Ciclo de Refrigerao e Refrigerantes

Controle Trmico de Ambientes Criogenia: Em meados do sculo XIX o homem descobriu a propriedade criognica de gases: a capacidade de retirar calor de um sistema quando submetido expanso. E comeou a fazer gelo, industrialmente, em grande escala. A partir dessa poca, ento, tem incio a atividade comercial de conservao de alimentos em grande escala. No havia, sequer, os grandes entrepostos frigorficos, mas sim as fbricas de gelo. Nos setores comercial e residencial este gelo industrial era usado para fazer essa conservao dos alimentos em pequena escala. Os gases refrigerantes usados neste incio da histria da refrigerao eram a amnia, o dixido de enxofre e o cloreto de metil. A refrigerao era, assim, um processo perigoso: explosivo, inflamvel e txico! Alm do que, necessitavam de presso elevada para atingir capacidade criognica necessria fabricao econmica de gelo. Os compressores frigorficos de ento, dada a limitao tecnolgica da poca, eram tidos como mquinas perigosas, sujeitas a exploso. (Imagine se o compressor frigorfico do ar-condicionado do seu carro estivesse sujeito a explodir! Poderia causar um estrago similar ao que mostra a figura abaixo!)

Somente em 1932 o cientista Thomas Midgely Jr inventou o Refrigerante 12, mais conhecido como Freon 12. O Freon 12 um cloro-flor-carbono (CFC) que tem a caracterstica de ser endotrmico quando expande ou quando vaporiza. O Freon no inflamvel, no explosivo, no txico e no corroi metais. A presso necessria para que suas propriedades criognicas ocorram com transferncia aprecivel de calor para ser aplicada praticamente, era bem inferior requerida pelos gases refrigerantes conhecidos at ento. Enfim, um gs ideal, maravilhoso. Isto , at descobrirem que o Freon destri o oznio da atmosfera, to importante para barrar o excesso de radiao solar ultra-violeta na superfcie da Terra:

O3 + UV = O2 + O O excesso de radiao UV deteriora a viso dos seres, altera a fotossntese de vrios cultivares, como a soja, o feijo, de hortalias, como o repolho, alm de intensificar o desenvolvimento de cncer de pele nos seres humanos. E o Freon, nessas alturas, j era usado para outros fins:

Freon 11 (CFC-11) >> produo de espumas de poliestireno Freon 12 (CFC-12) >> ciclos de refrigerao Freon 13 (CFC-13) >> limpeza de circuito eletrnico

Soluo: Usar outros gases refrigerantes, o hidro-cloro-fluor-carbono HCFC e o isobutano, por exemplo. Banimento dos CFCs:

Regulao a nvel mundial >>Protocolo de Montreal!!

O Ciclo de Refrigerao Os ciclos de refrigerao, isto , ciclos termodinmicos de fluidos refrigerantes em equipamentos frigorficos por compresso de vapor, so adequadamente representados em diagramas P x h (presso-entalpia, diagrama de Mollier) e diagrama T x s (temperatura-entropia).

Diagrama de Mollier (P x h) para o refrigerante 22 (Freon 22)

Observe, no diagrama de Mollier, as regies de lquido sub-resfriado, esquerda de x = 0, de vapor mido, 0 < x < 1, no envelope, e vapor super-aquecido, direita de x = 1.

O ciclo de compresso de vapor o mais utilizado em equipamentos frigorficos para produo de frio: para conforto trmico ambiente e para resfriamento e congelamento de produtos.

