Dissertação Refrigeração

8/10/2019 Dissertao Refrigerao

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FRANCISCO SALVADOR

PROJETO DE UM SISTEMA DEREFRIGERAO INDUSTRIALCOM SET-POINT VARIVEL

Dissertao apresentada EscolaPolitcnica da Universidade de SoPaulo para obteno do ttulo de Mestreem Engenharia

So Paulo1999


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FRANCISCO SALVADOR

PROJETO DE UM SISTEMA DEREFRIGERAO INDUSTRIALCOM SET-POINT VARIVEL

Dissertao apresentada EscolaPolitcnica da Universidade de SoPaulo para obteno do ttulo de Mestreem Engenharia

rea de Concentrao:Engenharia de Sistemas

Orientador:Claudio Garcia

So Paulo1999


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Salvador, FranciscoProjeto de um Sistema de Refrigerao Industrial com

Set-point Varivel. So Paulo, 1999.105p.

Dissertao (Mestrado) Escola Politcnica daUniversidade de So Paulo. Departamento de EngenhariaEletrnica.

1. Refrigerao Industrial 2. Modelagem 3. Simulao 4.Otimizao I. Universidade de So Paulo. Escola Politcnica.Departamento de Engenharia Eletrnica. II. t


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O que ainda vai ser amanh, o hoje.

Clarisse Lispector

Para dizerem milho dizem mio

Para melhor dizem mi

Para pior pi

Para telha dizem teia

Para telhado dizem teiado

E vo fazendo telhados

Oswald de Andrade


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Agradecimentos

Ao Prof. Dr. Claudio Garcia pela orientao, apoio e amizade.

Miriam pela compreenso e apoio.

Aos meus pais e irmos pelo incentivo e compreenso.

A todos os amigos do Departamento de Engenharia da SADIA. Em especial a

Geraldo Lopes Passareli pela ateno e pelos valiosos esclarecimentos, a Plnio Luiz

Sottomaior Pereira pelo apoio, bem como a Srgio Paulo Alves dos Santos e a Maurcio

Nhoque.

Aos colegas Daniela Lazzeri, Ylana, Hlio Rubens e Denis do Departamento de

Produo da SADIA em So Paulo e Concrdia pela pronta colaborao.

Ao Prof. Dr. Gustavo Ferreira Leonhardt da ESCOLA DE ENGENHARIAMAU pela preciosa ateno.

s empresas MYCOM MAYEKAWA DO BRASIL REFRIGERAO LTDA.,

SABROE DO BRASIL LTDA. e RECRUSUL SA.

A todos que contriburam direta ou indiretamente com este trabalho.


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Sumrio

Lista de Tabelas

Lista de Figuras

Resumo

Abstract

Captulo 1

Introduo1.1 Consideraes Iniciais................................................................................................ 1

1.2 Objetivos .................................................................................................................... 3

1.3 Reviso Bibliogrfica................................................................................................. 4

Captulo 2

Ciclo de Refrigerao por

Compresso a Vapor2.1 Introduo .................................................................................................................. 9

2.2 Ciclo de Compresso a Vapor.................................................................................. 10

2.3 Duplo Estgio de Compresso ................................................................................. 13

2.4 Configurao do Sistema em Estudo ....................................................................... 15


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Captulo 3

Componentes doSistema de Refrigerao

3.1 Introduo ................................................................................................................ 21

3.2 Compressores Parafuso ............................................................................................ 22

3.2.1 Capacidade de Refrigerao e Potncia de Compresso.............................. 25

3.2.2 Controle de Capacidade ............................................................................... 28

3.2.3 Aspirao a uma Presso Intermediria ....................................................... 32

3.2.4 Modelo para o Compressor Parafuso........................................................... 33

3.3 Tnel de Congelamento ........................................................................................... 36

3.3.1 Dimensionamento do Tnel ......................................................................... 38

3.3.2 Modelo para o Tnel de Congelamento....................................................... 42

3.4 Evaporadoresstudo................................................................................................... 433.4.1 Cargas Parciais ............................................................................................. 46

3.4.2 Evaporadores com Recirculao de Lquido................................................ 48

3.5 Condensadores Evaporativos ................................................................................... 51

3.6 Reservatrio de Lquido........................................................................................... 53

3.6.1 Modelo para o Reservatrio de Baixa Presso............................................. 55

3.7 Vlvula de Expanso................................................................................................ 59

Captulo 4

Congelamento de Alimentos4.1 Caractersticas .......................................................................................................... 59

4.2 Carga Trmica do Produto ....................................................................................... 624.2.1 Curva de Carga Trmica .............................................................................. 65


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Lista de Figuras

2.1 Diagrama p-h do Ciclo Frigorfico de Carnot(STOECKER; JABARDO,1994)........................................................................11

2.2 Circuito frigorfico e diagrama p-h do Ciclo Padro de Compresso aVapor...................................................................................................................12

2.3 Diagrama p-h do Ciclo Padro de Compresso a Vapor com estadosalterados ..............................................................................................................12

2.4 Processo no dispositivo de expanso (STOECKER; JABARDO, 1994)..........132.5 (a) Ciclo frigorfico com remoo de gs flash. (b) Diagrama p-h do

sistema.................................................................................................................142.6 (a) Sistema de duplo estgio de compresso com resfriador intermedirio e

tanque de gs 'flash' num nico reservatrio. (b) Diagrama p-h do sistema.......152.7 Fluxograma simplificado do sistema frigorfico por compresso a vapor..........172.8 Tnel de congelamento contnuo espiral (RECRUSUL SA / YORK

INTERNATIONAL)...........................................................................................182.9 Diagrama p-h do ciclo (MYCOM MAYEKAWA DO BRASIL LTDA)...........193.1 Detalhe de um compressor parafuso ...................................................................24

3.2 Estgios de Compresso: (a) O gs penetra no espao entre os lbulos; (b) O gsultrapassa a regio de entrada e comea a ser comprimido; (c) O volume reduzido de acordo com a relao de compresso interna; (d) Descarga do gs(CONAN, 1990)..................................................................................................24

3.3 Curvas de Eficincia de um compressor parafuso (ASHRAE, 1988).................253.4 Potncia demandada no eixo do compressor, capacidade frigorfica e coeficiente

de eficincia em funo da temperatura de evaporao (compressor MYCOMparafuso 200SH, refrigerante amnia, sistema economizer, temperatura decondensao 35C, capacidade 100%)................................................................27

3.5 Potncia demandada no eixo do compressor, capacidade frigorfica e coeficientede performance em funo da temperatura de condensao (compressorMYCOM parafuso 200SH, refrigerante amnia, sistema economizer,temperatura de evaporao -35C, capacidade 100%)........................................28

3.6 Operao da vlvula de deslizamento (MYCOM CO. LTD., 1978) ..................293.7 Potncia de compresso para condies de carga parcial de um compressor

parafuso (SABROE REFRIGERATION SA, 1989)...........................................303.8 Potncia demandada no eixo do compressor em funo da capacidade

(compressor MYCOM parafuso 160LM, refrigerante amnia, temperatura decondensao 35C, temperatura de evaporao -25C).......................................31

3.9 Diagrama p-h comparativo entre sistema de simples estgio e com pressointermediria (economizer) (SABROE REFRIGERATION SA, 1989)..........33


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3.10 Potncia no eixo (kW) em funo da vazo (kg/h) e da temperatura deevaporao (C) para o compressor MYCOM modelo 200LH........................... 36

3.11 Esquema de um tnel de congelamento com esteira mvel tipo espiral(ASHRAE, 1988) ................................................................................................37

3.12 Evaporador inundado (STOECKER; JABARDO, 1994)..................................493.13 Recirculao forada de lquido (STOECKER; JABARDO, 1994)..................503.14 Diagrama de troca de calor para um condensador evaporativo (ts temperatura

do filme de gua na superfcie da serpentina) (ASHRAE, 1988) .......................523.15 Reservatrio de baixa presso (CONAN, 1990)................................................554.1 Curva de Congelamento do produto A. Temperatura do ar -30C......................634.2 Curva de Congelamento do produto B. Temperatura do ar -30C......................644.3 Curva de carga trmica do produto A ao longo do tempo para produo de

4.500kg/h num perodo de 16 horas de operao................................................665.1 Implementao em SIMULINK do modelo do Tnel de Congelamento e

Evaporador..........................................................................................................715.2 Implementao em SIMULINK do modelo do Reservatrio de Lquido...........725.3 Implementao em SIMULINK para sistema com set-point de temperatura de

evaporao fixo ...................................................................................................755.4 Implementao em SIMULINK para sistema com set-point de temperatura de

evaporao varivel em funo da temperatura ambiente do tnel ....................765.5 Implementao em SIMULINK : (a) controle de capacidade; (b) clculo dapotncia no compressor e (c) controle pela mxima temperatura deevaporao...........................................................................................................77

5.6 Grficos de carga trmica, potncia no eixo, consumo e vazo de refrigerantepara carga trmica nominal (compressor MYCOM 200LH); ----- sistema comcontrole de capacidade atual; sistema com controle pela mximatemperatura de evaporao..................................................................................79

5.7 Grficos de carga trmica, potncia no eixo, consumo e vazo de refrigerantepara 80% da carga trmica nominal (compressor MYCOM 200LH); ----- sistemacom controle de capacidade atual; sistema com controle pela mximatemperatura de evaporao..................................................................................80

