FACULDADE DE TECNOLOGIA DE MOGI - MIRIM

TECNOLOGIA EM PROJETOS MECÂNICOS

SISTEMAS MECÂNICOS III

REFRIGERAÇÃO INDUSTRIAL

Adriano de Aquino Paiva da Silva

Prof. Dr. Giorgia Taiacol Aleixo

Mogi Mirim, 26 de novembro de 2009.

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REFRIGERAÇÃO INDUSTRIAL

Trabalho de conclusão da disciplina, Seminário

apresentado como parte das atividades

desenvolvidas ao longo do aprendizado, no

curso de Sistemas Mecânicos III, da graduação

de Tecnologia em Projetos Mecânicos da

Faculdade de Tecnologia de Mogi – Mirim.

Prof. Dr. Giorgia Taiacol Aleixo

Mogi - Mirim, 2009

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RESUMO

SILVA, Adriano de Aquino Paiva. Refrigeração industrial. Mogi-Mirim, Tecnologia em Pro-

jetos Mecânicos, Faculdade de Tecnologia de Mogi-Mirim, 2009. Dissertação (Conclusão

de curso).

Na última década, o mundo passou por uma transformação importante. O aumento do

número de empresas e a globalização fizeram com que a concorrência obrigasse os diversos

setores da indústria a aumentarem a produtividade e a qualidade para se manterem competiti-

vos. Neste contexto, os sistemas de refrigeração proporcionam redução do tempo de ciclo em

diversos processos de manufatura e, conseqüentemente, aumento de produtividade, maior con-

fiabilidade, repetibilidade e qualidade do produto acabado. Neste trabalho são apresentados os

principais modelos matemáticos para cada componente do sistema de refrigeração (compres-

sor, condensador, válvula de expansão e evaporador) encontrados na literatura utilizados em

refrigeração industrial. São analisados os principais aspectos relevantes ao projeto de sistemas

de refrigeração, além do dimensionamento dos principais componente é apresentado o funcio-

namento do ciclo de refrigeração e seus principais refrigerantes.

Palavras - chave: Refrigeração industrial, Simulação, Projeto.

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ABSTRACT

SILVA, Adriano de Aquino Paiva. Industrial Refrigeration. Mogi-Mirim, Technology in Me-

chanical Design, Faculty of Technology Mogi-Mirim, 2009. Dissertation (Completion of

course)

In the last decade, the world has undergone a major transformation. The increase in the

number of companies and globalization have made the competition oblige the various sectors

of industry to increase productivity and quality to stay competitive you. In this context, the

cooling systems provide shorter cycle in various manufacturing processes and, consequently,

increased productivity, greater reliability, repeatability and quality of the finished product. This

paper presents the main mathematical models for each component of the cooling system (com-

pressors, condenser, expansion valve and evaporator) in the literature used in industrial refrig-

eration. It analyzes the main aspects relevant to the design of refrigeration systems, in addition

to the sizing of the main component is shown the functioning of the refrigeration cycle and its

main drinks.

Key-words: industrial cooling, Simulation, Project.

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SUMÁRIO

INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 06

1. O Histórico da refrigeração .............................................................................................. 07

1.1 Classificações da refrigeração .................................................................................................... 10

1.1.2 Sistema de compressão mecânica de vapor (CMV) ................................................................ 11

1.1.3 Sistema de refrigeração por absorção ...................................................................................... 12

1.1.4 Resfriadores de liquido - chiller ................................................................................................ 13

2. Fluidos refrigerantes ..................................................................................................................... 14

2.1 Tipos de fluidos refrigerantes ...................................................................................................... 15

2.1.1 CFC ......................................................................................................................................... 15

2.1.2 HCFC ....................................................................................................................................... 15

2.1.3 HFC ......................................................................................................................................... 16

2.2 Fluidos alternativos substitutos ................................................................................................... 16

2.2.1 R - 409 A .................................................................................................................................. 16

2.2.2 R - 413 A .................................................................................................................................. 17

2.2.3 R - 408 A .................................................................................................................................. 18

2.2.4 R - 407 C ................................................................................................................................. 18

2.2.5 R - 410 A .................................................................................................................................. 18

2.3 Vantagens dos fluidos alternativos .............................................................................................. 18

3. Camada de ozônio ........................................................................................................................ 20

3.1 Como o ozônio é destruído ......................................................................................................... 21

4. Refrigeração industrial .................................................................................................................. 22

5. Componentes de um sistema de refrigeração ............................................................................... 23

5.1 Compressores ............................................................................................................................. 23

5.2 Trocadores de calor..................................................................................................................... 28

5.2.1 Condensadores ........................................................................................................................ 28

5.2.2 Processo de condensação ........................................................................................................ 28

5.2.3 Evaporadores ........................................................................................................................... 29

5.2.4 Processo de evaporação .......................................................................................................... 30

5.3 Dispositivo de expansão ............................................................................................................. 36

5.3.1 Válvula de expansão termostática ............................................................................................ 36

6.Fluxograma industrial completo ..................................................................................................... 38

6.1 Centrais de refrigeração industrial (Rack's) ................................................................................. 39

8. Referências bibliográficas ............................................................................................................. 40

7.Considerações finais ........................................................................................... 40

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INTRODUÇÃO

Nos últimos anos, a indústria da refrigeração apresentou um progresso enorme e se tornou

uma indústria gigantesca que movimenta bilhões de dólares todos os anos ao redor do mundo.

Essa rápida expansão pode ser explicada por diversos fatores, entre eles, o desenvolvimento da

mecânica de precisão e processos de fabricação sofisticados e o surgimento de compressores

com motores elétricos de baixa potência; o que possibilitou o desenvolvimento dos refrigera-

dores e condicionadores de ar domésticos de pequeno porte. Outro fator importante foi à evo-

lução dos fluidos refrigerantes. Os sistemas de refrigeração, cada vez mais, têm sido utilizados,

tanto para proporcionar conforto, quanto para processos industriais.

Os sistemas de condicionamento de ar para conforto, embora ainda considerados um luxo

por algumas pessoas, mostram-se cada vez mais necessários e presentes em nosso dia-a-dia.

Tais sistemas visam o controle da temperatura, umidade, pureza e distribuição do ar, no senti-

do de proporcionar conforto aos ocupantes de um determinado recinto. As instalações de ar

condicionado para conforto podem variar em tamanho e complexidade, e podem ter diversas

aplicações, tais como: edifícios comerciais, residências, shopping, veículos, etc.

Já os sistemas de condicionamento de ar para finalidades industriais visam o tratamento do

ar, tanto para proporcionar condições mínimas de conforto a os trabalhadores em ambientes

insalubres, quanto ao controle das condições do ar em um processo industrial. Quando se trata

de refrigeração industrial, torna-se difícil resumir em poucas linhas quais são as principais apli-

cações, porque é utilizada em muitos tipos diferentes de indústrias e em processos de manufa-

tura extremamente diversificados entre eles estão: indústria alimentícia, farmacêutica, médica e

hospitalar, metalúrgica e de transformação de metais e plásticos, etc.

