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Construindo Hoje a Engenharia do Amanhã

Anais do XIV CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial

DESENVOLVIMENTO DE UMA FERRAMENTA DIDÁTICA PARA AVALIAÇÃO DE SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO EM CASCATA

Micael Lima Conceição (1) ([email protected]), Vítor Pinheiro Ferreira (1) ([email protected])

(1) UFRB; CETEC

RESUMO: Muitas aplicações em refrigeração comercial e industrial requerem ultra-baixas temperaturas (temperaturas abaixo de -40° C). Na medicina, ciências biológicas e indústria farmacêutica essas temperaturas são fundamentais para preservação de micro-organismos, medicamentos, sangue humano e animal. O uso cada vez mais intenso do gás natural em aplicações de combustão veicular sejam em automóveis, utilitários e principalmente locomotivas e navios, impõe a necessidade de se condensá-lo visando armazená-lo e transportá-lo em volumes cada vez menores. Nestas aplicações podem ser empregados sistemas de refrigeração com mais de um ciclo de compressão de vapor arranjados em série. Este trabalho tem como objetivo apresentar o desenvolvimento de uma ferramenta para a avaliação de sistemas de refrigeração por compressão de vapor em cascata. Esta ferramenta é composta por um simulador computacional e um protótipo de um sistema de refrigeração em cascata. Por meio dela é possível estudar os ciclos termodinâmicos frigoríficos, identificar possíveis combinações de fluidos refrigerantes e analisar o desempenho teórico e real de sistemas de refrigeração em cascata. PALAVRAS-CHAVE: Refrigeração em cascata, Ultra-baixa temperatura, Bancada didática.

DEVELOPMENT OF A DIDACTIC TOOL FOR EVALUATION OF CA SCADE

REFRIGERATION SYSTEMS

ABSTRACT: Many applications in commercial and industrial refrigeration require ultra-low temperatures (temperatures below -40 ° C). In medicine, biological sciences and pharmaceutical industry these temperatures are essential for preservation of microorganisms, drugs, human blood and animal. The intensive use of natural gas combustion in vehicular applications, in cars, utilities and especially locomotives and ships, imposes the need to condense it to store it and transport it in ever smaller volumes. In these applications refrigeration systems with more than one vapor compression cycle arranged in series may be employed. This paper aims to present the development of a tool for the evaluation of cascade vapor compression refrigeration systems. This tool consists of a computer simulator and a prototype of a cascade refrigeration system. Through it is possible to study the refrigerator thermodynamic cycles, identify possible combinations of refrigerants and analyze the theoretical and actual performance of cascade refrigeration systems. KEYWORDS: Cascade refrigeration, Ultra-low temperature, Didactic bench.

XIV CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial

Auditório do Senai CIMATEC - Prédio 2 - 2º andar - Salvador - BA,

23 a 26 de Setembro de 2014


Anais do XIV CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial | 2

1. INTRODUÇÃO

Os sistemas de refrigeração exercem importantes papéis para a sociedade atual, em

aplicações de refrigeração doméstica até a refrigeração industrial. A preservação de gêneros

alimentícios em quantidades suficientes para sustentar a população urbana, construções e a maioria

dos artigos e objetos de utilidade do mercado atual dependem desses sistemas de refrigeração

(DOSSAT, 2004). O estudo desses sistemas é fundamental para propor melhorias que aumentem a

eficiência e a aplicabilidade desses sistemas.

Muitas aplicações em refrigeração comercial e industrial requerem ultra-baixas temperaturas

(temperaturas abaixo de -40° C). Na medicina, ciências biológicas e indústria farmacêutica essas

temperaturas são fundamentais para preservação de micro-organismos, medicamentos, sangue

humano e animal. Com a pouca quantidade de gasoduto somado ao aumento do consumo do gás

natural pelas indústrias e diversos meios de transporte, automóveis, utilitários e principalmente

locomotivas e navios, surge à necessidade de armazená-lo e transportá-lo em volumes cada vez

menores. Segundo a Agência Nacional do Petróleo (2010) atualmente o processo de liquefação do

gás natural exige temperaturas menores que -160° C, onde seu volume é reduzido em

aproximadamente 600 vezes. Estes são alguns exemplos onde se podem aplicar sistemas de

refrigeração por compressão de vapor em cascata.