5.8 Grficos de carga trmica, potncia no eixo, consumo e vazo de refrigerantepara carga trmica nominal (compressor MYCOM 200LH com termo-sifo); ----- sistema com controle de capacidade atual; sistema com controle pelamxima temperatura de evaporao....................................................................83

5.9 Grficos de carga trmica, potncia no eixo, consumo e vazo de refrigerantepara 80% da carga trmica nominal (compressor MYCOM 200LH com termo-sifo); ----- sistema com controle de capacidade atual; sistema comcontrole pela mxima temperatura de evaporao..............................................84

5.10 Curva de distribuio de carga tpica para uma instalao de refrigeraoindustrial (ABB REFRIGERATION, 1998).......................................................85


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5.11 Implementao em SIMULINK do sistema com otimizao da potncia docompressor ..........................................................................................................88

5.12 Implementao em SIMULINK do sistema com otimizao da potncia docompressor ..........................................................................................................89

5.13 Grficos de carga trmica, potncia no eixo, consumo e vazo de refrigerantepara carga trmica nominal para sistema com otimizao da potncia absorvidano eixo do compressor (compressor MYCOM 200LH); sistema comcontrole de capacidade atual; - - sistema com controle pela mximatemperatura de evaporao; sistema com controle com rotina deotimizao. ..........................................................................................................91

5.14 Grficos de carga trmica, potncia no eixo, consumo e vazo de refrigerantepara 80% da carga trmica nominal para sistema com otimizao da potncia

absorvida no eixo do compressor (compressor MYCOM 200LH); sistema com controle de capacidade atual; - - sistema com controle pelamxima temperatura de evaporao; sistema com controle com rotina deotimizao. ..........................................................................................................92

5.15 Grficos de carga trmica, potncia no eixo, consumo e vazo de refrigerantepara carga trmica nominal para sistema com otimizao da potncia absorvidano eixo do compressor (compressor MYCOM 200LH com termo-sifo); sistema com controle de capacidade atual; - - sistema com controle pelamxima temperatura de evaporao; sistema com controle com rotina deotimizao. ..........................................................................................................95

5.16 Grficos de carga trmica, potncia no eixo, consumo e vazo de refrigerantepara 80% da carga trmica nominal para sistema com otimizao da potnciaabsorvida no eixo do compressor (compressor MYCOM 200LH com termo-sifo); sistema com controle de capacidade atual; - - sistema comcontrole pela mxima temperatura de evaporao; sistema com controlecom rotina de otimizao. ...................................................................................96


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Lista de Tabelas

5.1 Reduo no consumo para operao com set-point varivel em funo datemperatura ambiente com relao operao com set-point fixo de 40C(compressor MYCOM 200LH)...........................................................................79

5.2 Reduo no consumo para operao com set-point varivel em funo datemperatura ambiente com relao operao com set-point fixo de 40C(compressor MYCOM 200LH com termo-sifo). ..............................................80

5.3 Reduo no consumo para operao com set-point varivel conforme mximatemperatura de evaporao e rotina de otimizao com relao operao comset-point fixo de 40C para ciclo parcial de operao (compressor MYCOM200LH). ...............................................................................................................90

5.4 Reduo no consumo para operao com set-point varivel conforme mximatemperatura de evaporao e rotina de otimizao com relao operao comset-point fixo de 40C para ciclo parcial de operao (compressor MYCOM200LH com termo-sifo).....................................................................................92


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Resumo Os sistemas trmicos operam na maior parte do tempo fora de suas condies

nominais de projeto. Nos sistemas de refrigerao industrial, a operao comcarga trmica parcial ocorre em funo de diversos fatores e o consumo deenergia apresenta grande variao em funo do ciclo de operao.

Neste trabalho proposta a otimizao energtica dos sistemas frigorficospor compresso a vapor atravs da operao com regime varivel para o ciclofrigorfico, especificamente atravs da operao com set-point de temperaturade evaporao varivel.

Para tanto desenvolvido um modelo matemtico para simulao dinmicade um sistema de refrigerao industrial por compresso a vapor comrefrigerante amnia (R-717) para o congelamento de alimentos compostobasicamente de tnel de congelamento por circulao forada de ar, evaporadorcom recirculao de lquido, reservatrio de lquido a baixa presso,compressores parafuso e condensador evaporativo atmosfrico.

So analisados atravs de simulao dois mtodos para a variao do set-point de temperatura de evaporao: a mxima temperatura de evaporaoadmissvel e a minimizao da potncia no compressor. Os dois mtodos socomparados ao sistema de controle de capacidade atualmente utilizado eminstalaes industriais.

Abstratct Thermal systems operate most of the time at off-design conditions. In

industrial refrigeration systems, the operation in partial loads occurs for manydifferent reasons and the power consumption is a function of the refrigerationcycle pressures.

This work proposes an energetic optimization of the compressionrefrigeration systems by the operation with a variable refrigeration cycle,specifically, by the operation with a variable suction temperature set-point.

For this purpose it is developed a mathematical model for dynamicsimulation of a industrial refrigeration compression system for food freezingwith ammonia refrigerant (R717) formed by an air blast belt freezer, liquidoverfeed evaporators, low pressure receiver, screw compressors and evaporativecondenser.

Two procedures for the suction temperature set-point variation are analyzedby simulation: the maximum suction temperature permitted and the compressorpower consumption minimization. Both methods are compared with the capacitycontrol system used in present industrial facilities.


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Captulo 1

Introduo

1.1 Consideraes Iniciais

A refrigerao definida como qualquer processo que vise transferircontinuamente a energia trmica de uma regio de baixa temperatura para uma de maior

temperatura.Na indstria de alimentos, os sistemas frigorficos visam fornecer as

temperaturas necessrias ao processamento e estocagem dos produtos.

Cerca de 25% da produo de alimentos perecveis no mundo refrigerada(GEORGE, 1993), existindo ainda uma vasta estrutura para produo, transporte eestocagem desses alimentos.

O congelamento dos alimentos considerado uma tcnica excelente para aconservao de suas qualidades. De maneira geral, o congelamento preserva o sabor, atextura e o valor nutricional dos alimentos melhor do que qualquer outro mtodo deconservao e, em funo disso, quantidades cada vez maiores de alimentos tm sidocongeladas no mundo (GEORGE, 1993).

Existem trs sistemas principais de refrigerao: os sistemas por absoro, ossistemas por efeitos termoeltricos e os sistemas por compresso a vapor. Os sistemaspor compresso a vapor so os mais amplamente utilizados. Em especial, nasinstalaes industriais para processamento e armazenagem de alimentos e em


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1.1 Consideraes Iniciais 2

equipamentos de pequeno porte tais como refrigeradores, freezers e condicionadoresde ar compactos.

Os componentes essenciais de um sistema frigorfico por compresso a vaporso: compressor, condensador, dispositivo de expanso, evaporador, sistema de controlee tubulaes. Os principais refrigerantes so os halogenados (CFCs) para instalaescomerciais e residenciais e a amnia (R-717) para instalaes industriais.

Na indstria de alimentos, de grande aplicao os sistemas frigorficos para ocongelamento de produtos, que podem ser classificados nos grupos: circulao foradade ar, placas, criognico, imerso e refrigerante lquido.

Dentre eles, destaca-se o congelamento por circulao forada de ar, ou tneisde congelamento como so normalmente chamados, principalmente pela flexibilidadeem atender grande variedade de formas, tamanhos, pesos, embalagens e tempos deresfriamento e congelamento e pela utilizao de mo-de-obra reduzida.

Devido crescente expanso do mercado de alimentos congelados prontos ousemi-prontos para o consumo e ao menor custo quando comparado aos demais sistemas,

a tendncia atual a utilizao de sistemas de refrigerao por compresso a vaporutilizando amnia.

Nas ltimas dcadas a limitao dos recursos energticos disponveis e ocontnuo aumento do custo da energia, bem como a crescente preocupao ambiental,tm levado a uma necessidade mundial de reduo da demanda de energia que se traduzna pesquisa de meios cada vez mais eficientes para o uso da mesma.

1.2 Objetivos

O consumo de energia de uma instalao frigorfica industrial tem grandevariao em funo da definio dos regimes de trabalho e da seleo dosequipamentos, sendo necessrio um projeto cuidadoso para cada instalao.

O estudo da operao das bombas de calor tem apontado uma significativa

economia no consumo de energia pela adoo de sistemas mais eficientes, sendo asimulao dos sistemas de refrigerao de grande importncia como fonte de recursos


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1.2 Objetivos 3

tanto para a adaptao ou otimizao de instalaes, como para a busca da melhoroperao em face de novos parmetros e custos.

Entretanto, a simulao pode ainda desempenhar papel importante nodesenvolvimento dos projetos de sistema de refrigerao. Isso porque, no projeto denovos sistemas comum o estudo e anlise de processos ou componentes isolados,estabelecendo-se parmetros de interconexo entre eles. STOECKER (1989) chama aateno para o fato de que solues superiores poderiam ser obtidas para os sistemas derefrigerao se esses parmetros no fossem fixados previamente, mas simdeterminados pela anlise do sistema completo.

A seleo dos parmetros (set-points) de operao do ciclo termodinmico(temperaturas e presses) funo das necessidades do processo. A seleo dacapacidade do ciclo funo da carga trmica, que varia basicamente de acordo com oprocesso e as condies ambientais. Porm, a seleo desses parmetros e capacidades limitada pela necessidade de se atender s condies extremas de operao.