Diante desse cenário, fica evidente a importância de um sistema de refrigeração bem di-

mensionado. O objetivo principal do trabalho é apresentar uma base do sistema de refrigera-

ção, seus componentes e principais modelos matemáticos.

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QUANDO TUDO COMEÇOU

Muitos dos trabalhos hoje realizados, só foram

possíveis por que tivemos mentes brilhantes que nos

antecederam.

”Se eu enxerguei um pouco mais além do que

outro homem, foi porque subi em ombros de

gigantes” (Isaac Newton).

1. O Histórico da refrigeração

O emprego dos meios de refrigeração já era do conhecimento humano mesmo na época

das mais antigas civilizações. Pode-se citar a civilização chinesa que, muitos séculos antes do

nascimento de Cristo, usavam o gelo natural (colhido nas superfícies dos rios e lagos congela-

dos e conservado com grandes cuidados, em poços cobertos com palha e cavados na terra)

com a finalidade de conservar o chá que consumiam. As civilizações gregas e romanas que

também aproveitavam o gelo colhido no alto das montanhas, a custo do braço escravo, para o

preparo de bebidas e alimentos gelados.

Já a civilização egípcia, que devido a sua situação geográfica e ao clima de seu país, não

dispunham de gelo natural, refrescavam a água por evaporação, usando vasos de barro, seme-

lhantes às moringas¹, tão comuns no interior do Brasil. O barro, sendo poroso, deixa passar um

pouco da água contida no seu interior, a evaporação desta para o ambiente faz baixar a tempe-

ratura do sistema. Entretanto, durante um largo período de tempo, na realidade muitos séculos,

a única utilidade que o homem encontrou para o gelo foi a de refrigerar alimentos e bebidas

para melhorar seu paladar.

¹ Moringa é um vaso de barro arredondado, de gargalo estreito para água.

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No final do século XVII, foi inventado o microscópio e, com o auxílio deste instrumento,

verificou-se a existência de microorganismos (micróbios e bactérias) invisíveis à vista sem au-

xilio de um instrumento dotado de grande poder de ampliação. Os micróbios existem em quan-

tidades enormes, espalhados por todas as partes, água, alimentos e organismos vivos.

Estudos realizados por cientistas, entre eles o célebre químico francês Louis Pasteur, de-

monstraram que alguns tipos de bactérias são responsáveis pela putrefação dos alimentos e por

muitos tipos de doenças e epidemias. Ainda através de estudos, ficou comprovado que a contí-

nua reprodução das bactérias podia ser impedida em muitos casos ou pelo menos limitada pela

aplicação do frio, isto é, baixando suficientemente a temperatura do ambiente em que os mes-

mos proliferam. Essas conclusões provocaram, no século XVIII, uma grande expansão da in-

dústria do gelo, que até então se mostrava eficiente.

Contudo, o uso do gelo natural trazia consigo uma série de inconvenientes que prejudica-

vam seriamente o desenvolvimento da refrigeração, tornando-a de valia relativamente pequena.

Assim, ficava-se na dependência direta da natureza para a obtenção da matéria primordial, isto

é, o gelo, que só se formava no inverno e nas regiões de clima bastante frio. O fornecimento,

portanto, era bastante irregular e, em se tratando de países mais quentes, era sujeita a um

transporte demorado, no qual a maior parte se perdia por derretimento, especialmente porque

os meios de conservá-lo durante este transporte eram deficientes. Mesmo nos locais onde o

gelo se formava naturalmente, isto é, nas zonas frias, este último tinha grande influência, pois a

estocagem era bastante difícil, só podendo ser feita por períodos relativamente curtos.

Por este motivo, engenheiros e pesquisadores voltaram-se para a busca de meios e proces-

sos que permitissem a obtenção artificial de gelo, liberando o homem da dependência da natu-

reza. Em conseqüência desses estudos, em 1834 foi inventado, nos Estados Unidos, o primeiro

sistema mecânico de fabricação de gelo artificial e, que constituiu a base precursora dos atuais

sistemas de compressão frigorífica.

Em 1855 surgiu na Alemanha outro tipo de mecanismo para a fabricação do gelo artificial,

este, baseado no principio da absorção, descoberto em 1824 pelo físico e químico inglês Mi-

chael Faraday. Durante por cerca de meio século os aperfeiçoamentos nos processos de fabri-

cação de gelo artificial foram se acumulando, surgindo sistematicamente melhorias nos siste-

mas, com maiores rendimentos e melhores condições de trabalho. Entretanto, a produção pro-

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priamente dita fez poucos progressos neste período, em conseqüência da prevenção do público

consumidor contra o gelo artificial, pois apesar de todos estarem cientes das vantagens apre-

sentadas pela refrigeração, era crença geral que o gelo produzido pelo homem era prejudicial à

saúde humana.

Tal crença é completamente absurda, mas como uma minoria aceitava o gelo artificial, o

seu consumo era relativamente pequeno. Todavia, a própria natureza encarregou-se de dar fim

a tal situação. Em 1890, o inverno nos Estados Unidos, um dos maiores produtores de gelo

natural da época, foi muito fraco. Em conseqüência, quase não houve formação de gelo neste

ano, naquele país. Como não havia gelo natural, a situação obrigou que se usasse o artificial,

quebrando o tabu existente contra este último e mostrando, inclusive, que o mesmo era ainda

melhor que o produto natural, por ser feito com água mais pura e poder ser produzido à von-

tade, conforme as necessidades de consumo.

A utilização do gelo natural levou a criação, no princípio do século XIX, das primeiras ge-

ladeiras. Tais aparelhos eram constituídos simplesmente por um recipiente, quase sempre iso-

lado por meio de placas de cortiça, dentro do qual eram colocadas pedras de gelo e os alimen-

tos a conservar, ver figura abaixo. A fusão do gelo absorvia parte do calor dos alimentos e re-

duzia, de forma considerável, a temperatura no interior da geladeira.

Figura 1 – Geladeira primitiva

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Surgiu, dessa forma, o impulso que faltava à indústria de produção mecânica de gelo. Uma

vez aceito pelo consumidor, a demanda cresceu vertiginosamente e passaram a surgir com ra-

pidez crescente às usinas de fabricação de gelo artificial por todas as partes.

Apesar da plena aceitação do gelo artificial e da disponibilidade da mesma para todas as

classes sociais, a sua fabricação continuava a ter de ser feita em instalações especiais, às usinas

de gelo, não sendo possível a produção do mesmo na própria casa dos consumidores. Figura

típica da época era o geleiro, que, com sua carroça isolada, percorria os bairros, entregava nas

casas dos consumidores, periodicamente, as pedras de gelo que deviam ser colocadas nas pri-

meiras geladeiras.