O sistema de refrigeração convencional de simples estágio por compressão de vapor torna-se

ineficiente quando aplicado à ultra-baixas temperaturas. Isto ocorre devido a grande diferença entre

as temperaturas de vaporização e condensação. O fluido refrigerante sob essas condições impõe

níveis de pressões indesejáveis ao ciclo de refrigeração. Dependendo da curva de saturação do

fluido selecionado, pode-se apresentar no sistema pressão negativa na linha de sucção favorecendo

a emissão de óleo lubrificante pela linha de descarga ou elevadas pressões na linha de descarga

culminando na ineficiência energética do ciclo. Este problema pode ser solucionado aplicando-se o

sistema de compressão a vapor em cascata. Por meio deste sistema pode-se atingir ultra-baixas

temperaturas por meio da combinação de dois ou mais ciclos arranjados em série onde cada um

deles trabalha com fluidos diferentes. Estes, entre outros aspectos do sistema de compressão a vapor

em cascata serão apresentados neste trabalho de forma prática por meio do desenvolvimento de uma

ferramenta experimental.

Neste trabalho é proposto o desenvolvimento de uma ferramenta que possibilita avaliar o

desempenho de sistemas de refrigeração em cascata para obtenção de temperaturas ultra-baixas.

Para alcançar este objetivo, foi necessário estudar os ciclos termodinâmicos frigoríficos voltados à

ultra-baixas temperaturas de vaporização, identificar fluidos refrigerantes que podem ser aplicados à






solução com menos impactos no aquecimento global e na depleção camada de ozônio, construir e

avaliar a aplicabilidade de um protótipo capaz de atingir temperaturas inferiores a -40°C.

Este trabalho apresenta uma ferramenta útil para o estudo de ciclos de refrigeração por

compressão de vapor e a combinação destes em sistemas de refrigeração em cascata. Um dos

componentes desta ferramenta é o simulador de sistemas de compressão de vapor em cascata. Por

meio deste simulador o usuário pode obter as condições ótimas de operação do sistema partindo da

capacidade frigorífica projetada. O uso do simulador reduz custos na etapa de construção do

sistema. Outro componente desta ferramenta é o protótipo de um sistema de refrigeração em cascata

com dois ciclos. Por meio deste protótipo pode-se comparar o desempenho teórico e real dos

sistemas de refrigeração em cascata. O protótipo permite identificar a aplicabilidade dos sistemas

de refrigeração em cascata. Além de servir como suporte para pesquisas na área de refrigeração, a

ferramenta didática poderá será utilizada no ensino de sistemas de refrigeração em laboratórios do

curso de graduação em Engenharia Mecânica.

2. CONCEITOS BÁSICOS

O ciclo de compressão de vapor é o mais utilizado nos sistemas de refrigeração

(CAVALCANTI, 2005). Isto porque esses sistemas desempenham papéis importantes na vida das

pessoas, como a conservação de alimentos e o condicionamento de ar. A finalidade básica de um

sistema de refrigeração é manter uma região com uma temperatura fria em relação ao meio em que

se encontra. Uma unidade de refrigeração por compressão de vapor opera segundo um ciclo

termodinâmico onde se necessita de trabalho para que se obtenha transferência de calor de uma

região de baixa temperatura para outra de alta temperatura.

O sistema de refrigeração em cascata é caracterizado pela combinação de mais de um ciclo

de refrigeração por compressão a vapor. Estes ciclos estão arranjados em série por meio de um

intercambiador de calor contracorrente. O ciclo responsável por rejeitar a energia do sistema é o

ciclo de alta temperatura e o ciclo onde ocorre o efeito de refrigeração é o ciclo de baixa

temperatura. Por ser constituído por ciclos distintos pode-se utilizar no sistema mais de um fluido

refrigerante com vazões mássicas distintas. Assim, pode-se selecionar refrigerantes específicos para

atingir temperaturas ultra-baixas no evaporador do sistema. No intercambiador, a energia

proveniente da condensação do ciclo de baixa é responsável por evaporar o refrigerante no ciclo de

alta temperatura (MORAN e SHAPIRO, 2009). As características deste sistema conferem

flexibilidade quanto aos ajustes dos parâmetros do processo. Respeitando o balanço de energia e






massa, podem-se selecionar compressores e intercambiadores de calor de diferentes capacidades e

ajustar as quatro ou mais temperaturas de saturação do fluido. A possibilidade de selecionar

diferentes fluidos refrigerantes permite que o ciclo funcione com pressões razoáveis no evaporador

e no condensador. A Figura 01 mostra o esquema de um sistema de refrigeração em cascata com

dois ciclos (estágios).

FIGURA 01. Ciclo de refrigeração por compressão de vapor em cascata (MORAN e SHAPIRO,

2009).