A carga trmica do processo e as condies ambientais variam constantementenuma ampla faixa e em funo dos mais diversos fatores. Assim, temos que acapacidade frigorfica instalada supera a necessria nos perodos de menor produo oucom condies ambientais mais favorveis. Os sistemas frigorficos industriais atuaislidam com essa variao atravs do controle da capacidade (ou carga) dos compressorese manuteno dos set-points de operao.

Os compressores, entretanto, apresentam grande variao de eficincia emfuno da relao de compresso em que operam (relao entre a presso de descarga ea presso de suco).

Nesse sentido, este estudo prope a investigao da aplicabilidade e dodesempenho de um sistema de refrigerao industrial por compresso a vapor com set-point de temperatura de evaporao varivel visando a reduo do consumo de energiaeltrica da instalao.

Pretende-se atravs da simulao do sistema estudar o efeito da adoo do set-point varivel para presso de evaporao no rendimento e operao do ciclo. Para

tanto, ser desenvolvido um modelo matemtico, levando-se em conta as caractersticas


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1.2 Objetivos 4

de projeto e dimensionamento dos sistemas frigorficos por compresso a vapor, bemcomo seus dados de operao e desempenho.

Pretende-se ainda que a simulao do modelo desenvolvido auxilie no s naadaptao e otimizao de sistemas frigorficos por compresso a vapor, mas tambmno projeto desses sistemas atravs da anlise dos parmetros de interconexo entre seusdiversos componentes.

Ser considerado um sistema frigorfico industrial tpico na indstria dealimentos, com refrigerante amnia (R-717), compressores a vapor tipo parafuso,reservatrio de lquido a baixa presso, tnel de congelamento contnuo comevaporadores com circulao forada de lquido e condensadores evaporativosatmosfricos.

1.3 Reviso Bibliogrfica

Neste trabalho a pesquisa bibliogrfica concentrou-se em trs pontos principais:

o dimensionamento dos sistemas frigorficos industriais, seu modelamento dinmico e ocongelamento de alimentos.

O domnio do dimensionamento e do comportamento dos sistemas frigorficosindustriais fundamental para entender-se as possibilidades de melhoria de desempenhodo sistema seja durante o projeto, seja na otimizao ou adaptao das instalaesexistentes.

STOECKER (1994) apresenta de maneira muito clara os conceitos econfiguraes das instalaes frigorficas industriais e caractersticas de seudimensionamento (principalmente para resfriadores e condensadores). Apresenta aindaanlise do funcionamento das instalaes em funo de variaes nas condies deoperao.

CONAN (1990) e COSTA (1982) concentram-se no dimensionamento dasinstalaes e caractersticas construtivas dos equipamentos, apresentando muitas

caractersticas prticas de dimensionamento.


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1.3 Reviso Bibliogrfica 5

ASHRAE (AMERICAN SOCIETY OF HEATING REFRIGERATING ANDAIR CONDITIONING ENGINEERS, INC.) apresenta uma viso bastante abrangente

da refrigerao quanto aos conceitos (1989) , dimensionamento de instalaes e seleode equipamentos (1988) e aplicaes em diversas reas (1986).

O dimensionamento das instalaes industriais na grande maioria dos casosrealizado para condies de operao em regime e para condies de operaonominais. A aplicao da simulao nos sistemas trmicos interessante para a anlisedas condies de operao diferentes das de projeto como nas condies de cargaparcial ou sobrecarga, na resoluo de problemas operacionais e na anlise das

alternativas de melhorias possveis.MARSHALL; JAMES (1975) investigaram o controle de capacidade numa

instalao para congelamento de alimentos com compressores alternativos a vaporatravs da reduo ou aumento do nmero de cilindros, ou estgios, em operao noscompressores. Foi desenvolvido um modelo dinmico da instalao, onde o modelo docompressor foi obtido atravs do ajuste de uma funo a dados de operao. Os autoreschamam a ateno para o fato de que idealmente a capacidade do sistema frigorfico

deveria variar conforme a carga trmica do produto (que funo da vazo mssica,temperatura de entrada e de sada do produto) uma vez que a carga trmica de perdas praticamente constante.

Dadas as constantes de tempo do sistema e as caractersticas do controle decapacidade por estgios, este nem sempre consegue responder s variaes da cargatrmica. Os autores propuseram um controlador feedforward para o controle datemperatura de sada do produto baseado nas medies da vazo mssica e datemperatura de entrada em alternativa a um sistema em que a capacidade doscompressores controlada em funo da temperatura do refrigerante lquido. O sistemacom controlador feedforward foi capaz de responder a sub e sobrecargas trmicasdevidas variao na vazo mssica do produto, mantendo a temperatura desejada parao mesmo.

GREEN et al (1980) apud VARGAS; PARISE (1992) mostraram atravs desimulao que uma bomba de calor com compressor de rotao varivel, vlvula deexpanso eltrica e fluxo de ar varivel nos trocadores mais eficiente que o sistemaconvencional on-off e rotao constante.


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VARGAS; PARISE (1992) obtiveram para uma bomba de calor simulada comrotao varivel, uma reduo de 9% no consumo de energia quando comparado ao

sistema de controle convencional tipo on-off. O sistema estudado utiliza o refrigeranteR-12 e composto por sala de temperatura controlada, evaporador, condensador,compressor alternativo e vlvula de expanso. Foi desenvolvido um modelo dinmicoda instalao, onde o modelo do compressor foi obtido atravs da teoria do processo decompresso, sendo alguns parmetros definidos a partir de dados experimentais. Aspropriedades termodinmicas do refrigerante so expressas atravs de equaesajustadas. O sistema foi simulado para uma carga trmica e condies ambientais

constantes, sendo que nesse caso o controle proposto elimina a oscilao de temperaturacaracterstica do controlador on-off.

Da mesma forma, SILVEIRA JNIOR et al. (1995) compararam umcontrolador fuzzy a um controlador on-off para um sistema de resfriamento delquido (chiller) a fim de obter melhor coeficiente de eficincia (COP) do modelodinmico. O sistema apresentado utiliza o refrigerante R-12 e composto porcompressor alternativo, condensador, subresfriador, evaporador, vlvula de expanso e

tanque de lquido. As propriedades termodinmicas do refrigerante so expressasatravs de equaes ajustadas. O sistema foi simulado para perturbaes degrau esenoidal na carga trmica e na temperatura ambiente independentemente. Apossibilidade de modulao das variveis de controle favorece o controlador fuzzy queobteve um coeficiente de performance 100% superior ao sistema com controlador on-off.

Alm das aplicaes na anlise das condies de operao diferentes das de

projeto, a simulao dos sistemas trmicos auxilia tambm no projeto e determinaodos parmetros de interconexo dos diversos componentes do sistema.

PEDERSEN (1994) apresentou diversas propostas para o desenvolvimento deequaes que representem os sistemas frigorficos e o desempenho dos equipamentosatravs do modelamento baseado nas propriedades fsicas dos equipamentos e daaproximao de funes para os dados de operao.

FIORELLI (1995) analisou o efeito dos parmetros de projeto e operao dociclo frigorfico em regime permanente para sistemas com tubo capilar e expanso aseco.


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STOECKER (1989) apresentou diversos itens necessrios para a otimizao desistemas trmicos, abrangendo o desenvolvimento de modelos matemticos dos

equipamentos e instalaes (baseados nas propriedades fsicas e na aproximao defunes para os dados de operao), modelamento das propriedades termodinmicas,tcnicas de controle e otimizao visando no s a operao mas tambm a seleo deequipamentos para a obteno de sistemas de menor custo de implantao e operao.STOECKER sugere que a simulao dinmica de apenas uma ou algumas dascaractersticas j pode ser interessante para muitos problemas.

Com relao ao congelamento de alimentos, nos detivemos na determinao da

carga trmica e nas caractersticas de processamento, partindo do princpio de que ascondies de processamento so definidas pela Engenharia de Alimentos.

NEVES FILHO (1991) apresenta as caractersticas dos alimentos a baixastemperaturas e suas propriedades termodinmicas. discutida ainda a determinao dacarga trmica e as caractersticas dos diversos sistemas de congelamento.

GEORGE (1993) ressalta a crescente importncia dos alimentos refrigerados nomundo e cita como tendncias futuras o desenvolvimento de aditivos e a reformulaodos alimentos para controlar os processo de congelamento e o aprimoramento dosprocessos e equipamentos atuais atravs de grupos de projeto interdisciplinares.

A grande maioria dos trabalhos sobre simulao de sistemas de refrigerao tratade sistemas por compresso a vapor compostos de compressores alternativos,condensador, vlvula de expanso e evaporadores que operam com expanso seca. Issose deve provavelmente larga aplicao desses dispositivos na refrigerao comercial eresidencial. Os sistemas de refrigerao industriais apresentam configuraes diferentesdessas, incluindo compresso em duplo estgio, reservatrios a baixa presso eevaporadores com circulao de lquido.

Para os sistemas com expanso seca a introduo de sistemas de controle comvlvulas controladas e conversores de frequncia parece ser a soluo predominante afim de se obter a melhoria de eficincia desejada.