Frigorfico de produtos por compresso de vapor por expanso direta

O esquema acima representar um sistema frigorfico para produtos: os ovos esto na cmara frigorfica, que mantida temperatura baixa pela troca de calor que ocorre no evaporador. O evaporador um trocador de calor (no caso, de tubos aletados) que resfria o ar que circula na cmara, movimentado pela ao do ventilador. No evaporador ocorre a evaporao do fluido refrigerante, idealmente um processo isobrico (na realidade, com pequena variao de presso). Ainda no interior da cmara, prximo do evaporador, est o dispositivo de expanso (a vlvula termosttica). Este ento um dispositivo frigorfico de expanso direta: a expanso ocorre no ambiente a ser resfriado. No exterior da cmara esto o compressor e o condensador (e outros dispositivos auxuliares, como o vaso acumulador e o filtro). Esse exatamente o esquema de uma geladeira comum, por compresso de vapor. Outras possibilidades de sistemas frigorficos (geladeiras, condicionadores de ar, resfriadores diretos e indiretos, etc) so as de ciclo de gs (no h mudana de fase), absoro (veremos rapidamente mais frente) e a de efeito Peltier (h alguma informao sobre o efeito Peltier no texto de temperatura em http://www.fem.unicamp.br/~instmed.

Veja um sistema indireto: o ambiente (ou processo) ser resfriado ou condicionado for um fluido secundrio, isto , um fluido de transferncia que no o refrigerante com o qual opera o ciclo. No caso, figura abaixo, o fluido de trabalho resfriado pelo refrigerante no evaporador e transporta o frio para o ambiente adequado. Um tal sistema conhecido no meio tcnico como chiller, do ingls, isto , um resfriador.

Esquema de um chiller de gua

Neste chiller mostrado na figura acima, o refrigerante circula do compressor para o condensador, passa pelo vaso acumulador, expande-se na vlvula de expanso termosttica, evapora-se no evaporador, retirando calor de um fluxo de gua. esta gua resfriada que ser utilizada no processo para resfriar um ambiente, um produto, um outro fluxo de lquido. Assim, este um sistema indireto. A figura mostra duas possibilidades para a condensao: condensador resfriado a ar (trocador de tubo aletado, normalmente), ou condensador resfriado a lquido (geralmente um trocador casco-e-tubo - shell and tube). Quando um condensador resfriado com lquido usado, a maioria das vezes a gua o fluido de resfriamento, e uma torre de refrigerao (para resfriar a gua aquecida no condensador, para que possa ser usada em um circuito fechado) usada. O evaporador do chiller um casco-e-tubo.

Compressor

Condensador a ar remoto

Vlvulas de Expanso

Evaporadores

A geladeira domstica: um exemplo de ciclo de compresso de vapor

Mas, efetivamente, o que o ciclo frigorfico de compresso de vapor? Ele consiste de uma srie de processos executados sobre e por um fluido de trabalho, denominado de refrigerante. A geladeira da sua casa, por exemplo, e o aparelho de ar condicionado de janela, da sala de aula, ambos devem funcionar com o Refrigerante 22, o mais comum, tambm conhecido por Freon 22 (em tempo, ciclos de compresso modernos j esto utilizando refrigerantes ecolgicos, que no afetam a camada de oznio da atmosfera pois refrigerantes cloro-fluor-carbonados destroem o oznio O3 da atmosfera). Assim como o ciclo de compresso de uma geladeira de boteco, o ar-condicionado de seu carro, o sistema de condicionamento central de um edifcio, de um shopping center, e vrios outros, industriais, comerciais e residenciais. O ciclo constitudo dos seguintes processos:

1. compresso de vapor, isto , um compressor realiza trabalho sobre o vapor, transfere potncia a ele;

2. a condensao do vapor, que ocorre no condensador (o trocador de

calor direita, na figura acima); 3. a expanso do lquido aps o condensador, que ocorre na vlvula

termosttica ou em um tubo capilar; 4. a evaporao do lquido no evaporador.