No sistema de refrigeração em cascata, o intercambiador de calor é o equipamento que

permite a troca de calor entre dois fluidos que estão inicialmente em diferentes temperaturas

separados por uma parede sólida. Basicamente pode-se classificar um intercambiador de calor pelo

tipo de escoamento e construção. Os tipos de escoamento mais comuns são o paralelo,

contracorrente e fluxo cruzado. Os tipos de construção mais utilizados são os de tubos concêntricos

(bitubular), de placas e casco e tubo. De forma geral os intercambiadores podem ou não possuir

aletas projetadas para maximizar a troca de calor entre os fluidos (INCROPERA et al, 2008). No

sistema de refrigeração em cascata pode-se dizer que o intercambiador de calor é composto pelo

evaporador do ciclo de alta temperatura e pelo condensador do ciclo de baixa temperatura.

Os fluidos aplicados a ultra-baixas temperaturas podem ser identificados por meio dos guias

de fluídos refrigerantes fornecidos pelos seus fabricantes. Estes fabricantes também fornecem






tabelas e curvas de saturação que possibilitam a seleção do refrigerante conforme as aplicações

pretendidas. As curvas de saturação fornecem informações de pressão e temperatura do refrigerante.

O refrigerante deve ser escolhido de forma que se evitem pressões excessivamente baixas no

evaporador e excessivamente altas no condensador.

3. MATERIAIS E MÉTODOS

Neste tópico serão apresentados todos os materiais utilizados e procedimentos que foram

realizados a fim de desenvolver uma ferramenta para avaliar o desempenho de um sistema de

refrigeração por compressão de vapor em cascata. Será abordado neste tópico a simulação

computacional, dimensionamento e a construção de um protótipo de sistema de refrigeração em

cascata.

3.1 Simulação computacional

As simulações computacionais foram realizadas a fim de reduzir custo e tempo além de

descobrir as melhores condições de operação do sistema. O software EES (Engineering Equation

Solver) foi escolhido para realizar essas simulações. Os critérios utilizados para a escolha deste

software foi o vasto banco de dados termodinâmicos e sua programação simples e intuitiva. O

simulador desenvolvido neste software possui uma interface que permite simular de forma fácil um

sistema de refrigeração em cascata por compressão de vapor sob diversas condições de operações

para diferentes fluídos de trabalho. Por meio deste simulador pode-se avaliar o trabalho e as

principais transferências de calor no sistema. Também é possível analisar os efeitos causados pelas

condições de sub-resfriamento e superaquecimento dos ciclos do sistema. As seguintes

considerações são aplicadas pelo simulador:

- Cada componente do ciclo é analisado como um volume de controle operando em regime

permanente.

- Não há perdas de carga nos intercambiadores de calor e nas tubulações

- Os efeitos da energia cinética e potencial são desprezíveis

- Compressores e válvulas de expansão operam adiabaticamente

- Processo de expansão irreversível






- Taxa de calor transferido no condensador do ciclo de baixa é 30% maior que a capacidade

frigorífica do sistema.

- O refrigerante entra no compressor no estado de vapor saturado ou superaquecido e sai do

condensador no estado líquido saturado.

A Figura 02 mostra o simulador desenvolvido.

FIGURA 02. Simulador para sistemas de refrigeração em cascata.

O usuário fornece dados como temperatura de vaporização, condições de superaquecimento

e subresfriamento, vazão mássica no ciclo de baixa e escolhe os fluidos de cada ciclo. A partir

destas informações o simulador desenvolvido dimensiona o sistema de refrigeração em cascata.

3.2 Dimensionamento do sistema de refrigeração em cascata.

Um dos objetivos deste trabalho é a avaliação do sistema de refrigeração por compressão de

vapor em cascata. Para isto, foi proposto a construção de um protótipo de refrigeração em cascata.

Este tópico trata do dimensionamento deste protótipo. Nessa etapa são identificados os

componentes do sistema que serão utilizados, as quantidades de cada um deles e a estimativa da

quantidade de refrigerante com o qual o sistema será carregado. Além disso, o dimensionamento






ajuda estimar o espaço ocupado pelos componentes, seu arranjo físico entre outros aspectos que são

abordados no projeto do protótipo. Neste trabalho é apresentado a construção de um sistema de

refrigeração em cascata com dois estágios. A Figura 03 mostra o esquema do sistema proposto.

FIGURA 03. Esquema do sistema de refrigeração em cascata proposto (ASEP, 2014).

Dois estágios são suficientes para estudar as características fundamentais dos sistemas de refrigeração em cascata, atingir ultra-baixas temperaturas além de permitir futuras alterações como a adição de um terceiro estágio. Deseja-se atingir a temperatura de aproximadamente -40°C no evaporador do sistema para que a temperatura na câmara aproxime-se de -30°C. Sabendo-se a quantidade de estágios do sistema, a próxima etapa do dimensionamento é definir os componentes básicos do sistema proposto.