Nas instalaes industrias, entretanto, isso nem sempre possvel ou desejvel,

dadas as diferenas entre as configuraes dos sistemas. A potencialidade de reduo doconsumo de energia, no entanto, existe da mesma maneira.


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Nesse sentido, a variao dos set-points de operao das instalaes industriaiscomo resposta s variaes da carga trmica pode oferecer vantagens devidas

operao em condies mais favorveis.Paralelamente, tm sido feitos esforos crescentes no sentido de melhorar a

eficincia dos equipamentos do ciclo frigorfico como trocadores de calor, compressorese vlvulas de expanso, o que contribui para uma maior flexibilidade de operao dasinstalaes industriais.


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Captulo 2

Ciclo de Refrigerao por

Compresso a Vapor

2.1 Introduo

O ciclo de refrigerao visa transferir continuamente a energia trmica de uma

regio de baixa temperatura para uma de maior temperatura, custa de fornecimento detrabalho.

No ciclo de compresso a vapor, o trabalho fornecido ao compressor utilizadopara elevar a presso e a temperatura do vapor de fludo refrigerante que chega aocompressor. Esse vapor a alta presso e temperatura vai para o condensador onde rejeitacalor para o meio, condensando o fludo refrigerante. O lquido condensado segue emdireo a um dispositivo de expanso onde o fludo passa do estado lquido a altapresso para uma mistura lquido-vapor a baixa presso e temperatura. O fludorefrigerante ento retira calor do ambiente ou sistema a ser refrigerado, utilizando essecalor para se vaporizar, seguindo em direo ao compressor, onde completa o ciclo.

Um sistema frigorfico visa fornecer as temperaturas necessrias aoprocessamento e estocagem dos produtos. A determinao das temperaturas e pressesideais de operao do ciclo feita pelo conhecimento das caractersticas do produto e doprocesso e tambm do ciclo frigorfico e seus componentes. Essa escolha fortementeinfluenciada pelos custos de implantao e operao.


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2.2 Ciclo de Compresso a Vapor 10

2.2 Ciclo de Compresso a Vapor

O parmetro de eficincia utilizado para os sistemas de refrigerao oCoeficiente de Eficincia (COP - 'Coefficient of Performance'), que definido como:

lquidotrabalho

atemperatur baixaaambientedoremovidocalor COP = (2.1)

A figura 2.1 mostra esquematicamente o diagrama p-h (presso x entalpia) parao Ciclo de Carnot. Neste caso, o coeficiente de eficincia pode ser escrito como:

( )( ) ( ) 12

1

321322

321

T T T

ssT ssT ssT

COP Carnot =

= (2.2)

onde os ndices referem-se aos estados da figura 2.1,T - temperatura (K) es - entropia(kJ/kgK)

Figura 2.1Diagrama p-h do Ciclo Frigorfico de Carnot (STOECKER; JABARDO, 1994).

Por ser formado somente por processos reversveis, o ciclo de Carnot o que

apresenta mximo coeficiente de eficincia.


24/136


A obteno de um COP elevado est relacionada reduo do trabalhonecessrio para um dado efeito de refrigerao. A reduo da temperatura de

condensao ou a elevao da temperatura de evaporao implicam num aumento doCOP.

Pode-se dizer ainda que o COP do ciclo est relacionado s diferenas detemperatura entre o ambiente refrigerado e o evaporado e entre o condensador e aatmosfera.

Para um ciclo de compresso a vapor bsico, temos (ASHRAE, 1986):

12

41

hhhh

COP

= (2.3)

onde os ndices referem-se aos estados da figura 2.2,h - entalpia (kJ/kg).

Existem fatores de ordem tcnica e econmica que impedem a reproduoprtica do ciclo ideal de refrigerao. Podemos citar a inviabilidade da utilizao deturbinas para expanso do fludo refrigerante e o fato de que a compresso da misturalquido-vapor pode causar danos aos compressores.

Figura 2.2Circuito frigorfico e diagrama p-h do Ciclo Padro de Compresso a Vapor.


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A modificao do ciclo de Carnot, considerando-se a compresso seca e aeliminao do motor trmico com a utilizao de uma vlvula de expanso, produz o

chamadoCiclo Padro de Compresso a Vapor, conforme figura 2.2.O ciclo padro consiste nos seguintes processos:

1 - 2 compresso isoentrpica at a presso de condensao;

2 - 3 resfriamento e condensao do vapor at lquido saturado apresso constante;

3 - 4 expanso isoentlpica at a presso de evaporao;

4 - 5 evaporao a presso constante at o estado de vapor saturado.

Por questes como perda de presso na linha, operao do compressor livre delquido, tipo de operao dos evaporadores e outras, comum nas instalaes que orefrigerante no incio da compresso esteja no estado superaquecido (estado 1 figura2.3).

Por outro lado, comum tambm a operao com o refrigerante no estado delquido subresfriado na sada dos condensadores, o que fornece um aumento do efeitofrigorfico (estado 3 da figura 2.3).

Figura 2.3Diagrama p-h do Ciclo Padro de Compresso a Vapor com estados alterados.


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2.3 Duplo Estgio de Compresso 13

2.3 Duplo Estgio de Compresso

A compresso em mltiplos estgios utilizada a fim de minimizar osproblemas decorrentes da elevada diferena entre as temperaturas de evaporao econdensao normalmente encontrada na refrigerao e reduzir a potncia decompresso necessria.

No ciclo padro de compresso (figura 2.3), temos ao final da expanso apresena simultnea de lquido e vapor.

Figura 2.4Processo no dispositivo de expanso (STOECKER; JABARDO, 1994).

Se imaginarmos que o processo de expanso seja interrompido a uma pressointermediria no estado 3 (figura 2.4), correspondente a uma mistura em equilbrio devapor saturado (estado 6) e lquido saturado (estado 4), o processo de expanso de 3 at2 pode ser considerado uma combinao dos processos 4 - 5 e 6 - 7 (STOECKER;JABARDO, 1994).

O vapor gerado em 7 no tem efeito frigorfico e ainda necessrio comprimi-loat a presso de condensao. A fim de reduzir o trabalho de compresso, pode ser feitaa eliminao desse vapor no chamado 'tanque de flash' (figura 2.5).

No tanque de 'flash' o lquido proveniente do condensador expandido at umapresso intermediria. O vapor gerado nesse processo comprimido at a presso de

condensao. O lquido, por sua vez, dirigido para um dispositivo de expanso ondesua presso ser reduzida at aquela de evaporao.


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Figura 2.5 (a)Ciclo frigorfico com remoo de gs flash. (b) Diagrama p-h do sistema.

Outro processo geralmente utilizado o resfriamento do refrigerante at umapresso intermediria a fim de reduzir o superaquecimento do mesmo na sada doestgio de baixa presso. Isso normalmente feito borbulhando-se o vapor de descarga

do compressor do estgio de baixa presso no lquido saturado presso intermediria(figura 2.6).

O resfriamento intermedirio no implica necessariamente numa reduo dapotncia de compresso, podendo at aument-la. Entretanto, permite temperaturas dorefrigerante muito menores na descarga do compressor. A operao em elevadastemperaturas de descarga com compressores do tipo alternativo pode comprometer alubrificao do compressor e a vida til das vlvulas de descarga. J os compressores do

tipo parafuso no apresentam esse problema.

(a)

(b)


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Existem diversos mtodos desenvolvidos para selecionar os parmetros timosdo ciclo de refrigerao, considerando sistemas de simples e duplo estgio, resfriamento

intermedirio e subresfriamento do lquido antes da vlvula de expanso (ASHRAE,1989).

Figura 2.6(a) Sistema de duplo estgio de compresso com resfriador intermedirio e tanquede gs 'flash' num nico reservatrio. (b) Diagrama p-h do sistema.

2.4 Configurao do Sistema em Estudo

Os componentes essenciais de um sistema frigorfico por compresso a vaporso seis: compressor, condensador, dispositivo de expanso, evaporador, sistema decontrole e tubulaes.

(a)

(b)


29/136

2.4 Configurao do Sistema em Estudo 16

O sistema frigorfico a ser estudado visa atender s necessidades decongelamento de um produto, ou famlia de produtos, atravs de um tnel de

congelamento contnuo.Ele formado basicamente (figura 2.7) de um tnel de congelamento contnuo

com evaporadores com recirculao de lquido, reservatrio de baixa presso comsistema de bombeamento de refrigerante e vlvula de expanso, reservatrio de altapresso, condensador evaporativo e dois compressores parafuso.

O funcionamento, capacidade e caractersticas especficas de cada equipamentosero discutidas ao longo do captulo 3.

O tnel de congelamento contnuo do tipo espiral com esteira mvel, muitoutilizado na indstria para o congelamento de alimentos, sendo comum a existncia devrios equipamentos desse tipo numa mesma fbrica (figura 2.8). O fluxo de ar nosentido longitudinal. As caractersticas do tnel sero apresentadas na seo 3.2.

importante ressaltar que, no s no caso do tnel de congelamento, mastambm para todos os componentes do sistema, o comportamento fsico e as

caractersticas de operao, no que se refere aos aspectos que aqui sero analisados, sosemelhantes e podem ser transportados para outros sistemas frigorficos por compressoa vapor para resfriamento ou congelamento de alimentos.

A figura 2.9 mostra o diagrama p-h do ciclo. O diagrama p-h amplamenteutilizado pois permite uma estimativa adequada das presses e temperaturas do ciclo,bem como uma avaliao da vazo de refrigerante e da vazo volumtrica deslocadapelo compressor.

