o arraste de gotas de água, a velocidade não deve sersuperior a:

• 3,0 m/s para serpentinas simples

• 3,5 m/s para serpentinas com eliminadores de gotas.


Número de aletas por unidade de comprimento

• Aumentando-se o número de aletas por unidade de comprimento:

• Aumenta-se a variação de temperatura (menor temp. na saída)

• Aumenta-se a redução de umidade (menor umidade na saída)

• Para temperaturas acima de 0 °C, o número de aletas de uma serpentina varia de 4 a 6 aletas por polegada

• Para temperaturas abaixo de 0 °C, no máximo de 2,5 aletas por polegada.

• Para condicionamento de ar, que trabalham com temperaturas elevadas, usa-se de 12 a 15 aletas por polegada.


Profundidade da serpentina, (No de Rows)

• O no de rows influencia na remoção de calor latente. Qto. maior este número maior a redução de umidade do ar ao atravessar a serpentina.

• O no de rows normalmente varia de 4 a 8.

Vazão de Ar• O aumento da vazão de ar aumenta a velocidade de face• Aumentando-se a velocidade de face:

- A variação de temperatura do ar diminui entre a entrada e a saída- A remoção de umidade do ar diminui


Temperatura do refrigeranteMaiores temperaturas do refrigerante implicarão em

• Maiores temperaturas da superfície externa da serpentina• Diminuição da variação de temperatura do ar • Diminuição da remoção de umidade

Umidade relativa em função da diferença entre temperatura do refrigerante e da temperatura da câmara

� Número de Evaporadores• Maior número de evaporadores garante uma distribuição uniforme do ar frio por toda a área da câmara.

• Ambientes irregulares ou muito grandes podem necessitar de mais de um evaporador

� Velocidade do Ar na Câmara. • A velocidade do ar nas câmaras de conservação de produtos não deve ser superior a 0,5 m/s (evitar a desidratação excessiva)

Evaporadores Inundados

• Usa de forma efetiva toda a sua superfície de transferência de calor, resultando em elevados coeficientes globais de transferência de calor

• Normalmente utilizados com amônia• Seu emprego é limitado em sistemas com refrigerantes halogenados

(dificuldade de retorno do óleo ao cárter do compressor). • Exigem grandes quantidades de refrigerante• Possuem um maior custo inicial

Evaporadores Carcaça e Tubo (Shell and tube)

• Utilizados na industria de refrigeração para o resfriamento de líquidos. • São fabricados em uma vasta gama de capacidades• Podem ser do tipo:

- Inundado, com alimentação por gravidade (refrigerante na carcaça)- Expansão direta- Recirculação por bomba

Evaporadores Carcaça e Tubo (Shell and tube)

Evaporador de Cascata ou Baudelot

• Utilizados para o resfriamento de líquidos, normalmente água paraprocesso, até uma temperatura em torno de 0,5 °C acima do seu pontode congelamento.

• São projetados de forma que não sejam danificados se houvercongelamento do líquido.

• Indústria de bebidas (cervejarias) e para o resfriamento de leite

Evaporadores de Contato

• Utilizados para o congelamento de produtos sólidos, pastosos ou líquidos.

• Serpentinas de prateleiras em congeladores.

• Refrigerante circula através de canais existentes nas placas e o produto a congelar é colocado entre (ou sobre) as placas.

Evaporadores de Placas

Evaporadores

o a p ea saQ m c T T

a po ea o

a p

2m c UAQ T T

UA 2m c

sa eaml m o m

T TT T T T2

a po ea o

a p

2m c UAQ T T

UA 2m c

o evap ea oQ F T T

Evaporadores

Evaporadores

Coeficientes globais de transmissão de calor de algunsevaporadores para líquidos

• Dispositivos de Expansão.• Em um sistema de refrigeração, o dispositivode expansão têm a função de reduzir apressão do refrigerante desde a pressão decondensação até a pressão de vaporização. Aomesmo tempo, este dispositivo deve regular avazão de refrigerante que chega aoevaporador, de modo a satisfazer a cargatérmica aplicada ao mesmo.

Dispositivos de Expansão

Válvula de Expansão Termostática

Válvulas de Expansão Eletrônicas

Válvulas de Bóia

Válvula de Expansão de Pressão Constante

Tubos Capilares


Válvula de Expansão Termostática com Equalização Interna

Válvula de Expansão Termostática - Aumento da Carga

Válvula de Expansão Termostática - Redução da Carga

Válvula de Expansão Termostática com Equalização Externa

Características das Válvula de Expansão Termostática

(a) Carga Normal (b) Carga Cruzada

Capacidade Frigorífica de uma


Capacidade Frigorífica de uma


Hunting

• Instabilidades => ciclos de superalimentação e subalimentação• Causa flutuações de pressão e temperatura (reduz a capacidade)• Gotas deste líquido transportadas até a saída do evaporador• Determinado pelos seguintes fatores:

• Tamanho da Válvula. Válvula superdimensionada pode gerarhunting.