Com base na temperatura de vaporização desejada foram selecionados os fluidos

refrigerantes dos dois ciclos do sistema. O refrigerante R-404a foi selecionado para o ciclo de baixa

temperatura. Este refrigerante foi desenvolvido para aplicações de baixas temperaturas (-40°C até -

20°C). Além disso, a curva de saturação disponibilizada pelo fabricante mostra que o fluido R-404a

atinge temperaturas de vaporização próximas a -40° C com pressões positivas. O refrigerante R-






134a foi selecionado para o ciclo de alta temperatura por apresentar pressões moderadas entre as

temperaturas de vaporização intermediaria e de condensação do ciclo.

O dispositivo de expansão ou estrangulamento é também chamado por alguns fabricantes de

elemento de controle, por meio deste dispositivo é criado uma perda de carga permitindo que o

refrigerante seja vaporizado a baixas pressões. Este componente pode ser um tubo capilar ou uma

válvula de expansão. Neste trabalho foi utilizado como dispositivo de expansão tubos capilares.

Trata-se de um tubo de cobre com diâmetro reduzido que provoca redução da pressão pela fricção

do refrigerante no interior do capilar. O nível de redução da pressão pode ser estabelecido pela

alteração do comprimento ou alteração do diâmetro do capilar (ALEGRIAS;FILHO; MENDONÇA,

2010). Esta escolha deve-se a possibilidade do sistema proposto ser atendido com um dispositivo

de expansão fixo, por este possuir menor custo, quando comparado aos demais dispositivos e ao

fato de permitir que as pressões nos lados de sucção e descarga se equalizem durante a parada do

compressor.

Os compressores utilizados no sistema proposto são de aplicação doméstica e comercial. Eles

são classificados quanto ao torque de partida e sua aplicação. Quanto ao torque, os compressores

são classificados em baixo torque de partida (LST - Low Starting Torque) e alto torque de partida

(HST - High Starting Torque). Foram selecionados compressores LST para ambos os estágios do

sistema de refrigeração em cascata. Esta escolha está atrelada a seleção do tubo capilar como

dispositivo de expansão. Quanto à aplicação, a classificação dos compressores se baseia na faixa de

temperatura de vaporização do refrigerante específico na qual podem ser aplicados. Isto porque os

níveis de pressão impostas ao compressor esta diretamente relacionada às faixas de temperatura do

refrigerante no ciclo de refrigeração. Neste trabalho, para o ciclo de baixa temperatura foi usado um

compressor de baixa pressão de retorno (LBP - Low Back Pressure) e para o ciclo de alta um

compressor de alta pressão de retorno (HBP - High Back Pressure). As condições de operação do

sistema de refrigeração em cascata foram dimensionadas por meio do simulador computacional,

apresentado neste trabalho.

O projeto da carga mássica ajuda identificar a quantidade de massa de refrigerante com que

cada ciclo funcionará. O cálculo preciso da carga mássica é importante, pois os ciclos operam com

dispositivos de expansão fixo. Este cálculo foi feito com base no volume interno das tubulações e

componentes do sistema de refrigeração em cascata. Assim, foi realizada uma pré-carga no sistema

para que depois fossem feitos alguns ajustes de carga. A carga mássica dos ciclos foi estimada pelo

volume interno dos componentes do ciclo multiplicado pela massa específica do refrigerante. Em

algumas partes do sistema foi necessário levar em consideração a massa específica média do






refrigerante. A massa no interior do tubo capilar foi desconsiderada por ser muito menor em

comparação aos demais componentes do sistema.

O intercambiador de calor que intermediará o fluxo de calor entre os dois ciclos do sistema

de refrigeração em cascata é do tipo bitubular ou concêntrico. Será utilizado o escoamento

contracorrente, pois apresenta menor diferença na variação de temperatura dos refrigerantes ao

longo do intercambiador por ser mais eficaz para o tipo de aplicação. Os tubos foram escolhidos

pela disponibilidade no mercado e pelos aspectos construtivos, como a forma intercambiador. O

tubo interno do intercambiador tem diâmetro de 1/4” e o tubo externo tem diâmetro de 5/8”.

O fluido frio do ciclo de alta passa pelo tubo interno e o fluido quente passa pela região

anular. Passando o fluido quente pela região anular diminui-se a possibilidade de formação de

condensado e facilita o isolamento do intercambiador. Este isolamento foi feito de espuma

elastomérica com 50 mm de espessura.