No alvorecer do século XX, começou a se disseminar outra grande conquista a eletricida-

de. Os lares começaram a substituir os candeeiros de óleo e querosene e os lampiões de gases,

pelas lâmpadas elétricas, notável invenção de Edison, e a dispor da eletricidade para movimen-

tar pequenas máquinas e motores. Com esta nova fonte de energia, os técnicos buscaram meios

de produzir o frio em pequena escala, na própria residência dos usuários. O primeiro refrigera-

dor doméstico surgiu em 1913, mas sua aceitação foi mínima, tendo em vista que o mesmo era

constituído de um sistema de operação manual, exigindo atenção constante, muito esforço e

apresentando baixo rendimento.

Só em 1918 é que apareceu o primeiro refrigerador automático, movido à eletricidade, e

que foi fabricado pela Kelvinator Company, dos Estados Unidos. A partir de 1920, a evolução

foi tremenda, com uma produção sempre crescente de refrigeradores mecânicos.

SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO

1.1 Classificação da Refrigeração

A área de refrigeração cresceu de tal maneira no último século que acabou por ocupar os

mais diversos campos. Para conveniência de estudos, as aplicações da refrigeração podem ser

classificadas dentro das seguintes categorias: doméstica, comercial, industrial, para transporte

e para condicionamento de ar. A refrigeração doméstica abrange principalmente a fabricação

de refrigeradores de uso doméstico e de freezers. A capacidade dos refrigeradores domésticos

11

varia muito, com temperaturas na faixa de -8°C a -18°C (no compartimento de congelados) e

+2°C a +7°C (no compartimento dos produtos resfriados).

A refrigeração comercial abrange os refrigeradores especiais ou de grande porte usados

em restaurantes, sorveterias, bares, açougues, laboratórios, etc. As temperaturas de congela-

mento e estocagem situam-se, geralmente, entre -5°C a -30°C. Como regra geral, os equipa-

mentos industriais são maiores que os comerciais (em tamanho) e têm como característica

marcante o fato de requererem um operador de serviço.

São aplicações típicas industriais as fábricas de gelo, grandes instalações de empacotamen-

to de gêneros alimentícios (carnes, peixes, aves), cervejarias, fábricas de laticínios, de proces-

samento de bebidas concentradas e outras.

A refrigeração marítima refere-se à refrigeração a bordo de embarcações e inclui, por

exemplo, a refrigeração para barcos de pesca e para embarcações de transporte de cargas pe-

recíveis.

A refrigeração de transporte relaciona-se com equipamentos de refrigeração em cami-

nhões e vagões ferroviários refrigerados.

Como podemos observar, as aplicações da refrigeração são as mais variadas, sendo de cer-

ta forma bastante difícil estabelecer de forma precisa a fronteira de cada divisão.

1.1.2 Sistema de Compressão Mecânico de Vapor (CMV)

Pode-se entender a lógica de funcionamento dos principais sistemas de refrigeração atuais

estudando o funcionamento de um refrigerador doméstico comum, também conhecido como

sistema de compressão mecânica de vapor (figura 1.2.2).

Ele funciona a partir da aplicação dos conceitos de calor e trabalho, utilizando-se de um

fluido refrigerante. O fluido refrigerante, como dito anteriormente, é uma substância que, cir-

culando dentro de um circuito fechado, é capaz de retirar calor de um meio enquanto se vapo-

riza a baixa pressão. Este fluido entra no evaporador a baixa pressão, na forma de mistura de

líquido mais vapor, e retira energia do meio interno refrigerado (energia dos alimentos) en-

quanto passa para o estado de vapor. O vapor entra no compressor onde é comprimido e bom-

12

beado, tornando-se vapor superaquecido e deslocando-se para o condensador, que tem a fun-

ção de liberar a energia retirada dos alimentos e a resultante do trabalho de compressão para o

meio exterior. O fluido, ao liberar energia, passa do estado de vapor superaquecido para líqui-

do (condensação) e finalmente entra no dispositivo de expansão, onde tem sua pressão reduzi-

da, para novamente ingressar no evaporador e repetir-se assim o ciclo. Esse processo é ilustra-

do através das figuras 1.1.2 e 1.2.2.

Figura 1.2.1 – Diagrama de refrigeração Figura 1.2.2 – Refrigerador doméstico

1.1.3 Sistema de Refrigeração por Absorção

O funcionamento da refrigeração por absorção se baseia no fato de que os vapores de al-

guns fluidos refrigerantes conhecidos são absorvidos por certos líquidos ou soluções salinas.

Se esta solução formada (vapor de refrigerante mais líquido absorvente) é aquecida verifica-se

uma separação entre o líquido e o vapor, onde o vapor pode ser condensado e aproveitado pa-

ra produção de frio, como nas instalações de compressão a vapor. Na figura a seguir, ilustra-se

um sistema de absorção típico.

O sistema de refrigeração por absorção mais comum é aquele que usa amônia (NH3) co-

mo fluido refrigerante, e a água como absorvente. Estas máquinas têm a vantagem de utilizar

energia térmica em lugares onde a energia elétrica não é disponível ou tem custo elevado.

13

O sistema por absorção não apresenta partes internas móveis o que lhe garante um funcio-

namento silencioso e sem vibração, reduzindo assim os gastos com a manutenção.

Para que o sistema funcione, primeiro a solução de amônia e água existente no absorvedor

absorve vapor de amônia a baixa pressão vindo do evaporador. O passo seguinte é elevar a

pressão do líquido com uma bomba e induzi-lo para o gerador, componente onde a aplicação

de energia térmica garante a separação da água e da amônia, que segue para o condensador. A

água retorna para o absorvedor após ter sua pressão reduzida. Ao passar pelo condensador a

amônia transforma-se da fase de vapor para líquida, liberando energia para o meio externo.

Logo após sair do condensador a amônia tem sua pressão reduzida para ingressar no evapora-

dor e retirar energia do meio interno que desejamos resfriar. Neste processo a amônia passa do

estado líquido para vapor, que será absorvido pela solução do absorvedor, reiniciando todo o

ciclo.

Figura 1.3 – Diagrama de refrigeração

1.1.4 Resfriadores de Líquido – Chiller

Estes equipamentos conhecidos como Unidade de água gelada ou Chillers, tem o mesmo

principio de funcionamento dos sistemas CMV, porém utilizam outro liquido como fluido de

trabalho, o mais utilizado é a água. Esta água, devidamente resfriada é utilizada para as mais

diversas aplicações.