Conforme a figura 2.9, o ciclo proposto apresenta temperatura de evaporao de40C, temperatura de condensao de +35C, temperatura intermediria de 24,4C,superaquecimento de 5C e sub-resfriamento de 5C.

Os compressores so do fabricante MYCOM CO. LTD, modelo 200LHoperando com resfriamento intermedirio, superaquecimento de 5C, subresfriamentode 5C e temperatura do leo de 50C. Nessas condies, o compressor tem capacidadede refrigerao de 227,3 Mcal/h (264,3 kW) para operao com temperatura de

evaporao de 40C e temperatura de condensao de +35C. O acionamento feitopor um motor trifsico assncrono tipo gaiola de 300 CV, 380 Vca e 3.550 rpm.


30/136


Figura 2.7Fluxograma simplificado do sistema frigorfico por compresso a vapor.

GUA

TUNEL DE CONGELAMENTO

TCH-01

BA-01B

SL-01

BA-01A

CE-01

CP-01 CP-02 RL-01

GUA

FS

AL-01


31/136


Figura 2.8Tnel de congelamento contnuo espiral (RECRUSUL SA / YORKINTERNATIONAL).


32/136


Figura 2.9Diagrama p-h do ciclo (MYCOM MAYEKAWA DO BRASIL LTDA.).


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O condensador do tipo evaporativo, com capacidade para o regime de 1.036Mcal/h, temperatura de condensao de +35C (temperatura de bulbo mido

considerada +26C).O reservatrio de lquido a baixa presso do tipo cilndrico vertical com

volume total de 3,5 m3 , volume de lquido em operao normal de 1,5 m3. O conjuntoinclui bombas de amnia com vazo de 2,0 m3 /h, bias de controle de nvel. vlvula deexpanso manual e vlvula de bloqueio automtica.


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Captulo 3

Componentes do

Sistema de Refrigerao

3.1 Introduo

O consumo de energia de uma instalao frigorfica industrial, tem grande

variao em funo da definio dos regimes de trabalho e da seleo dosequipamentos, sendo necessrio um projeto criterioso para cada instalao.

Dessa forma, a fim de investigar a otimizao dos sistemas frigorficos porcompresso a vapor fundamental o conhecimento das caractersticas de projeto,dimensionamento, operao e desempenho dos equipamentos.

Um modelo uma abstrao matemtica de um processo real (SEBORG et al.,1989 apud GARCIA, 1997), sendo que um processo pode ser caracterizado por umavariedade de modelos e graus de complexidade em funo de sua aplicao.

Os modelos podem ser classificados de acordo com os tipos de equaes usadasem sua formulao (GARCIA, 1997), podendo ser a parmetros concentrados oudistribudos, lineares ou no lineares, contnuos ou discretos, estticos ou dinmicos.

Os modelos matemticos podem ser obtidos atravs da modelagem fenomenolgica do processo ou pelaidentificao do sistema ou ambas (GARCIA,

1997).


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3.1 Introduo 22

A modelagem fenomenolgica emprega as relaes do sistema quecorrespondem s leis da Fsica e as relaes constitutivas baseadas em trabalhos

experimentais anteriores. No envolve necessariamente a experimentao do sistemasendo modelado.

A identificao de sistemas baseada na experimentao, onde sinais de entradae sada do sistema so registrados e analisados a fim de inferir um modelo matemtico.

O desenvolvimento de equaes que representem o desempenho dosequipamentos pode ser feito de duas maneiras: atravs do modelamento baseado daspropriedades fsicas dos equipamentos e/ou atravs da aproximao de funes para osdados de operao.

Em funo da complexidade de algumas mquinas, como neste caso ocompressor, muitas vezes prefervel a utilizao de dados experimentais ou decatlogo e a sntese de equaes para representar seu desempenho.

3.2 Compressores ParafusoO compressor o componente mecanicamente mais complexo de um sistema de

refrigerao por compresso a vapor. Ele tem a funo de fornecer um diferencial depresso de forma que o fludo refrigerante possa evaporar a uma temperatura inferior temperatura de condensao e assim retirar calor de uma fonte fria e rejeitar esse calorpara uma fonte quente (FIORELLI, 1995).

Na maioria das instalaes frigorficas, o compressor o componente que maisconsome energia, influindo significativamente no custo operacional da instalao(STOECKER; JABARDO, 1994). Assim, fundamental o conhecimento docomportamento dos compressores em funo das diversas variveis do ciclo frigorfico.

Os compressores parafuso pertencem classe dos compressores dedeslocamento positivo. Iremos considerar o compressor parafuso duplo que o maisutilizado em refrigerao industrial, passando a design-lo simplesmente por

compressor parafuso.


36/136

3.2 Compressores Parafuso 23

Os compressores parafuso possuem dois rotores principais, um macho e umfmea, que transportam e comprimem o gs refrigerante de forma contnua de um

extremo ao outro de seus eixos, sendo as aberturas de entrada e sada opostas emdiagonal (figura 3.1).

Ocorrem trs fases bsicas de compresso (figura 3.2): asuco, a compresso e a descarga. Na suco o gs preenche continuamente a regio entre os lbulos dosrotores macho e fmea at o instante em que os lbulos ultrapassam a regio de entrada.Na compresso o volume entre os lbulos reduzido e o gs comprimidoprogressivamente. Finalmente, o porto de descarga descoberto e o gs comprimido

descarregado.

Figura 3.1Detalhe de um compressor parafuso.

A lubrificao dos compressores parafuso permite a operao com temperaturade descarga dos gases a nveis muito baixos. Alm disso, a melhor estanqueidadeinterna propicia relaes de compresso elevadas (at 20 kgf/cm2).

A relao entre volumes (Vi) definida como a relao entre o volume nacavidade quando a abertura de entrada se fecha e o volume na cavidade quando aabertura de descarga descoberta.


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Figura 3.2Estgios de Compresso: (a) O gs penetra no espao entre os lbulos; (b) O gsultrapassa a regio de entrada e comea a ser comprimido; (c) O volume reduzido de acordo

com a relao de compresso interna; (d) Descarga do gs (CONAN, 1990).

A presso de suco e a relao entre volume determinam a presso internaalcanada antes da abertura da descarga. Qualquer diferena entre as presses dedescarga interna e externa resulta em perdas de sub ou sobre-compresso e, portanto,

em menor eficincia.Assim a eficincia de compresso de um compressor com rotao constante

depende da relao entre volumes de aspirao e descarga do compressor e da relaoentre presses de operao. O conhecimento desse efeito fundamental para a seleodo compressor e de seu motor de acionamento.

Alguns modelos de compressores parafuso ajustam a relao de volume (Vi) docompressor durante a operao a fim de manter a melhor relao entre volumes (Vivarivel).

A figura 3.3 mostra curvas de eficincia para compressores parafuso comrelao entre volumes fixa e varivel.


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Figura 3.3Curvas de Eficincia de um compressor parafuso (ASHRAE, 1988).

3.2.1 Capacidade de Refrigerao e Potncia de Compresso

A capacidade de refrigerao e a potncia de compresso so os parmetros

operacionais mais importantes do compressor.

A capacidade de refrigerao igual ao produto da vazo de refrigerante peloefeito frigorfico. O efeito frigorfico corresponde ao aumento de entalpia dorefrigerante atravs do evaporador, admitindo-se vapor saturado na sada do mesmo.

A potncia de compresso igual ao produto da vazo pelo trabalho decompresso.

A temperatura de evaporao tem grande efeito sobre a vazo de refrigerante e,consequentemente, sobre a capacidade de refrigerao. Por outro lado, nas temperaturasde trabalho dos sistemas frigorficos o trabalho de compresso diminuiprogressivamente medida que a temperatura de evaporao se eleva.

A figura 3.4 mostra o efeito da temperatura de evaporao sobre a capacidade derefrigerao e potncia de compresso de um compressor de amnia tipo parafuso. Ocoeficiente de eficincia do compressor, dado pela relao entre a capacidade frigorfica

(Mcal/h) e a potncia demandada no eixo (kW), varia em funo da variao da


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temperatura de evaporao. Para um aumento de um grau na temperatura de evaporaotemos um aumento de eficincia de cerca de 4%.

Figura 3.4Potncia demandada no eixo do compressor, capacidade frigorfica e coeficiente deeficincia em funo da temperatura de evaporao (compressor MYCOM parafuso 200SH,

refrigerante amnia, sistema economizer, temperatura de condensao 35C, capacidade 100%).

O aumento da temperatura de condensao, por sua vez provoca a diminuio davazo e do efeito frigorfico e, portanto, da capacidade de refrigerao. Da mesmaforma, nas temperaturas de trabalho dos sistemas frigorficos a potncia de compressoaumenta progressivamente com o aumento da temperatura de condensao (figura 3.5).

Potncia e Capacidade Frigorfica x Temperatura de Evaporao

100

120

140

160

180

200

220

-40 -39 -38 -37 -36 -35 -34 -33 -32 -31 -30

TE (C)

Potncia (kW)

Cap.Frig. (Mcal/h)

Capac.Frig. / Potncia x Temperatura de Evaporao

1,00

1,10

1,20

1,30

1,40

1,50

1,60

1,70

-40 -39 -38 -37 -36 -35 -34 -33 -32 -31 -30

TE (C)

(Mcal/kWh)


40/136


Apesar de no enfocarmos os compressores do tipo alternativo neste trabalho,vale destacar que, apesar de alguns princpios envolvidos serem diferentes, as

tendncias acima apresentadas so as mesmas para o compressor alternativo.