O método para dimensionamento do intercambiador foi o MLDT com o auxíliodo software

EES. As seguintes considerações foram aplicadas no cálculo:

- Perda de calor para a vizinhança desprezível

- Mudanças de energias cinética e potencial desprezíveis

- Propriedades constantes

- Resistência térmica na parede do tubo e fatores de deposição desprezíveis

3.2 Construção do protótipo

Nesta etapa do trabalho é apresentado o projeto do protótipo com os componentes

selecionados no dimensionamento do sistema de refrigeração em cascata proposto. A partir deste

projeto é definido o arranjo físico dos componentes do sistema, fabricado a estrutura e os principais

componentes do sistema. Além disso, nesta etapa é realizado o comissionamento do protótipo.

O projeto da bancada foi desenvolvido com o compromisso de arranjar todos os

componentes do ciclo de refrigeração em cascata eficientemente. Foi considerado o custo e os

esforços gerados pelo conjunto dos componentes do sistema para a escolha do material da estrutura.

No projeto foi definido que a estrutura seria feita com tubos de aço carbono comum com formato

retangular (Metalon) 30x20 mm na chapa #18 (1,2mm) e chapa de MDF (Medium-Density

Fiberboard) com 10 mm de espessura. Os componentes do sistema estão dispostos sobre a chapa de

MDF na direção horizontal.






Após realizar o projeto da estrutura da bancada, foi necessário projetar a disposição dos

componentes, possíveis tomadas de pressão e sensores. Este projeto levou em consideração a

economia de material, principalmente tubos de cobre, a refrigeração dos compressores e a utilização

do espaço útil. A Figura 04 mostra o esboço do projeto.

FIGURA 04. Disposição dos componentes.

Os compressores estão propositalmente dispostos na direção do escoamento de ar

proveniente do condensador do ciclo de alta. Apesar do fluxo de ar produzido pelo ventilador ser

aquecido por conta do condensador, o mesmo consegue arrefecer os compressores que atingem

temperaturas mais elevadas. Nesta etapa do projeto foram definidas também as tomadas de pressão

para os manômetros. O sistema possui dois manômetros de baixa pressão e dois de alta pressão.

Para cada ciclo é utilizado dois manômetros, um de alta pressão e outro de baixa pressão. A escolha

das tomadas de pressão foi feita a fim de monitorar o comportamento das transformações

termodinâmicas. O protótipo possui cinco sensores de temperatura do tipo PTC (Positive

Temperature Coefficient). Por meio dos dados de pressão juntamente como os de temperatura,

usuários do protótipo podem realizar analises termodinâmicas no sistema. Algumas tubulações do

sistema serão submetidas a temperaturas mais baixas que a temperatura ambiente, havendo a

possibilidade de formação de líquido pelo processo de condensação. Foi necessário impermeabilizar

o MDF com fórmica. A fórmica utilizada foi a de PVC (policloreto de vinil), por custar menos e

pela facilidade de corte e aplicação.

O evaporador do sistema está contido em um gabinete feito a partir da estrutura de um

frigobar usado, adquirido em uma empresa de serviços de refrigeradores domésticos.






A Figura 05 mostra o frigobar como foi adquirido.

FIGURA 05. Frigobar utilizado.

Somente a estrutura do frigobar foi aproveitado pois o estado de conservação do evaporador

estava bastantante comprometido, assim como parte da estrutura. A chaparia da parte inferior foi

substituída, pois estava completamente oxidada. O suporte de mantimentos da porta foi retirado

para aumentar o volume da câmara e facilitar a circulação interna de ar. O frigobar foi totalmente

restaurado. Um defletor de vento foi criado com chapa de zinco para ajudar a circulação de ar

dentro do gabinete (Figura 06). Neste defletor foi criado uma abertura circular por onde o ar é

expelido por meio de um micro ventilador de 110 V e outra abertura retangular admitindo ar que

passa entre as aletas do evaporador de alumínio. Assim o fluxo de ar acontece de forma circular no

interior da câmara frigorífica.

FIGURA 06. Defletor de vento.






Uma estrutura foi feita para suportar o evaporador de forma que este fique o mais próximo

possível do micro ventilador garantido que o fluxo de ar passe pelas aletas do evaporador (Figura

07).

FIGURA 07. Suporte do Evaporador

Em torno do evaporador do protótipo foi instalado uma resistência elétrica de 110 V para

degelo. A estrutura mostrada acima também tem a função de purgar o líquido proveniente dos ciclos

de degelo do sistema. O gabinete criado a partir da estrutura de um frigobar usado que funcionava

no sentido vertical passou a trabalhar no sentido horizontal. A Figura 08 mostra o resultado final do

gabinete com o evaporador, resistência, ventilador e defletor de vento instalados.