14

Um processo específico no qual a refrigeração é muito importante é a transformação de

resinas termoplásticas onde se utiliza água para resfriamento do molde. A matéria-prima para a

produção de plástico é estocada a temperatura ambiente, mas tem que ser aquecida para que

possa ser moldada de acordo com o produto desejado. Tipicamente, a temperatura chega pró-

ximo de 200ºC e precisa ser resfriada novamente para ser embalada. A temperatura da água

utilizada no resfriamento desses moldes tem um impacto direto na qualidade e na produtivida-

de do processo, uma vez que, quanto mais rápido for o resfriamento, menor será o tempo do

ciclo e mais peças poderão ser fabricadas em um mesmo intervalo de tempo. A figura 1.4 ilus-

tra um sistema de resfriador de líquidos.

Figura 1.4 – Resfriador de Líquidos

O RESPONSÁVEL PELO FRIO

2. Fluidos Refrigerantes

Fluido refrigerante é o fluido que absorve calor de uma substância do ambiente a ser res-

friado. Não há um fluido refrigerante que reúna todas as propriedades desejáveis, de modo

que, um refrigerante considerado bom para ser aplicado em determinado tipo de instalação fri-

15

gorífica nem sempre é recomendado para ser utilizado em outra. O bom refrigerante é aquele

que reúne o maior número possível de boas qualidades, relativamente a um determinado fim.

As principais propriedades de um bom refrigerante são:

Condensar-se a pressões moderadas;

Evaporar-se a pressões acima da atmosférica;

Ter pequeno volume específico (menor trabalho do compressor);

Ter elevado calor latente de vaporização;

Ser quimicamente estável (não se altera apesar de suas repetidas mudanças de estado no

circuito de refrigeração);

Não ser corrosivo;

Não ser inflamável;

Não ser tóxico;

Ser inodoro;

Deve permitir fácil localização de vazamentos;

Ter miscibilidade com óleo lubrificante e não deve atacá-lo ou ter qualquer efeito indese-

jável sobre os outros materiais da unidade;

Em caso de vazamentos, não deve atacar ou deteriorar os alimentos, não deve contribuir

para o aquecimento global e não deve atacar a camada de ozônio.

2.1 Tipos de Fluidos Refrigerantes

2.1.1 CFC - São moléculas formadas pelos elementos cloro, flúor e carbono. (Exemplos: R-

11, R-12, R-502, etc.).

Utilização: ar condicionado automotivo, refrigeração comercial, refrigeração doméstica

(refrigeradores e freezers) etc.

Os CFC’s destroem a camada de ozônio. A camada de ozônio sendo danificada permite

que raios ultravioleta (UV) do sol alcancem à superfície da Terra. As indústrias químicas naci-

onais cessaram a produção de CFC’s e a importação destas substâncias virgens está controla-

da. Para converter ou substituir um equipamento operado com CFC foram criados dois tipos

de refrigerantes alternativos: HCFC’s e HFC’s.

16

2.1.2 HCFC - Alguns átomos de cloro são substituídos por hidrogênio (Exemplos: R-22, R-

141b, etc.).

Utilização: ar condicionado de janela, split, self, câmaras frigoríficas, etc.

2.1.3 HFC - Todos os átomos de cloro são substituídos por hidrogênio (Ex: R-134a, R-404A,

R-407C, etc.).

Utilização: ar condicionado automotivo, refrigeração comercial, refrigeração doméstica

(refrigeradores e freezers), etc.

O R-134a (Tetrafluoretano) tem propriedades físicas e termodinâmicas similares ao R-12.

Pertence ao grupo dos HFC’s Fluorcarbonos parcialmente halogenados, com potencial de des-

truição do ozônio (ODP) igual à zero, devido ao menor tempo de vida na atmosfera, apresenta

uma redução no potencial de efeito estufa de 90% comparado ao R-12. Além disso, é não in-

flamável, não tóxico, possui alta estabilidade térmica e química, tem compatibilidade com os

materiais utilizados e tem propriedades físicas e termodinâmicas adequadas.

O R-134a é compatível com todos os metais e ligas normalmente utilizados nos equipa-

mentos de refrigeração. Deve-se evitar o uso de zinco, magnésio, chumbo e ligas de alumínio

com mais de 2% de magnésio em massa. Testes de armazenamento com refrigerante úmido

apresentaram boa estabilidade à hidrólise e nenhum ataque corrosivo em metais como aço ino-

xidável, cobre, latão e alumínio.

O R-134a é isento de cloro e, por isso, apresenta boa compatibilidade com elastômeros.

Na refrigeração a palavra Retrofit (abreviatura da expressão inglesa “retroactive refit” que sig-

nifica “readaptação posterior”) vem sendo empregada para designar as adaptações que são rea-

lizadas em equipamentos que trabalham com CFC’s para que esses possam trabalhar com os

fluidos alternativos, tornando-os eficientes, modernos e econômicos.

A linha de fluidos alternativos, também chamada de “blends” é uma boa alternativa para a

conversão de equipamentos que estão em operação no campo, pois exigem mínimas alterações

no sistema original e na maioria dos casos não é necessária à substituição do compressor.

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2.2 Fluidos Alternativos Substitutos

2.2.1 R-409A - Mistura de fluidos refrigerantes tais como R-22, R- 142b e R-124, tem pro-

priedades similares ao R-12 e pode ser utilizado com óleo lubrificante mineral, poliolester e

aquilbenzeno.

2.2.2 R-413A - Mistura de fluidos refrigerantes como R-218, R-134a e R-600a, é compatível

com óleo lubrificante mineral, poliolester e aquilbenzeno, tem performance similar ao R-12.

2.2.3 R-408A - Mistura de fluidos refrigerantes como R-22, R-134a e R-125, tem performan-

ce similar ao R-502 e é compatível com óleo lubrificante mineral, poliolester e aquilbenzeno.

2.2.4 R-407C - Mistura de fluidos refrigerantes tais como R-134a, R-32 e R-125, possui pro-

priedades similares ao R-22, porém é necessária a mudança do óleo lubrificante.

2.2.5 R-410A - Mistura de fluidos refrigerantes de alta pressão tais como R-32 e R- 125, pos-

sui melhor capacidade de resfriamento, porém requer uma reavaliação do projeto do sistema.

A tabela abaixo mostra algumas opções disponíveis no mercado.

Tabela 1.2 – Fluidos refrigerantes

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2.3 Vantagens dos Fluidos Alternativos

São utilizados nos equipamentos de refrigeração não havendo necessidade de troca de

componentes (dispositivo de expansão, compressor, etc.);

São compatíveis com óleo mineral, óleo alquilbenzeno e com os materiais existentes. Obs.:

somente na aplicação do R-407C, deve ser trocado o óleo mineral por óleo Poliolester;

A carga de fluido refrigerante do equipamento com fluido alternativo é 80% da carga de

fluido original. Obs.: A carga do fluido refrigerante deve ser feita somente na forma líquida.