• Grau de Superaquecimento. Quanto menor o grau desuperaquecimento, maior as chances da válvula entrar emhunting.

• Posição do bulbo.


Princípio de operação:

Um termistor é instalado na saída do evaporador;

Uma mudança na temperatura na saída do evaporador altera a resistência elétrica do termistor;

A alteração da resistência elétrica é analisada por um circuíto que envia um sinal para o posicionamento da agulha da válvula.


Comparadas com as válvulas de expansão termostática, as principais vantagens das válvulas eletrônicas são:

Promovem um controle mais preciso da temperatura.

Promovem um controle consistente do superaquecimento, mesmo em condições de pressão variável.

São capazes do operar com menores pressões de condensação. Isto é especialmente importante quando se tem baixa temperatura ambiente.

Podem resultar em economia de energia de 10% (ou mais)

Válvulas de Bóia

Válvulas de Bóia



• Fecha suavemente quando o compressor é desligado e permanece fechada até que o compressor volte a ser ligado.

• Principais aplicações onde a temperatura de vaporização deve ser mantida constante (controle de umidade em câmaras frigoríficas ou evitar o congelamento em resfriadores de água).

• Proteção contra sobrecarga do compressor. • Eficiência relativamente baixa

Tubos Capilares

Vantagens dos Tubos Capilares: Simplicidade (não apresentam partes móveis). Baixo custo. Permitem a equalização das pressões do sistema durante as

paradas (motor de acionamento do compressor pode ser de baixo torque de partida).

Redução da quantidade e custo do refrigerante e eliminação da necessidade de um tanque coletor.

Tubos Capilares

Desvantagens dos Tubos Capilares: Impossibilidade de regulagem para satisfazer distintas

condições de carga. Risco de obstrução por matéria estranha. Exigência de uma carga de refrigerante dentro de limites

estreitos. Redução da eficiência operacional para qualquer variação da

carga térmica ou da temperatura de condensação.

Acessórios

Pressostatos Termostatos Filtros e Secadores Separadores de óleo Válvulas Solenóide Visores de Líquido

Pressostatos

Pressostatos de baixa pressão: desligam, quando a pressão de sucção se torna menor do que um determinado valor;

Pressostatos de alta pressão: desligam, quando a pressão de descarga se torna maior do que um determinado valor;

Pressostatos de alta e baixa: reúnem os dois tipos anteriores num único aparelho;

Pressostatos diferenciais: destinados ao controle da pressão do óleo de lubrificação dos compressores

Pressostatos

Termostatos

Indicam variações de temperatura e fecham ou abrem contatos elétricos

Podem ser classificados como: Bimetálico Termostato com bulbo sensor de temperatura Termostato eletrônico

Termostatos

Filtros e Secadores

São destinados a: Eliminar partículas estranhas nas tubulações de

sistemas refrigeração Eliminar a umidade presente no sistema

Podem ser montados tanto na linha de sucção como na linha de líquido

Filtros e Secadores

Filtros e Secadores

“By pass” para isolamento em instalações de médio e grande porte Utilizados no circuito por um período de 10 a 15 dias

Separadores de óleo

Problemas relacionados ao óleo Formação de espuma no óleo do carter

do compressor (Resistência elétrica no carter)

Remoção do filme de óleo nos mancais do compressor

Redução do coeficiente de troca de calor no evaporador e condensador

Golpes de líquido no compressor

São instalados na descarga do compressor, para reduzir a circulação de óleo no circuito

Válvulas Solenóide

Usadas para controlar o fluxo de refrigerante líquido para a válvula de expansão para promover o recolhimento de refrigerante “pump-down”

Bobina

ArmaduraCircuito aberto

Bobina

ArmaduraCircuito fechado

(b)(a)

Visores de Líquido

São colocados normalmente na saída do reservatório de líquido

Permitem verificar se existe umidade no sistema

Permitem verificar se a carga de refrigeração está completa;

• Fluidos Refrigerantes

• Fluidos frigoríficos, fluídos refrigerantes, ou simplesmenterefrigerantes, são as substâncias empregadas comoveículos térmicos na realização dos ciclos de refrigeração.Inicialmente foram utilizadas, como refrigerantes,substâncias com NH3, CO2, SO2, CH3Cl entre outras, maistarde, com a finalidade de atingir temperaturas em tornode ‐75°C, substâncias com N2O, C2H6 e mesmo o propano,foram empregadas. Com o desenvolvimento de novosequipamentos pelas indústrias frigoríficas, cresceu anecessidade de novos refrigerantes.

• O emprego da refrigeração mecânica nasresidências e o uso de compressores rotativose centrífugos, determinaram a pesquisa denovos produtos, levando a descoberta dosCFCs (hidrocarbonetos à base de flúor e cloro).Os CFCs reúnem, numa combinação única,várias propriedades desejáveis: não sãoinflamáveis, explosivos ou corrosivos; sãoextremamente estáveis e muito pouco tóxicos.