FIGURA 08. Resultado da montagem do gabinete

O intercambiador de calor foi construído com o comprimento cerca de 20% a mais do que

foi calculado. Esta folga foi aplicada para permitir ajustes no sistema. O intercambiador foi

construído com o comprimento de 4000mm. O tubo com menor diâmetro foi inserido no interior do

tubo de maior diâmetro. Os tubos foram moldados por meio de um cilindro rígido de 350mm. No

final do processo o intercambiador tinha o diâmetro desejado. Uma das extremidades do tubo foi






virado em aproximadamente 90°, como mostra a Figura 09, para facilitar as conexões com os ciclos

do sistema.

FIGURA 09. Intercambiador de calor.

Os tubos do intercambiador foram espaçados para que a espuma elastomérica fizesse o

isolamento entre os passes. O isolamento do intercambiador foi feita com duas placas de espuma

eslatomérica de 250mm de largura com 1200mm de comprimento. Foi aplicado cola adesiva nas

suas superfícies que fariam contato. Uma placa foi aplicada na parte externa do intercambiador e

outra na parte interna. Por fim, o isolamento foi protegido com uma chapa de zinco. O resultado

pode ser visto na Figura 10.

FIGURA 10. Intercambiador de calor isolado

A montagem dos componentes na bancada seguiu rigorosamente o projeto. A maioria das

conexões foi realizada antes de fixar os componentes na bancada. Isto foi feito para facilitar a

montagem e evitar que o processo brasagem fosse feito próximo ao MDF. As conexões entre os

manômetros e as linhas do ciclo foram feitas por meio de TEE de latão. Da mesma forma foi feita a

conexão da linha de alta pressão do ciclo de baixa temperatura com o pressostato. O pressostato






utilizado tem como objetivo proteger o compressor de pressões elevadas. Este desliga o compressor

com a pressão de cerca de 300psi. O evaporador utilizado no sistema é de alumínio. A brasagem

entre a tubulação do evaporador com a tubulação de cobre do restante do sistema foi feita com a

vareta IZI Migrare, apropriada para a brasagem entre alumínio e cobre. Após realizar as conexões

entre os principais componentes do protótipo, a bancada foi furada e os componentes foram fixados.

Os manômetros e o controlador do ciclo foram instalados no painel. O controlador possui as

funções de controle do ciclo de degelo por meio do acionamento da resistência elétrica, alarmes pré-

definidos, controle de um compressor. A Figura 11 mostra o resultado da montagem da bancada.

FIGURA 11. Montagem dos componentes.

Para finalizar a montagem do protótipo foram feitas as instalações elétricas. O pressostato

foi ligado em série com o compressor de baixa. Os compressores, a resistência e o ventilador foram

ligados na placa de controle. A placa de controle foi feita para evitar o acionamento direto dos

componentes do sistema do protótipo. A Figura 12 mostra a placa de controle em teste.

FIGURA 12. Placa de Controle.






Assim o controlador do sistema está protegido contra as altas correntes de alimentação dos

componentes. Esta placa foi desenvolvida com três relés, dois de 10A e um de 15A para o

compressor de baixa.

Os compressores do protótipo foram testados antes da montagem do sistema de refrigeração.

Depois de montar os componentes o primeiro teste realizado foi o de vazamento. O ciclo de baixa

temperatura foi pressurizado a 70 psi por meio da válvula de serviço do compressor. O fluido

utilizado para pressurização foi o R-410. O ciclo de alta temperatura foi pressurizado a 150 psi com

o mesmo fluido. Foi aplicada espuma em todas as conexões inclusive na conexão entre manifold e a

válvula de serviço de cada compressor. Algumas conexões dos TEE´s precisaram ser ajustadas até

que os vazamentos fossem contidos.

O processo de brasagem e a preparação da tubulação ocasionam o acúmulo de resíduos nas

linhas. Após certificar que o sistema estava livre de vazamentos foi necessário limpar toda a

tubulação. Esta limpeza foi feita por injeção de gás em alta pressão na tubulação. Depois de

pressurizada a tubulação foi aberta em pontos estratégicos para que os resíduos fossem expelidos. A

fim de retirar todos os gases residuais e toda umidade da tubulação o sistema foi submetido ao

processo de vácuo. O sistema foi recarregado e submetido novamente ao processo de vácuo. A

Figura 13 mostra o processo de vácuo no protótipo.