Compatibilidade de alguns fluidos com óleos lubrificantes

Tabela 1.3 – Compatibilidade com óleos lubrificantes

Durante os últimos anos, vários refrigerantes alternativos foram avaliados e o R134a, por

apresentar propriedades físicas e termodinâmicas relativamente semelhantes às do R12 e por

não conter Cloro, tem sido considerado o substituto do R12 nas suas aplicações.

Mais recentemente, outro fator ambiental, não menos importante que a destruição da ca-

mada de ozônio, tem sido considerado: o potencial de aquecimento global, mais conhecido

como efeito estufa.

Dentre os refrigerantes alternativos que atendem ambas as características ambientais, estão

os hidrocarbonos. Estes refrigerantes não tinham até então sido considerados uma alternativa à

substituição do R12, pois são inflamáveis. Na tabela 1.3.1 são apresentadas as principais pro-

priedades físicas dos refrigerantes hidrocarbonos comparadas às do R12 e R134a.

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Propriedades físicas do R12, R134a e refrigerantes hidrocarbonos.

Tabela 1.3.1 – Propriedades físicas de fluidos refrigerantes

Como se pode verificar na tabela 1.3.1, os refrigerantes hidrocarbonos apresentam menor

peso molecular quando comparados ao do R12 e R134a. Isto é devido à ausência de halogê-

neos como cloro e flúor na sua estrutura molecular, que é composta apenas de carbono e hi-

drogênio. Tal característica torna os refrigerantes hidrocarbonos menos agressivos ao meio

ambiente, como mostra a tabela 1.3.2.

Tabela 1.3.2 – Tempo de vida de fluidos refrigerantes ODP – Potencial de Destruição do Ozônio.

GWP – Potencial de Aquecimento Global

(comparado ao CO2).

20

Observa-se na tabela acima que o refrigerante R134a, não destrói a camada de ozônio

(ODP = 0). Tal característica deve-se à ausência de cloro nas suas moléculas. Entretanto os

refrigerantes propano e butano exercem efeito desprezível (GWP < 5) sobre o aquecimento da

Terra, ao contrário do R12 e R134a. Outro fator ambiental favorável aos refrigerantes propano

e butano é seu menor tempo de vida na atmosfera.

PROTEÇÃO DA RADIAÇÃO ULTRAVIOLETA

3. Camada de Ozônio

O ozônio é formado quando as moléculas de oxigênio absorvem parte da radiação ultravi-

oleta proveniente do sol, ocasionando a separação das moléculas em dois átomos de oxigênio.

Estes átomos por sua vez, juntam-se com outras moléculas de oxigênio, formando assim o

ozônio (O3), que contém três átomos de oxigênio.

Aproximadamente 90% do ozônio da terra está localizado em uma camada natural, logo

acima da superfície terrestre conhecida como estratosfera. Esta camada natural atua como um

escudo protetor contra a radiação ultravioleta. A primeira preocupação sobre a provável des-

truição da camada de ozônio pelos CFC’s foi levantada com a publicação da teoria de que os

átomos de cloro liberados pelos CFC’s poderiam migrar até a estratosfera, destruindo as molé-

culas de ozônio (Molina e Rowland, 1974), conforme mostra a figura 1.3. Alguns dos CFC’s

têm um tempo de vida na atmosfera superior a 120 anos, isto é, eles não se dissociam na baixa

atmosfera (troposfera). Como resultado, os CFC’s migram vagarosamente para a estratosfera

onde são atingidos por maiores níveis de radiação, liberando o cloro, que por sua vez livre,

liga-se repetidamente com moléculas de ozônio provocando a separação dos átomos de oxigê-

nio da molécula em questão. Com a ocorrência da destruição do ozônio, maiores níveis de ra-

diação tendem a penetrar na superfície terrestre. Além disso, devido ao longo tempo de vida

dos CFC’s na atmosfera e ao fato de que um átomo de cloro pode destruir repetidamente mi-

lhares de moléculas de ozônio, serão necessárias muitas décadas para que a camada de ozônio

retorne aos níveis de concentração anteriores, mesmo após a eliminação completa dos CFC’s.

21

Figura 1.5 – Camada de Ozônio

Desde que a teoria de destruição da camada de ozônio foi publicada pela primeira vez,

pesquisas científicas têm mostrado uma preocupação geral com o aumento da concentração de

cloro na estratosfera, que destruindo o ozônio, tem como resultado danos à saúde e ao meio

ambiente, como por exemplo:

Aumento dos casos de câncer de pele;

Danos aos olhos (aumento dos casos de cataratas);

Enfraquecimento do sistema imunológico;

Danos às plantações;

Danos aos organismos aquáticos (algas marinhas);

Aumento da temperatura ambiente.

3.1 Como o Ozônio é Destruído?

Primeiramente, a luz ultravioleta quebra a ligação de um átomo de cloro da molécula de

CFC. Em seguida, o átomo de cloro ataca a molécula do ozônio, quebrando a ligação entre os

átomos. Forma-se uma molécula de O2 e uma de monóxido de cloro.

22

O monóxido de cloro é instável, tem sua ligação quebrada e forma-se novamente cloro li-

vre, que vai atacar e destruir outra molécula de ozônio, repetindo-se o processo, ver figura

1.5.1.

Figura 1.5.1 – Destruição do Ozônio

UTILIZAÇÃO NA INDÚSTRIA

4. Refrigeração Industrial

A refrigeração industrial apresenta uma série de similaridades com o condicionamento de

ar, mas também se distingue por diversos aspectos como componentes, procedimentos de pro-

jetos e mercadológicos. Ela pode ser caracterizada pela faixa de temperatura de operação, no

limite inferior as temperaturas podem atingir valores entre -60°C a -70°C e 15°C no limite su-

perior. Aplicações em que se verifiquem temperaturas menores do que as citadas pertencem ao

ramo da criogenia, ao qual se especializa na produção e utilização de gás natural liquefeito,

oxigênio e nitrogênio líquidos. Outra forma de se caracterizar a refrigeração industrial seria

através das aplicações, assim poderia ser descrita como sendo o processo utilizado nas indús-

trias químicas, de alimentos e de processos (envolvendo dois terços das aplicações), indústrias

manufatureiras e de laboratórios.

23

CONHECENDO OS COMPONENTES

5. Componentes de um Sistema de Refrigeração

Figura 1.6 – Componentes básicos de um sistema de refrigeração

Na figura 1.6 podemos visualizar um esquema simplificado de um sistema de compressão

de vapor e seus componentes principais. Para um sistema completo deveriam ser incluídos os

filtros, reservatórios, válvulas e equipamentos de controle. Os componentes básico de condici-

onadores de ar, e refrigeração industrial não diferem os quais são: trocadores de calor, com-

pressores volumétricos, dispositivos de expansão e ventiladores sendo que esses sistemas con-

sistem em um ciclo frigorífico.