Como em toda anlise de ciclos, vamos comear analisando um ciclo ideal de compresso de vapor. Vale lembrar, novamente, que ciclos reais desviam-se dos ciclos idealizados, isto , o ciclo ideal serve, para nossa anlise do ciclo real, como uma referncia, um objetivo a atingir (apesar de inalcanvel, mas engenheiro tem um qu de alquimista, e segue em frente) , atravs da melhoria de cada processo que o constitui. Veja ento um ciclo ideal de compresso de vapor, na figura seguinte, representado esquematicamente e no diagrama de Mollier (P versus h):

Representao esquemtica do ciclo ideal de refrigerao por compresso

de vapor no diagrama de Mollier

Ciclo de compresso de vapor ideal no diagrama de Mollier

O equacionamento do ciclo ideal: seja a formulao simples da Equao da Energia, conforme dada abaixo, aplicvel para um sistema em regime permanente, para um escoamento unidimensional com uma entrada e uma sada, isto , ms = me = m.

mgVhmgVh ee

s

s

&&&&

++

++ = e21e

21

W 22Q til Cada um dos processos que formam o ciclo devem ser analisados separadamente: Compresso >> Modelo Ideal do Compressor No compressor s h um fluxo de entrada e um de sada: me = ms = m. Vamos desprezar a variao das energias cintica e potencial entre a entrada e sada do compressor; e vamos admitir que o processo de compresso adiabtico e reversvel, isto , isoentrpico, veja a figura. Assim, se o processo ocorre em regime permanente e se W o trabalho realizado sobre o VC,

mgVhmgVhdE ee

s

s

CVtil dt &&&&

++

++ += e

21e

21

W 22Q ( ) mhh && = 12W Os estados, representados por nmeros, 1 e 2, esto na figura. As propriedades do refrigerante em 2 so conhecidas desde que se fixe a presso de condensao, pois o processo isoentrpico.

Condensador e Evaporador >> Modelo Ideal do Condensador e do Evaporador

As premissas so:

1. regime permanente; 2. s existe trabalho de escoamento (includo na entalpia);

3. s existe um fluxo de entrada e um fluxo de sada, me = ms = m;

4. variaes de energia cintica e potencial so desprezveis frente

variao da entalpia, e

5. a presso constante (esta uma aproximao!). Assim:

Condensador ideal: ( )mQ hh && 23 =

Evaporador ideal: ( )mQ hh && 41 =

Vlvula de Expanso >> Modelo Ideal da Expanso

As premissas so:

1. regime permanente; 2. processo adiabtico;

3. s existe um fluxo de entrada e um fluxo de sada, me = ms = m;

4. variao de energia potencial desprezvel

5. variao de energia cintica pode ser desprezvel.

Assim:

Expanso ideal: ( )mhh & 0 34 = Isto ,

Evaporador ideal: hh 34 = (processo isoentlpico!) Conseqentemente, irreversvel pois no isoentrpico (volte ao diagrama de Mollier para verificar): isto , um processo adiabtico isoentlpico no isoentrpico (e no reversvel)

Representao esquemtica do ciclo ideal de refrigerao por compresso de vapor no diagrama T versus s.

Ciclo ideal de compresso de vapor, diagrama T x s

Ciclo real de compresso de vapor, diagrama T x s

Diferenas entre os ciclos ideal e real de refrigerao por compresso de

vapor no diagrama P versus h (Mollier).

Em um ciclo de refrigerao, o objetivo a remoo de calor do ambiente a ser refrigerado. Assim, seu COP Coeficiente de Performance, isto , Coeficient of Performance, definido como sendo a razo entre o calor retirado e o trabalho realizado:\

WCOP

QL=

Idealmente,

hhhhCOP

12

41

=

O COP depende:

1. da temperatura de evaporao (vaporizao); 2. da temperatura de condensao

3. propriedades (funes de estado) do refrigerante na suco do

compressor, e

4. de todos os componentes do sistema: compressor, condensador, etc, etc.

Refrigeradores Domsticos O refrigerador domstico hoje, sem dvida, o mais importante entre os eletrodomsticos. Refrigeradores domsticos, as populares geladeiras e freezers so sempre mquinas frigorficas por compresso de vapor, e o R-12 ainda o refrigerante mais utilizado, apesar de que, a partir do Protocolo de Montreal, de 1990, tem sido progressivamente substitudo por R134a, R600 (n-butane), R600a (iso-butane) ou R600b (cyclo-pentane). Os refrigerantes hidrocarbonetos modernos, butano e pentano, tm presso de vapor mais baixa que os Freon e o R134, fazendo com que a presso no evaporador esteja abaixo da atmosfrica, vcuo, algum valor por volta de 58 kPa., veja tabela abaixo.