Figura 3.5Potncia demandada no eixo do compressor, capacidade frigorfica e coeficiente deperformance em funo da temperatura de condensao (compressor MYCOM parafuso 200SH,refrigerante amnia, sistema economizer, temperatura de evaporao -35C, capacidade 100%).

3.2.2 Controle de Capacidade

A manuteno da presso de suco de operao (ou temperatura de suco)conforme estabelecido no projeto do ciclo frigorfico frente s cargas parciais dosistema feita usualmente pelo controle de capacidade do compressor.

Potncia e Capacidade Frigorfica x Temperatura de Condensao

100

110

120

130

140

150

160

170

180

30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

TC (C)

Potncia (kW)Cap.Frig. (Mcal/h)

Cap.Frig. / BHP xTemperatura de Condensao

1,00

1,10

1,20

1,30

1,40

1,50

1,60

30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

TC (C)

(Mcal/kWh)


41/136


O controle de capacidade pode ser feito pela variao de velocidade docompressor ou atravs de uma vlvula de deslizamento.

O esquema de controle de capacidade utilizado na grande maioria doscompressores parafuso o de vlvula de deslizamento ('slide valve') que controla aentrada de gs no compressor retardando o incio da compresso (figura 3.6).

A vlvula de deslizamento move-se paralelamente aos rotores e tem o efeito deprolongar ou encurtar a regio de compresso dos rotores.

Figura 3.6Operao da vlvula de deslizamento (MYCOM CO. LTD., 1978).


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A vlvula de deslizamento provoca a variao do volume de entrada e, emalguns modelos, tambm do volume de descarga dos gases. Entretanto, a relao entre

volumes sofre alguma variao. Como resultado, ocorre a reduo da eficincia docompressor.

As figuras 3.7 e 3.8 mostram a potncia de compresso para condies de cargaparcial em compressores tipo parafuso. Eficincias relativamente baixas so constatadaspara cargas inferiores a 50% da mxima. Na prtica, utiliza-se o limite de capacidade de60% a partir do qual a reduo da capacidade deixa de ser interessante devido pequenareduo na potncia demandada.

O controle da capacidade normalmente feito em funo de um 'set-point' depresso de aspirao.

Figura 3.7Potncia de compresso para condies de carga parcial de um compressor parafuso(SABROE REFRIGERATION SA, 1989).


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Figura 3.8Potncia demandada no eixo do compressor em funo da capacidade (compressorMYCOM parafuso 160LM, refrigerante amnia, temperatura de condensao 35C, temperatura

de evaporao -25C).

Em instalaes com diversos compressores operando num mesmo regime recomendvel sempre o chamado controle de capacidade em grupo'. A idia controlar

a capacidade de refrigerao do conjunto de compressores a fim de operar nas faixas demaior eficincia dos mesmos, minimizando o consumo de energia eltrica em regimesde carga parcial.

Os controladores, a partir das caractersticas de capacidade de refrigerao decada compressor, determinam as sequncias de partida, parada e variao de capacidadepara cada compressor de forma a obter o melhor rendimento do conjunto.

O fabricante SABROE REFRIGERATION SA (1994), por exemplo, prope umsistema em que os compressores operem com a mesma capacidade at o instante em quese torna possvel a partida ou parada de uma das mquinas.

O controle de capacidade em grupo especialmente interessante quando possvel o desligamento de um ou mais compressores, o que favorecido se existemcompressores de capacidades variadas na instalao.

A definio do ciclo frigorfico e a seleo do sistema frigorfico, como j foi

salientado, demanda o estudo do processo, do produto e dos equipamentos que

0

20

40

60

80

100

120

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

8 0

9 0

1 0 0

Capacidade (%)

B H P ( k W )


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compem a instalao, devendo cada alternativa ser analisada em funo dos custos deinstalao e operao.

A seleo de equipamentos influenciada tambm por outros fatores, comopadres previamente estabelecidos ou j existentes nas instalaes e caractersticas deoperao desejadas (como dispor de compressores reserva ou de compressores capazesde trabalhar em diferentes regimes durante manutenes ou mesmo falhas do sistema).

Podemos citar ainda o fato de que normalmente uma fbrica projetada parareceber linhas de produo conforme um cronograma que se estende por muitos anos.Assim, quando da instalao efetiva dos equipamentos, pode ocorrer a instalao demodelos diferentes e de capacidades diferentes entre si.

3.2.3 Aspirao a uma Presso Intermediria

Os compressores parafuso podem ser projetados para operar em duplo estgio.Isso obtido atravs da instalao de uma seo de admisso aps a regio de suconormal onde o gs j tenha sido parcialmente comprimido. Essa seo chamada deporto de presso intermediria.

O porto de presso intermediria recebe gs a presso ligeiramente superiorquela referente a sua posio por meio de um resfriador intermedirio (chamadoeconomizer) . A presso intermediria definida atravs da posio e tamanho doporto de presso intermediria.

Devido baixa temperatura gerada por esse sistema, a capacidade derefrigerao aumenta. A potncia consumida aumenta em razo menor do que a

capacidade de refrigerao e, portanto, o coeficiente de eficincia (COP) aumenta.A figura 3.9 mostra esquematicamente a comparao entre os diagramas p-h de

um sistema de simples estgio e o sistema com presso intermediria.

Esse tipo de compressor propicia numa s mquina as vantagens de instalaocom duplo estgio.

Uma vez que a posio de abertura para o gs a presso intermediria fixa, a

reduo da capacidade do compressor pela movimentao da vlvula deslizanteprovocar a aproximao das presses de suco e intermediria. Entretanto, mesmonesses casos, o coeficiente de eficincia (COP) do sistema com presso intermediria


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permanece superior ao do sistema de simples estgio (SABROE REFRIGERANTIONSA, 1989).

Figura 3.9Diagrama p-h comparativo entre sistema de simples estgio e com pressointermediria (economizer) (SABROE REFRIGERATION SA, 1989).

3.2.4 Modelo para o Compressor Parafuso

Para os compressores hermticos alternativos utilizados na refrigerao

comercial e residencial, so utilizados dois mtodos de modelagem: o ajuste de curvasde desempenho a partir de dados de ensaios e catlogos e a teoria do processo decompresso, utilizando quando necessrio alguns parmetros experimentais.

Em funo da complexidade dos compressores parafuso, utilizaremos dadosexperimentais de catlogo para a sntese de equaes que representem seu desempenho.

A tarefa de encontrar equaes adequadas para representar o desempenho decomponentes ou propriedades termodinmicas um passo preliminar comum para asimulao e otimizao de sistemas complexos. Os dados normalmente estodisponveis na forma de tabelas ou grficos e deve-se procurar por equaes que sejamsimples e confiveis (STOECKER, 1989).

Dada a importncia da capacidade de refrigerao e da potncia de compresso,os fabricantes de compressores fornecem esses dados para cada temperatura deevaporao, temperatura de condensao e capacidade parcial. Esto ainda disponveis

dados de potncia no eixo, vazo de refrigerante e outros (SABROEREFRIGERATION SA, 1989; MYCOM CO. LTD., 1978).


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Atravs do programa de dimensionamento do fabricante MYCOM CO. LTD.(MYCOM CO. LTD., 1994) levantamos as caractersticas de operao de catlogo de

compressores parafuso em diversos regimes de operao em funo da temperatura deevaporao, temperatura de condensao e capacidade.

A varivel de desempenho de um equipamento normalmente dada como umafuno de duas outras variveis dependentes. PEDERSEN (1994) e STOECKER (1989)apresentaram diversas equaes (no lineares) para o desempenho de compressores eevaporadores em funo das temperaturas de evaporao e condensao.

Iremos determinar a potncia no eixo do motor em funo da temperatura deevaporao e da vazo de refrigerante. Essa equao ser utilizada posteriormente nocontrole do regime de operao dos compressores.

Uma metodologia proposta por STOECKER (1989) escrever uma expressopolinomial para a varivel de interesse em funo das outras duas variveis.

Foram levantados os dados de potncia para variaes de temperatura de 1C nafaixa de -40C a -30C e variaes de capacidade (em porcentagem) de 10% na faixa de

50% a 100%.Para cada temperatura de evaporao foram ajustados os coeficientes de uma

funo polinomial de terceira ordem atravs da funo POLYFIT do programaMATLAB (THE MATHWORKS, INC.), onde a potncia dada em funo da vazo derefrigerante:

31

2111

1

md mcmba BHPTe &&& +++=

32

22222 md mcmba BHPTe

&&& +++= (3.1)

etc.

onde BHP - potncia no eixo (kW),m& - vazo de refrigerante (kg/h).

A funo POLYFIT calcula os coeficientes de um polinmio p(x) de ordemn que ajusta os dados p(x(i)) para y (i) utilizando o mtodo dos mnimos quadrados.


47/136


Cada coeficiente, ento, foi expresso como uma funo de terceira ordem emtermos da temperatura de evaporao. Essa funo teve seus coeficientes ajustados da

mesma forma:

33

2210 Te ATe ATe A Aa +++=

33

2210 Te BTe BTe B Bb +++=

33

2210 TeC TeC TeC C c +++=

332210 Te DTe DTe D Dd +++= (3.2)

ondeTe - temperatura de evaporao (C).