• Em 1974, foram detectados, pela primeira vez, osproblemas com CFCs, tendo sido demonstradoque compostos clorados poderiam migrar para aestratosfera e destruir moléculas de ozônio. Porserem altamente estáveis, ao se liberarem nasuperfície terrestre conseguem atingir aestratosfera antes de serem destruídos. Os CFCsforam então condenados como os maioresresponsáveis pelo aparecimento do buraco nacamada de ozônio sobre a Antártica.

• A amônia tem sido adotada na maioria das instalaçõesindustriais de construção recente, dominando o setor.Uma vasta gama de produtos alternativos aos CFCs têmsido colocada no mercado pelos produtores decompostos halogenados, tornando difícil ao projetista,decidir quanto ao refrigerante que melhor se ajuste àsua instalação em particular. Determinados setores daindústria optaram por um substituto em particular,como no caso do condicionamento de cabinas paraaplicações automotivas, onde o CFC‐12 foi substituídopelo HCFC‐134a.

Fluidos Refrigerantes

São as substâncias empregadas como veículos térmicos na realização dos ciclos de refrigeração

Podem ser classificados nas seguintes categorias: Hidrocarbonetos halogenados; Misturas não azeotrópicas de hidrocarbonetos

halogenados; Misturas azeotrópicas de hidrocarbonetos

halogenados Compostos orgânicos; Compostos inorgânicos.

Designação segundo a norma ASHRAE 34-1992

(C‐1) (H+1) (F)

Número de átomos de flúor

Número de átomos de hidrogênio mais 1

Número de átomos de carbono menos 1

Compostos derivados de hidrocarbonetos não saturados

Designação segundo a norma ASHRAE 34-1992

(C‐1) (H+1) (F)

Número de átomos de flúor

Número de átomos de hidrogênio mais 1

Número de átomos de carbono menos 1

Compostos derivados de hidrocarbonetos não saturados

2 2C Cl F R12

Características desejáveis de um refrigerante

Pressão de vaporização não muito baixa Pressão de condensação não muito elevada Calor latente de vaporização elevado Volume específico reduzido Coeficiente de performance elevado Condutibilidade térmica elevada Baixa viscosidade na fase líquida e gasosa Devem ser estáveis e inertes

Características desejáveis de um refrigerante

Não devem ser poluentes Não devem ser tóxicos ou excessivamente estimulantes Não devem ser inflamáveis ou explosivos Devem ser de detecção fácil quando houver vazamentos Devem ser de preços moderados e facilmente disponíveis

Destruição da Camada de Ozônio

1974, foram detectados problemas com CFCs Compostos clorados migram para a estratosfera e destroem as

moléculas de ozônio

Os CFCs são os maiores responsáveis pelo aparecimento do buraco na camada de ozônio sobre a Antártica

A camada de ozônio é responsável pela filtragem dos raios ultravioleta que, em quantidades elevadas, são prejudiciais ao meio ambiente

Ao ser humano podem causar doença da pele como queimadura, câncer, envelhecimento precoce, etc

Destruição da Camada de Ozônio

Em 1986 o Protocolo de Montreal determinou a substituição dos CFCs provocando uma verdadeira revolução na indústria frigorífica

A amônia tem sido adotada na maioria das instalações industriais de construção recente, dominando o setor

Refrigerantes como CO2, têm sido cogitados pela comunidade científica e industrial

O problema da camada de ozônio tem se composto com o problema do efeito estufa

Caracterização do nível de ação dos refrigerantes em relação a camada de ozônio e ao efeito estufa

Potencial de Destruição da Camada de Ozônio"Ozone Depleting Potential“ ODPO potencial de destruição dessa camada que um particular composto apresenta em relação ao refrigerante R11, ao qual é atribuído o valor 1

Potencial de Aquecimento Global "Global Warming Potential" GWP

É relativo ao efeito estufa direto causado pelo refrigerante R11, ao qual é atribuído arbitrariamente o valor 1




Classificação dos Refrigerantes Quanto ao Nível de Toxicidade e Inflamabilidade Segundo a ASHRAE 34-92

Toxicidade

Classe A - Compostos cuja toxicidade não foi identificada

Classe B - Foram identificadas evidências de toxicidade

Inflamabilidade

Classe 1 – Não se observa propagação de chama em ar a 18oC e 101,325 kPa

Classe 2 – Limite inferior de inflamabilidade (LII) superior a 0,10kg/m3 a 21 oC e 101,325kPa, Poder calorífico inferior a 19.000 kJ/kg

Classe 3 – Inflamabilidade elevada, caracterizando-se por LII inferior ou igual a 0,10 kg/m3 a 21 oC e 101,325 kPa, Poder calorífico superior a 19.000 kJ/kg

Classificação dos Refrigerantes Quanto ao Nível de Toxicidade e Inflamabilidade Segundo a ASHRAE 34-92

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