FIGURA 13. Aplicação do processo de vácuo.

Com o auxílio de uma balança de precisão a quantidade de massa calculada foi carregada em

cada ciclo. Este processo ocorreu com os compressores acionados.






4. RESULTADOS

Após carregar o sistema com a quantidade de massa estimada para cada ciclo, foram

realizados os primeiros testes de funcionamento. Alguns problemas foram encontrados. A princípio

o sistema não funcionou conforme foi projetado. Nos testes, primeiro acionou-se o compressor do

ciclo de alta temperatura e depois o compressor do ciclo de baixa temperatura. Ao acionar o

compressor do ciclo de baixa o sistema apresentou níveis de pressões indesejadas, fazendo vácuo na

linha de sucção e pressões muito elevadas na linha de descarga, atingindo sua pressão crítica (300

psi), quando o pressostato protege o compressor desligando-o.

Em sistemas de refrigeração dotados de dispositivos de expansão fixo, o cálculo preciso da

carga mássica do ciclo é de fundamental importância. A carga mássica projetada para o ciclo de alta

temperatura foi de 0,4673 Kg do refrigerante R-134a e para o ciclo de baixa tempera foi projetada a

carga de 0,8037 Kg do refrigerante R-404a. A carga mássica utilizada no ciclo de baixa pressão

durante os testes foi inferior a carga projetada. Foi utilizado a carga de 0,750 Kg de refrigerante R-

404a. Esta diferença ocorreu por falta de refrigerante R404a no momento de realização do teste. Foi

aqui adquirido mais 0,750 Kg de refrigerante R404a para futuros testes.

A fim de analisar o comportamento do sistema de refrigeração em cascata, foram coletados

os valores das pressões aferidas por meio dos manômetros instalados no protótipo. Para cada ciclo

foram instalados dois manômetros, um manômetro de baixa pressão na sucção dos compressores e

dois manômetros de alta pressão na saída de cada condensador. O teste realizado teve duração de 10

minutos. As pressões dos quatro manômetros foram coletadas a cada minuto. A partir desses dados

coletados a Tabela 06 foi preenchida. Esta relaciona as pressões (psi) por unidade de tempo (min).

O sistema parte da condição de parada em 0 minuto. Neste momento, o compressor de baixa não

consegue partir, pois a pressão em sua sucção é muito elevada. O manômetro de baixa pressão do

ciclo de baixa temperatura registra pressão superior a 350 psi, não identificada, pois o ponteiro do

manômetro atinge o seu fundo de escala. Nesta condição, ao tentar acionar o compressor do ciclo de

baixa temperatura, este desarma em poucos segundos. Assim, o compressor do ciclo de alta

temperatura deve ser acionado primeiro. Quando acionado, a pressão de sucção no compressor de

baixa temperatura, mesmo desligado, diminui gradativamente. Isto ocorre, pois o refrigerante R-

134a do ciclo de alta está vaporizando no interior do intercambiador de calor, absorvendo calor do

refrigerante R404a do ciclo de baixa temperatura. Isto altera os níveis de pressão do ciclo de baixa

temperatura, apesar do compressor do ciclo de baixa estar desligado. Isto ocorre porque os

dispositivos de expansão são tubos capilares, que permitem o equilíbrio das pressões no ciclo.

Enquanto o compressor do ciclo de baixa temperatura permanece desligado os níveis de pressões

nos manômetros de baixa e de alta do ciclo de alta temperatura crescem ao longo do tempo. O

compressor do ciclo de baixa permanece desligado por 6 minutos, quando a pressão no ciclo






registrado pelo na sua sucção atinge 85 psi. Neste momento, o compressor do ciclo de baixa

consegue partir e é acionado. Durante os próximos 4 minutos são aferidos as temperaturas na

câmara de vaporização. A Tabela 06 mostra os níveis de pressão durante o teste.

TABELA 06. Níveis de pressão durante o teste.

Ciclo de Alta Temperatura

Tempo (min) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Manômetro

de Baixa (psi)

10 11 12 13,2 14,5 15,8 17 18,3 19,8 21,7 24

Manômetro

de Alta(psi)

130 153 175 196 217 239 255 259 264 270 278

Ciclo de Baixa Temperatura

Tempo (min) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Manômetro

de Baixa (psi)

>350 >350 340 300 245 170 85 40 30 10 -10

Manômetro

de Alta(psi)

55 57 60 63 67 71 75 130 180 250 300

Após os sei primeiros minutos os níveis de pressão no ciclo de alta continuam crescendo,

porém observa-se uma leve desaceleração deste crescimento, Como mostrado na Figura 14.