Dessa forma obtem-se os coeficientes da equao:

( ) ( )( ) ( ) 33322102332210

33

2210

33

2210

mTe DTeC TeC C mTeC TeC TeC C

mTe BTe BTe B BTe ATe ATe A A BHP

&&

&

+++++++

++++++++= (3.3)

A rotina em MATLAB que implementa esse procedimento encontra-se noapndice A.

O erro mximo absoluto observado foi de 1,03 ou 0,73%.A figura 3.10 mostra o grfico da funo obtida.


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Figura 3.10Potncia no eixo (kW) em funo da vazo (kg/h) e da temperatura de evaporao(C) para o compressor MYCOM modelo 200LH.

3.3 Tnel de Congelamento

Pesquisadores da rea de alimentos e refrigerao desenvolveram parmetrosespecficos para o congelamento de um largo espectro de alimentos, incluindo o projetodos sistemas de congelamento necessrio para vrios grupos de alimentos. Entretanto,no existe projeto de congelador capaz de atender a todas as necessidades.

Os congeladores mais utilizados para alimentos industrializados embalados soos de circulao forada de ar. Eles baseiam-se na transferncia de calor por convecoe apresentam altas velocidades de circulao de ar (3 a 8m/s) e baixas temperaturas (-30a -45C).

Estaremos considerando um tnel de congelamento contnuo com esteira mveltipo espiral, onde os produtos so distribudos sobre uma esteira horizontal que sedesloca em vrios nveis no interior do tnel (figura 3.11).


49/136

3.3 Tnel de Congelamento 36

Os tneis de congelamento contnuo tipo espiral so os mais versteis: soadequados para alimentos embalados ou no, os produtos podem ser colocados na

esteira do lado de fora do tnel onde podem ser monitorados, no h transferncias entreesteiras internas, a movimentao do produto em relao esteira insignificante epode ser feita a alimentao de mais de um produto ao mesmo tempo.

A velocidade de deslocamento da esteira pode ser alterada dentro de certoslimites a fim de se ajustar o tempo de permanncia (tempo de reteno) desejado para oproduto.

Figura 3.11Esquema de um tnel de congelamento com esteira mvel tipo espiral (ASHRAE,1988).

O fluxo de ar pode ser no sentido transversal ou longitudinal conforme adisposio dos evaporadores e ventiladores.

comum que numa mesma linha de produo seja fabricada uma famlia ougrupo de produtos semelhantes entre si que, no entanto, do ponto de vista da

refrigerao, apresentam diferenas significativas.


50/136


Essas diferenas se devem a fatores relacionados no s aos produtos, mastambm ao dimensionamento da linha de produo.

Com relao aos produtos, podem existir variaes de formulao envolvendopropriedades e dimenses dos ingredientes, o que ir afetar a caracterstica, tempo ecarga trmica do congelamento.

O mesmo ocorre para as variaes no tipo, tamanho e formato das embalagens.Vale destacar que a maior ou menor presena de ar no interior das embalagens leva acondies de congelamento muito diferentes.

Com relao linha de produo, devido particularidade de cada produto,podem existir variaes na capacidade de produo (kg/h) dos equipamentos da linhadesde a preparao at a embalagem final. Algumas dessas variaes podem serabsorvidas com alteraes na operao dos equipamentos e aumento ou reduo damo-de-obra. Entretanto, comum a variao das capacidades de produo por produto.

Dessa forma o dimensionamento do tnel de congelamento e do sistema derefrigerao como um todo deve obedecer s mximas condies de operao previstas.

3.3.1 Dimensionamento do Tnel

A carga trmica total a ser retirada composta basicamente pela carga trmicado produto em si; a conduo por paredes, piso e teto, a infiltrao de ar e o calorfornecido por pessoas, motores, iluminao, etc.

Para o dimensionamento do tnel de congelamento para alimentosindustrializados embalados leva-se em considerao os seguintes fatores principais:

1) Produto, ou produtos, a serem congelados;

2) Temperatura inicial e final do produto;

3) Temperatura de congelamento;

4) Tempo de Congelamento;

5) Capacidade de Produo (kg/h);

6) Carga Trmica do Produto;7) Carga Trmica de Perdas.


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A definio das caractersticas trmicas do produto feita atravs demetodologias especficas e/ou testes de resfriamento e congelamento.

A partir dos dados de resfriamento e congelamento do produto determina-se atemperatura do ar e o tempo de congelamento desejados. Determinado o tempo decongelamento, possvel definir as dimenses do congelador.

Neste estudo vamos considerar o produtoA sendo congelado conforme ascaractersticas de tempo e temperatura estabelecidas, para o qual foi projetado um tnelde congelamento contnuo do fabricante RECRUSUL SA com as seguintescaractersticas:

Produo................................................................... 4.500kg/h

peso da embalagem.................................................. 9 kg

dimenses da embalagem (C x L x A)..................... 400 x 200 x 50 mm

temperatura de entrada do produto........................... 0C

temperatura de sada do produto.............................. -18C

tempo de reteno..................................................... 4 horasdimenses do tnel (C x L x A)............................... 18,9 x 9,6 x 6,7 m

carga trmica............................................................ 438.823 kcal/h

vazo total de ar........................................................ 356.280 m3 /h

superfcie de troca trmica........................................5.785 m2

temperatura de evaporao....................................... -40C

temperatura do ar...................................................... -30C

superfcie de troca trmica........................................5.785 m2

coeficiente global de transferncia de calor............. 10,1 W/m2 C

quantidade de ventiladores....................................... 6

acionamento.............................................................. 20 CV

Os dados do produto A so:


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calor sensvel antes do congelamento...................... 0,85 Kcal/kg C

calor sensvel aps o congelamento......................... 0,45 kcal/kg C

calor latente.............................................................. 60,0 kcal/kg C

temperatura de incio de congelamento.................... -3C

A carga trmica total de refrigerao do tnel a soma das cargas trmicas detransmisso (ou conduo), de infiltrao, do produto e outras devidas aosequipamentos mecnicos, eltricos, pessoas e demais elementos que possam constituir

fonte de calor no interior do tnel.

De acordo com os dados acima e conforme ser visto no captulo 4, para umaproduo de 4.500 kg/h a carga trmica total do produto :

Q prod = 311.850 kcal/h 362,6 kW

A carga trmica de transmisso corresponde ao calor transmitido atravs dasparedes, piso e forro. De maneira simplificada, podemos calcular (COSTA, 1982):

L

Ak t Q penetrao

= (3.4)

onde t diferena entre as temperaturas externa e interna (C),k condutividadetrmica do material (kcal/(h m C)), A rea de troca trmica (m2) e L espessura daparede (m).

Considerando o tnel com isolao de poliuretano injetado com condutividadetrmica igual a 0,025 kcal/(h m C) e densidade de 40 kg/m3, com temperatura interna

de 30C, temperatura externa s paredes e piso de 25C e temperatura externa ao forrode 45C, temos conforme as dimenses definidas anteriormente:


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Q penetrao = 3.708,05 kcal/h 4,31 kW

A carga trmica de infiltrao corresponde ao calor do ar de ventilao queatinge o ambiente atravs de suas aberturas. De maneira simplificada, podemos calcular(COSTA, 1982):

H V Q r =o infiltra (3.5)

ondeV r volume de ar renovado (m3 /h) e H diferena de entalpia por unidade de

volume entre o ar externo e interno (kcal/m3). Os valores deV r e H podem ser obtidosde tabelas em funo do volume e temperatura do tnel (COSTA, 1982), e, neste caso,

V r 100 m3 /h e H 26 kcal/ m3 e portanto:

Q infiltrao 2.600 kcal/h 3,02 kW

Considerando que normalmente a iluminao permanece apagada e que no habertura de portas nem a entrada de pessoas no tnel, a carga trmica de perdas queainda devemos considerar resume-se a dos motores instalados dentro da cmara que , nocaso, consiste apenas nos motores dos ventiladores:

Qmotores = 76.982,4 kcal/h 89,5 kW

Assim , a carga trmica total de perdas prevista de:

Q perdas = Q penetrao + Q infiltrao + Q motores =


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= 83.290,45 kcal/h 96,85 kW

No projeto de instalaes frigorficas usual a adoo de uma margem extra de10% sobre a carga trmica total para o dimensionamento dos compressores comomargem de segurana e para acomodao de transitrios.

3.3.2 Modelo do Tnel de Congelamento

Considerando-se o volume de controle do interior do tnel de congelamento

(VC1) so adotadas as hipteses de propriedades uniformes, ar seco em todo o volume,ar como sendo um gs ideal, a carga trmica incluindo a carga trmica de perdas, amassa de ar do ambiente como sendo invariante no tempo, calores especficos do arcomo sendo constantes e energia interna como sendo igual entalpia (VARGAS;PARISE, 1992). Pelas equaes de balano de massa e energia, obtm-se:

112

1 1)]([ mcvT T cpmQdt

dT

ar ar ar

+= & (3.6)

onde os ndices referem-se aos volumes de controle,Q - fluxo de calor (kW),T -

temperatura (C), ar m& - vazo mssica de ar (kg/s),cp ar - calor especfico do ar a

presso constante (kJ/kg C),m1 - massa de ar (kg) ecvar - calor especfico do ar avolume constante (kJ/kg C).