5.1 Compressores

Compressores podem ser considerados como os principais equipamentos que compõem

sistemas de compressão de vapor. Os principais tipos de compressores utilizados em sistemas

frigoríficos são: alternativo, parafuso, centrífugo e de palhetas. Os compressores alternativos

consistem em um êmbolo, o qual realiza um movimento alternativo no interior de uma cavida-

de cilíndrica (cilindro) com válvulas de admissão e descarga abrindo e fechando de maneira

conveniente, de modo a permitir a compressão de gás refrigerante. Já os outros tipos de com-

pressores, valem-se de elementos rotativos para realizar a compressão do gás refrigerante.

24

Figura 1.6.1 – Compressor alternativo Figura 1.6.2 – Compressor de parafuso

Figura 1.6.1 – Compressor centrifugo Figura 1.6.2 – Compressor de palhetas

Por ser o mais utilizado em sistemas de refrigeração, o compressor alternativo foi o esco-

lhido para ser abordado nos modelos a seguir.

Um modelo simples, comumente observado na literatura, é o modelo que supõe a inexis-

tência na variação no fluxo de massa entre a entrada e a saída do compressor. Tal modelo per-

mite computar o fluxo de massa e a entalpia na saída do compressor. A vazão mássica² de re-

frigerante através do compressor pode ser calculada através da equação:

vfNVmf (5.1)

N é a rotação do compressor em rps;

V volume de deslocamento do pistão;

2 Mássica é aquilo que diz respeito á unidade de massa. Ex. potencia mássica do motor, relação entre a po-

tencia e a massa do motor;

25

f é a densidade do refrigerante na entrada do compressor;

v é a eficiência volumétrica.

Para a equação (5.1), a eficiência volumétrica pode ser obtida através da equação:

p

v

c

c

e

crrv

P

Pccn 1

(5.2)

Onde:

Cr é o fator de folga do compressor (razão entre volume morto e volume deslocado pelo

pistão);

Pc é a pressão de condensação do refrigerante;

Pe é a pressão de evaporação do refrigerante;

Cv é o calor específico para volume constante na entrada do compressor;

Cp é o calor específico para pressão constante na entrada do compressor.

Em um primeiro momento, a entalpia na saída do compressor pode ser calculada levando

se em consideração que o processo de compressão é isoentrópico (s= cte). A diferença entra as

entalpias encontradas na entrada e na saída do compressor (trabalho de compressão) é dividido

pela eficiência de compressão. O valor da eficiência de compressão pode ser adotado basean-

do-se em dados experimentais. Então, as temperaturas e entalpias são recalculadas de maneira

a representar o novo valor do trabalho de compressão. Os dados de entrada para este modelo

podem ser obtidos de maneira semi-empírica.

Outro tipo de modelo analisado na literatura é o que leva em consideração o volume mor-

to no interior do cilindro e algumas perdas. Tal modelo é obtido através de um caminho semi-

empírico e será descrito mais detalhadamente a seguir.

A vazão mássica do refrigerante para este modelo pode ser calculada através da equação

(5.1)

26

A partir do cálculo da vazão mássica, pode-se calcular a potência através da seguinte

equação:

isiocp WWW 1 (5.3)

Onde:

Wcp é a potência do compressor;

Wio são as perdas eletromagnéticas do motor do compressor (consideradas constantes);

é o fator de perdas (experimental);

Wis é a potência de compressão politrópica.

11

2 1

e

cefis

P

PvPmW

(5.4)

p

v

c

c

(5.5)

Onde:

v2 é o volume específico do gás refrigerante na saída do compressor;

fcp mhhW 12 (5.6)

Onde:

2h e 1h são as entalpias do refrigerante na entrada e na saída do compressor, respec-

tivamente.

12*/112 pfisio cmWWTT (5.7)

Onde:

T2 é a temperatura do refrigerante na saída do compressor;

T2 é a temperatura do refrigerante na entrada do compressor;

27

cp12 é o valor médio do calor específico a pressão constante entre a entrada e a saída do

compressor.

Os parâmetros N, cr, V, Wio e são característicos do compressor utilizado e devem

ser obtidos em catálogos de fabricantes ou por meio de resultados experimentais. É importante

observarmos que, para o modelo acima, a entalpia do refrigerante na saída do compressor pode

ser calculada através da equação (5.6) e que a temperatura na saída do compressor pode ser

calculada através da equação (5.7).

Existem também modelos mais complexos para compressores alternativos, onde as cavi-

dades de entrada e saída das válvulas são modeladas de acordo com teorias de ondas planas

acústicas. O processo de compressão é modelado por equações para escoamento compressível

unidimensional e as válvulas são modeladas de acordo com equações baseadas em teorias de

vibrações. O modelo opera com um conjunto de equações não-lineares. O princípio de funcio-

namento do modelo é a obtenção da oscilação das variáveis envolvidas no estado de equilíbrio,

para uma dada configuração mecânica (tamanho do cilindro, diâmetro das válvulas, constantes

de molas das válvulas de admissão e descarga, etc.). A solução resultante das equações não

lineares para o estado de equilíbrio é colocada como um valor do problema nas fronteiras e

resolvida através de um algoritmo de Warner. Em tal algoritmo, o valor inicial do problema é

convertido em dois pontos nas fronteiras, os quais fornecem condições periódicas dos fenôme-

nos que ocorrem nas fronteiras. É importante ressaltar que a utilização de tal modelamento

depende de dados obtidos experimentalmente e dados obtidos de fabricantes de compressores.

Figura 1.6.3 – Compressor Bitzer Figura 1.6.4 – Detalhe interno do compressor

28

5.2 Trocadores de Calor

Os trocadores de calor (condensador e evaporador) são os componentes de um sistema de

refrigeração que exercem maior influência no desempenho das trocas térmicas exercidas pelo

sistema.

5.2.1 Condensadores

Condensadores são os elementos do sistema de refrigeração que têm a função de trans-

formar 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.

Figura 1.7 – Condensador Figura 1.7.1 – Arranjo esquemático

5.2.2 Processo de Condensação

Ao ser admitido no condensador, o fluido refrigerante está no mesmo estado que na des-

carga do compressor, ou seja, gás quente a alta pressão. Como em um sistema de refrigeração

o objetivo é evaporar o refrigerante (para resfriar), o refrigerante no estado gasoso deve ser

condensado antes de retomar ao evaporador.

O processo de condensação do fluido refrigerante se dá ao longo de um trocador de calor,

denominado condensador, em três fases distintas que são: Dessuperaquecimento, Condensação

e Sub-Resfriamento.