FIGURA 14. Comportamento do ciclo de alta temperatura.

0

50

100

150

200

250

300

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Manômetro de

Baixa

Manômetro de

Alta

Pressão (psi)

Tempo (min)






No ciclo de baixa temperatura são observados os efeitos mais relevantes do teste. A Figura

15 mostra os níveis de pressões no decorrer do tempo para o ciclo de baixa.

FIGURA 15. Ciclo de baixa temperatura.

A partir dos 6 minutos de duração do teste, quando o compressor do ciclo de baixa

temperatura é acionado a temperatura no interior da câmara de vaporização começa a diminuir.

Porém, o ciclo de baixa começa a apresentar níveis de pressões indesejadas, fazendo vácuo na linha

de sucção e pressões muito elevadas na linha de descarga, atingindo sua pressão crítica (300 psi),

quando o pressostato protege o compressor desligando-o. O teste é finalizado após 10 minutos de

duração, pouco antes do compressor de baixa ser desligado pelo pressostato. Neste momento foi

registrada temperatura de -11°C na câmara de vaporização. Os gráficos mostrados por meio das

Figuras 14 e 15 revelam a eficácia do intercambiador de calor. Isto é observado claramente quando

as pressões do ciclo de baixa pressão se alteram sensivelmente durante os seis primeiros minutos do

teste, quando o compressor deste ciclo encontra-se desligado.

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Manômetro de

Baixa

Manômetro de

Alta

Pressão (psi)

Tempo (min)






5. CONCLUSÕES

Conforme seus objetivos, este trabalho resultou em uma ferramenta para o estudo de ciclos de

refrigeração por compressão de vapor e a combinação destes em sistemas de refrigeração em

cascata. Por meio do simulador desenvolvido pode-se analisar o comportamento de sistemas de

refrigeração em cascata. De forma prática e intuitiva o usuário deste simulador pode identificar as

propriedades termodinâmicas dos refrigerantes em pontos estratégicos dos ciclos do sistema de

refrigeração em cascata.

Complementando o simulador, o protótipo pode ser utilizado para a aplicação dos projetos

feitos no simulador. Por meio desta ferramenta experimental é possível aplicar e avaliar diferentes

combinações de refrigerantes aplicados a sistemas de refrigeração em cascata. É possível também,

analisar o dimensionamento e a influência de cada componente do sistema. O contato dos

estudantes com esta ferramenta composta pelo protótipo e simulador é importante para que estes

possam analisar os efeitos das considerações estabelecidas durante o projeto na construção de um

sistema real com suas diversas irreversibilidades. Por meio desta ferramenta é possível fazer a

correlação entre os desempenhos dos componentes quando analisados teoricamente e quando posto

em funcionamento na prática.

É proposta para trabalhos futuros a otimização do simulador por meio da inserção de novas

funções. Será necessária também, a adequação da carga mássica de refrigerante no sistema de

refrigeração apresentado. Novos fluidos refrigerantes voltados para ultra-baixas temperaturas

podem ser utilizados no protótipo. Em trabalhos futuros o protótipo poderá ser modificado,

alterando seus componentes ou até mesmo inserindo novos componentes ou mais estágios no

sistema.






REFERÊNCIAS

ALEGRIAS, J. G. P.; PAZ, J. G.; FILHO, E. P. B.; MENDONÇA, O. S. H. Efeito das

dimensões do tubo capilar como elemento de expansão num sistema de refrigeração domestica.

Campina Grande –Pb, 2010.

ANP. Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis. O gás natural liquefeito

no Brasil. Experiência da ANP na implantação dos projetos de importação de GNL. Rio de

Janeiro, séries tem éticas ANP – n° 4, 2010.

ASEP, Hermawan. Cascade Refrigeration System. Disponível em:

<http://hvactutorial.wordpress.com/> Acessado em: 11/05/2014.

CAVALCANTI, J. O. E BEZERRA, C. R. Eficiência de uma unidade de refrigeração por

compressão de vapor. XXXIII Congresso Brasileira de Ensino de Engenharia. Campina Grande

– Pb. 2005.

DOSSAT, Roy J. Princípios de Refrigeração. Hemus: 2004.

INCROPERA F.; DEWITT D.; BERGMAN T. ;LAVINE A. Fundamentos de Transferência de

Calor e Massa, 6ª edição, LTC, 2008.

MORAN, M. J.; SHAPIRO, H. N. Princípios de Termodinâmica para Engenharia, LTC, 6ªEd.,

2009.

AGRADECIMENTOS

Este trabalho foi financiado pela FAPESB

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