Table 3. Propriedades de refrigerantes de uso domstico

Refrigerante R12 R134a R600a Nome, frmula Dicloro-difluoro-

metano, CCl2F2 1,1,1,2-

tetrafluoro-etano,

CF3CH2F

Iso-butano, CH3)3CH

Massa molar [kg/mol] 0.121 0.102 0.058 Temperatura ebulio [K] 243.2 246.6 261.5 Temperatura Crtica [K] 388 374 408

Presso Critica [MPa] 4.01 4.07 3.65 Densidade a 25 C [kg/m3] 1470 1370 600

Presso vapor a 25 C [kPa]

124 107 58

Enthalpia vaporizao a 25 C [kJ/kg]

163 216 376

Exemplo de clculo de ciclo de refrigerao: Um sistema de refrigerao por compresso de vapor opera com Freon-12. A vazo mssica do sistema operando em condio de regime permanente de 6 kg/min. O Freon entra no compressor como vapor saturado a 1,5 bar, e sai a 7 bar. Assuma que o compressor tem rendimento isoentrpico de 70%. O condensador do tipo tubo aletado, resfriado com o ar ambiente. Na sada do condensador o Freon est como lquido saturado. A temperatura da cmara frigorfica 10 0C e a temperatura ambiente 22 0C. Considere que as trocas de calor no sistema ocorram somente no evaporador e no condensador, e que evaporao e condensao ocorram sob presso constante. Pede-se:

1- a representao dos processos termodinmicos do ciclo nos diagramas P x h e T x s;

2- A eficincia de Carnot deste ciclo; 3- O COP do ciclo; 4- A capacidade de refrigerao do ciclo; 5- O rendimento exergtico do ciclo.

Notar que h2s facilmente obtido se a compresso isoentrpica. E que h2 calculado sabendo-se a eficincia do processo de compresso. Assim,

h2 = h1 + (h2s h1)/0,7 = 217,88 [kJ/kg]

1. a representao dos processos termodinmicos:

2. a eficincia de Carnot, COPc:

22,832263 ===== TT

QQQ

QQCOP

fq

f

fq

ffC W

&&&

&&&

3. a eficincia do ciclo, COP:

( )( ) 01,381,38 83,11607,17988,217 24,6207,17912 41 ===

==hhhhQCOP m

mW

fC &

&&&

4. a capacidade de reefrigerao, em kW:

( ) ( ) ( ) kWkgkJskgm hhQf 68,1183,11660641 === && Exerccios sugeridos:

1. Um ciclo ideal de refrigerao por compresso de vapor opera com Freon 12. As temperaturas fria e quente so, respectivamente, 20 0C e 40 0C (cmara frigorfica e ambiente, no caso, esto temperatura de evaporao e condensao, o que terico, evidentemente). O refrigerante entra no compressor como vapor saturado a 20 0C e sai do condensador como lquido saturado a 40 0C. O fluxo mssico 0,008 kg/s. Calcular a potncia do compressor, a capacidade de refrigerao em TR (toneladas de refrigerao), a eficincia do ciclo e sua eficincia de Carnot. Respostas: 0,0747 kW; 0,277 TR; 13,03; 14,65.

2. Altere as temperaturas de evaporao e condensao dadas no

problema 1, de forma a se ter um processo que se aproxime mais de um processo real. Considere que a temperatura de evaporao , agora, 12 0C. E a presso de condensao 1,4 Mpa. Calcular a potncia do compressor, a capacidade de refrigerao em TR e a nova eficincia do ciclo. Soluo: 0,16 kW, 0,23 TR e 5.

3. Recalcular o ciclo do problema 2, mas considerando agora que a

eficincia isoentrpica do compressor 80% e que o lquido sai do condensador a 48 0C. Soluo: 0,20 kW, 0,25 TR e 4,35.