29

Figura 1.7.2 – Processo de condensação

5.2.3 Evaporadores

O evaporador é um dos componentes principais de um sistema de refrigeração, e tem a fi-

nalidade de extrair calor do meio a ser resfriado, isto é, extrair calor do ar, água ou outras

substâncias. É a parte do sistema de refrigeração onde o fluido refrigerante sofre uma mudança

de estado, saindo da fase líquida para a fase gasosa. É chamado, às vezes, de serpentina de res-

friamento, resfriador da unidade, serpentina de congelamento, congelador, etc.

Embora o evaporador seja às vezes um dispositivo muito simples, ele é realmente a parte

mais importante do sistema. Qualquer sistema de refrigeração é projetado, instalado e operado

com o único fim de retirar calor de alguma substância. Como esse calor tem que ser absorvido

pelo evaporador, à eficiência do sistema depende do projeto e da operação adequada do mes-

mo.

A eficiência do evaporador em um sistema de refrigeração depende de três principais re-

quisitos, que devem ser considerados no projeto e seleção do mesmo:

Ter uma superfície suficiente para absorver a carga de calor necessária, sem uma dife-

rença excessiva de temperatura entre o refrigerante e a substância a resfriar.

Deve apresentar espaço suficiente para o refrigerante líquido e também espaço adequa-

do para que o vapor do refrigerante se separe do líquido.

30

Ter espaço suficiente para a circulação do refrigerante sem queda de pressão excessiva

entre a entrada e a saída.

Figura 1.7.3 – Evaporador

5.2.4 Processo de Evaporação

Após passar pela válvula de expansão (ou tubo capilar), o fluido refrigerante é admitido no

evaporador na forma líquida. Como a pressão no evaporador é baixa, o fluido refrigerante se

evapora com uma temperatura baixa. No lado externo do evaporador há um fluxo de fluido a

ser refrigerado (água, solução de etileno-glicol, ar, etc.), ver figura a seguir.

Como a temperatura desse fluido é maior que a do refrigerante, este se evapora. Após to-

do o refrigerante se evaporar, ele sofrerá um acréscimo de temperatura denominado supera-

quecimento.

Figura 1.7.4 – Processo no evaporador

31

Os modelos para simular o comportamento de evaporadores e condensadores podem ser

classificados de uma maneira geral, em quatro diferentes categorias:

Modelos do tipo “black box” (caixa preta);

Modelos de zona única;

Modelos de duas ou três zonas;

Modelos distribuídos.

Os modelos do tipo “black box” são baseados em teorias para automação e controle de

sistemas, sendo mais comumente utilizados para o modelamento de evaporadores. Neste tipo

de modelo, o componente é representado por um conjunto de funções de transferência com

diversas constantes, as quais são determinadas experimentalmente. A principal vantagem na

utilização de tal modelo é a simplicidade do mesmo. No entanto, dados experimentais devem

ser obtidos para garantir o bom funcionamento e a precisão na aplicação desse tipo de modelo.

Os modelos de zona única, duas zonas e distribuídos são baseados em leis físicas da con-

servação de massa, quantidade de movimento e energia. Nos modelos de zona única, o troca-

dor de calor é analisado por meio de variáveis que representam o componente de uma maneira

generalizada. Nestes modelos, somente um valor é utilizado para representar a entalpia do re-

frigerante contido no interior do trocador de calor. De maneira semelhante, apenas um valor é

utilizado para representar a densidade e temperatura do fluido secundário (lado externo do tro-

cador), entre outros. Os coeficientes de transferência de calor entre o refrigerante, o fluido se-

cundário e a parede dos tubos é suposto como sendo constante ao longo do trocador de calor.

Um modelo de zona única, simples, porém amplamente utilizado na literatura, é o dado pela

equação:

foff hihmQ (5.8)

Onde:

Q é o calor trocado,

mf é a vazão mássica de refrigerante no interior do trocador de calor (constante).

hfi e hfo são as entalpias do refrigerante na entrada e saída do trocador, respectivamente.

32

Para aplicar tal modelo, deparamo-nos com a dificuldade prática da obtenção das entalpias

na entrada e na saída do trocador de calor. Para obtê-las, é necessário o conhecimento das

temperaturas de entrada e saída do refrigerante no trocador de calor, o que, na prática, torna-

se uma dificuldade para a utilização do modelo. Tal modelo, no entanto, pode ser considerado

de grande utilidade para estimativas teóricas do desempenho de sistemas de ar condicionado.

Outro modelo de zona simples, muito encontrado na literatura, é o modelo da efetividade

(NUT). A principal vantagem de tal modelo é a possibilidade da análise de trocadores de calor

quando as temperaturas de saída dos fluidos quente e frio (fluido secundário e refrigerante, no

caso) são desconhecidas, ou difíceis de serem determinadas.

Para definir a efetividade de um trocador de calor, primeiramente devemos determinar a

máxima taxa de transferência de calor possível para o trocador (qmax). Tal taxa, a princípio,

poderia ser obtida através de um trocador de calor em contracorrente com comprimento ten-

dendo a infinito.

A partir daí, podemos formular a seguinte expressão geral:

efeqp TTcq ,,minmax (5.9)

Onde:

qmax é a taxa máxima de transferência de calor admitida no trocador

cpmin é o calor específico à pressão constante que apresentar o menor valor entre o fluido

quente para a temperatura da entrada e o fluido frio para a temperatura da entrada.

Tq,e é a temperatura do fluido quente na entrada do trocador de calor;

Tf,e é a temperatura do fluido frio na entrada do trocador de calor.

A efetividade do trocador de calor, então, nada mais é do que a razão entre a taxa real de

transferência de calor e a taxa máxima de transferência de calor possível para um determinado

trocador de calor.

maxq

q

(5.10)

Onde:

33

é a efetividade do trocador de calor

Então, podemos também definir a efetividade através das seguintes equações:

efeqp

sqeqpq

TTc

TTc

,,

,,

min

(5.11)

Ou

efeqp

sfefpf

TTc

TTc

,,

,,

min

(5.12)

Onde:

cpq e cpf são os calores específicos à pressão constante dos fluidos quente e frio, respecti-

vamente (média dos calores específicos entre a entrada e a saída do trocador).

Tq,s e Tf,s são as temperaturas do fluido quente e do fluido frio na saída do trocador de

calor, respectivamente.

Por definição, a efetividade, que é um parâmetro adimensional, deve estar no intervalo

compreendido entre 0 1. A efetividade pode vir a ser muito útil, uma vez que, se os valo-

res de , Tq,e e Tf,e forem conhecidos, a taxa real de transferência de calor pode ser determi-

nada através da seguinte expressão:

efeqp TTcq ,,min (5.13)

Para qualquer trocador de calor, pode ser demonstrado que:

max

min

C

CNUTf

(5.14)

34

Onde Cmin/Cmax pode ser igual à cpf / cpq ou cpq / cpf , dependendo das magnitudes das

taxas de capacidades caloríficas dos fluidos quente e frio.

Já o Número de Unidades de Transferência (NUT) é um parâmetro adimensional ampla-

mente utilizado na análise de trocadores de calor, sendo definido através da seguinte expres-

são:

minC

UANUT (5.15)

Onde:

U é o coeficiente global de transferência de calor

A é a área do trocador de calor

Relações Efetividade-NUT:

Para a determinação da forma específica da relação efetividade-NUT (Eq. 5.14) podemos

considerar um trocador de calor com escoamento em paralelo, no qual cpmin=cpq. Desta ma-

neira, podemos obter a seguinte expressão:

efeq

sqeq

TT

TT

,,

,,

(5.16)

Sabemos, também que:

sqeq

efsf

fpf

qpq

TT

TT

cm

cm

C

C

,,

,,

,

,

max

min

(5.17)

Onde:

mq e mf são as vazões mássicas do fluido quente e do fluido frio, respectivamente.

35

max

min

max

min

1

1exp1

C

C

C

CNUT

(5.18)

A expressão 5.18 foi desenvolvida através de um processo de rearranjo e substituição de

equações, o qual é apresentado de maneira mais clara na literatura (Incropera F.P. & DeWitt

D.P., Fundamentos de transferência de calor e massa, 4ª Edição, Editora LTC, Capítulo 11,

pp.327).

De maneira semelhante, foram desenvolvidas expressões aplicáveis a outros tipos de tro-

cadores de calor. Tais expressões podem, facilmente, ser encontradas em sua forma final em

tabelas apresentadas na literatura (Incropera F.P. & DeWitt D.P., Fundamentos de transferên-

cia de calor e massa, 4ª Edição, Editora LTC, Capítulo 11, pp.328,329).

Os modelos de duas ou três zonas para trocadores de calor são os mais utilizados para si-

mular o comportamento deste tipo de equipamento devido à relativa facilidade do modelamen-

to matemático e da maior fidelidade ao comportamento real do equipamento, quando compa-

rado aos modelos de zona única. Em tais modelos, o evaporador é dividido basicamente em

duas zonas (evaporação e superaquecimento) e o condensador é subdividido basicamente em

três zonas (superaquecimento, condensação e sub-resfriamento). Para este tipo de modelamen-

to, as equações da continuidade, energia e quantidade de movimento podem ser estabelecidas e

aplicadas com maior precisão e, considerando a utilização de um coeficiente de transferência

de calor para cada uma das zonas, o problema físico pode ser melhor descrito e matematica-

mente representado.

Os modelos distribuídos têm sido cada vez mais utilizados ao longo dos últimos anos,

devido à maior fidelidade ao comportamento real do equipamento em relação aos modelos

apresentados anteriormente. Neste tipo de modelamento, o trocador de calor é dividido em

vários pequenos volumes de controle. A aplicação das equações para balanços de massa, ener-

gia e quantidade de movimento em cada um dos volumes de controle, juntamente com a utili-

zação de coeficientes de transferência de calor locais permitem uma maior fidelidade aos fenô-

menos físicos que realmente ocorrem nesses equipamentos.

36

A escolha do tipo de modelo a ser utilizado deve pode ser feita de acordo com a geome-

tria do trocador de calor. Por exemplo: para trocadores de calor do tipo carcaça e tubos, com

o processo de evaporação ocorrendo na superfície externa do tubo, os modelos de zona única

e de duas zonas podem ser utilizados para representar os fenômenos físicos adequadamente.

Entretanto, para evaporadores de tubos concêntricos, por exemplo, tais modelos não fornecem

uma representação adequada dos fenômenos físicos que ocorrem nos mesmos, sendo necessá-

ria à aplicação de modelos mais complexos, tais como os modelos distribuídos.

5.3 Dispositivo de Expansão

Os dispositivos de expansão são importantes componentes para o funcionamento de sis-

temas de refrigeração. Tais dispositivos têm como principal função reduzir a pressão na entra-

da do evaporador e regular a vazão de refrigerante. Os dispositivos de expansão mais comu-

mente utilizados são os tubos capilares e as válvulas de expansão termostática. Os tubos capi-

lares consistem em tubos de pequeno diâmetro que atuam como uma restrição ao fluxo, dimi-

nuindo a pressão. Já as válvulas de expansão termostática controlam a vazão de refrigerante,

por meio de um sensor localizado na linha de descarga do evaporador mantendo constante o

grau de superaquecimento na saída do evaporador.

5.3.1 Válvula de Expansão Termostática

Devido a sua alta eficiência e sua pronta adaptação a qualquer tipo de aplicação, as válvu-

las de expansão termostáticas (VET) são os dispositivos de expansão mais utilizados em siste-

mas de refrigeração de expansão direta. São usadas para regular o fluxo do refrigerante a fim

de garantir que ele evapore totalmente na serpentina, para garantir a redução da pressão do

sistema e a pulverização do refrigerante.

37

Figura 1.8 – Esquema da válvula de expansão

A maioria dos modelos para dispositivos de expansão é muito simples. Considera-se que a

variação de entalpia em tais dispositivos é nula, ou seja, h entrada = h saída. O fluxo de massa

através de tais dispositivos pode ser modelado através da equação:

*PKmf (5.19)

Onde:

K é uma constante característica do dispositivo de expansão;

P é a diferença entra as pressões de entrada e saída da válvula;

é a densidade do refrigerante na entrada da válvula.

38

Figura 1.8.1 - Válvula de expansão

NA INDÚSTRIA

6. Fluxograma Industrial Completo

39

Figura 1.9 – Fluxograma de refrigeração industrial

6.1 Centrais de Refrigeração

Na indústria são utilizadas centrais de refrigerações, também conhecidas como Rack’s,

onde são acomodados os dispositivos de refrigeração, e sendo tristribuido os fluidos refrige-

rantes através de tubulações.

Figura 1.9.1 – Rack 01 Figura 1.9.2 – Rack 02

40

Figura 1.9.3 – Projeto gráfico do Rack .

Figura 1.9.4 – Projeto gráfico do SkiRack.

7. Considerações finais

O trabalho apresenta os principais componentes, utilizações, equações e aplicações dos

sistemas de refrigeração industrial, apresentando uma básica explicação sobre a funcionabilida-

de dos equipamentos, e do sistema. Apresentando também os principais modelamentos mate-

máticos dos componentes essenciais da refrigeração industrial.

O ramo da Refrigeração Industrial é muito extenso, com inúmeras aplicações nos mais di-

versos ramos, mas com esse trabalho é possível ter uma noção básica sobre esse ramo da refri-

geração.

41

8. Referências Bibliográficas Dabiri, A. E.; Rice, C. K. A compressor simulation model with corrections for the level of suc-

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