Para o volume de controle do lado do ar do evaporador (VC2) e alm dashipteses anteriores considerando tambm que h troca de calor somente com o lado dorefrigerante do evaporador (volume de controleVC3), da mesma forma obtm-se:

dt

dT

mcvQT T cpm

dt

dT

ar ar ar

1

2321

2 2])([ = & (3.7)


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ondem2 - massa de ar (kg).

O calor trocado no evaporadorQ3 ser visto na seo 3.3.

A temperatura ambiente considerada ser a mdia aritmtica entre astemperaturasT 1 e T 2.

3.4 Evaporadores

Chamaremos de evaporador ao resfriador onde a retirada de calor do ambiente feita diretamente pelo fluido frigorgeno.

O evaporador a interface entre o processo e o sistema frigorfico. Sua funo manter uma determinada temperatura no ambiente refrigerado atravs da remoo docalor a uma taxa adequada.

A capacidade de refrigerao de uma serpentina de resfriamento de ar pode ser

escrita como:

logmt AU Q = (3.8)

onde Q - fluxo de calor (kW);U - coeficiente global de transferncia de calor

(kW/m2C); A - rea de troca de calor (m2); t mlog - diferena mdia logartmica detemperaturas de entrada e sada do ar (C).

A diferena mdia logartmica definida como:

( ) ( )

=

tr ts

tr tetr tstr te

mt ln

log (3.9)


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3.4 Evaporadores 43

onde te - temperatura de entrada do ar (C);ts - temperatura de sada do ar (C);tr -temperatura do refrigerante (C).

Alguns fabricantes costumam fornecer como parmetro de seleo a taxa derefrigerao por grau de diferena de temperatura R (JANNA, 1993 e STOECKER;JABARDO, 1994), de tal forma que a equao de capacidade de refrigerao daserpentina possa ser escrita como:

( )tr te RQ = (3.10)

onde R - parmetro de seleo (kW/C).

Com uma vazo de ar ar m& e calor especfico do ar constantes e pela 1 Lei da

termodinmica, obtm-se que:

= ar

cpar

mUAe

ar cp

ar m R

&&

/ 1 (3.11)

onde ar m& - vazo de ar (kg/s);cp ar - calor especfico do ar (kJ/kg C).

As capacidades de refrigerao fornecidas pelos fabricantes dessa maneira sodenominadas capacidades 'secas', uma vez que somente incluem o calor sensvel.Quando as condies do ar associadas temperatura superficial da serpentina permitema condensao do vapor d'gua do ar, o calor latente envolvido nesse processorepresenta uma capacidade adicional da serpentina (STOECKER; JABARDO, 1994).

A capacidade de refrigerao proposta pelos fabricantes normalmente refere-seao conjunto serpentina, motor e ventilador pois a vazo e velocidades do ar devem seradequadas quela capacidade.


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3.4 Evaporadores 44

importante notar que os dados de capacidade de refrigerao das serpentinasno incluem a carga trmica dos motores dos ventiladores, sendo esta includa na carga

interna do ambiente refrigerado.O desempenho desejado para o sistema pode ser obtido atravs da correta

seleo da serpentina e do controle de suas condies operacionais, sendo os principaisparmetros (STOECKER; JABARDO, 1994):

1) rea de face: rea total de escoamento do ar que penetra naserpentina;

2) nmero e fileiras em profundidade;

3) espaamento entre aletas;

4) vazo de ar;

5) temperatura do refrigerante.

Um incremento na rea de face corresponde ao aumento da rea de transferncia

de calor, resultando na diminuio da temperatura e da umidade do ar na sada daserpentina. O aumento do nmero de fileiras em profundidade produz o mesmo efeito.

A reduo do espaamento entre as aletas produz a diminuio da temperaturasuperficial, resultando tambm na diminuio da temperatura e da umidade do ar nasada da serpentina.

A elevao da vazo do ar provoca aumento da temperatura e umidade na sadada serpentina. Implica ainda numa maior taxa de remoo de calor, pois a reduo deentalpia no ar inferior elevao na vazo. A taxa de refrigerao na serpentina podeser escrita como:

=

sar h

ear h

ar mQ & (3.12)

onde ear h e sar h so as entalpias do ar na entrada e sada da serpentina respectivamente(kJ/kg).


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3.4 Evaporadores 45

Por ltimo, a elevao da temperatura do refrigerante acarreta um aumento

correspondente na temperatura da superfcie exposta ao ar ao longo de toda a serpentina.A elevao da temperatura e umidade do ar porm, no ocorre na mesma proporo(STOECKER; JABARDO, 1994). A elevao da temperatura do refrigerante noimplica numa reduo significativa nas taxas de remoo de calor e de umidade.

Essa caracterstica nos de especial interesse, uma vez que iremos estudar odesempenho do sistema frigorfico em funo da temperatura do refrigerante, outemperatura de evaporao, como comumente chamada.

Outro fator importante na seleo de serpentinas o diferencial de temperaturaentre o ambiente e o refrigerante, o qual est relacionado umidade relativa. Quantomenor esse diferencial, maior a umidade relativa (MIRALLES, 1994).

Os parmetros acima podem ser selecionados durante a fase de projeto para seobter as condies de operao desejadas para o ar na sada da serpentina e para odesempenho e custo desejados para a instalao. Em ASHRAE (1988) so detalhados

mtodos para o dimensionamento de serpentinas.Na maioria das aplicaes o principal aspecto na seleo da temperatura do

refrigerante o econmico, de acordo com o custo de energia do sistema de compressoe o custo inicial do evaporador (STOECKER; JABARDO, 1994).

3.4.1 Cargas Parciais

Os valores tpicos para a temperatura do refrigerante de 3 a 8C abaixo datemperatura do ar na entrada da serpentina, enquanto a diferena entre as temperaturasdo ar na entrada e na sada da serpentina em tneis de congelamento varia de 5,5 a6,5C. Devemos entend-los como valores de dimensionamento do sistema operandoem condies nominais de projeto.

Para cargas parciais, o controle da capacidade da serpentina a fim de manter ascondies de operao desejadas para o ar dentro de determinada faixa pode ser feitoatravs de um ou mais dos mtodos abaixo:


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3.4 Evaporadores 46

1) corte da alimentao do refrigerante;

2) retirada de operao do ventilador;

3) reduo da vazo de ar atravs de motores de dupla velocidade;

4) elevao da temperatura de evaporao.

No caso de tneis de congelamento em instalaes automticas atuais, no utilizado nenhum mtodo para controle da capacidade das serpentinas. A instalaoopera com um controle de temperatura do refrigerante (presso de suco do

compressor) que mantm esse parmetro de operao fixo no valor de projeto. Isso conseguido graas variao de capacidade (vazo) nos compressores.

Dessa forma, quando a planta opera em condies de cargas parciais atemperatura do ar no ambiente refrigerado varia em funo da carga trmica (conformeequaes 3.8 e 3.9). Quanto menor a carga trmica, menor o diferencial de temperaturaentre a entrada e a sada da serpentina e mais prximas as temperaturas do ar e dorefrigerante.

Os regimes de carga trmica parciais podem ocorrer por diversos motivosdecorrentes das prprias caractersticas do tnel de congelamento, da seleo dosequipamentos do sistema de refrigerao, dos equipamentos da linha de produo, dotipo dos produtos congelados no mesmo tnel, de turnos de operao e horrios derefeies e dos volumes de produo contratados.

Como vimos na seo 3.3, existem variaes nos produtos e na linha de

produo que provocam regimes de carga parciais.A operao do tnel tambm implica em regimes de cargas parciais durante os

perodos de carregamento e descarregamento dirios, que podem variar de 2 a 5 horascada. Em algumas linhas de produo so comuns tambm paralisaes nos horrios derefeies, intervalos, higienizao da linha e troca de turnos.

Podemos destacar tambm variaes devido programao da produo emfuno das vendas, com a alterao de turnos, nmero de operadores, capacidade de

produo, etc.


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3.4 Evaporadores 47

Por fim, apesar dos tneis de congelamento e do sistema de refrigerao comoum todo terem seu projeto detalhado para cada aplicao especfica, a seleo dos

equipamentos feita dentro de um conjunto de alternativas dos padres de fabricao ecustos. Assim sendo, os modelos de equipamentos efetivamente selecionados tendem aapresentar capacidades superiores quelas definidas em projeto.

Devemos considerar ainda que comum as fbricas de alimentosindustrializados congelados disporem de vrios tneis de congelamento trabalhandocom um conjunto de compressores interligados entre si (mesmo regime de operao).

Pretendemos ento, a partir do fato de que as condies de operao do sistemafrigorfico so em grande parte do tempo diferente das condies de projeto nominais,estudar um sistema de controle da serpentina de ar que melhore a eficincia do sistemade refrigerao, respeitando sempre as especificaes do produto.

O controle ser baseado na variao da temperatura do refrigerante uma vez que,como vimos em detalhe na seo 3.2, a eficincia dos compressores apresentaexpressiva variao em funo dessa temperatura.

3.4.2 Evaporadores com Recirculao de Lquido

A alimentao e controle do refrigerante lquido na serpentina pode ser feita detrs maneiras bsicas: por vlvula comandada pelo superaquecimento do refrigerante,evaporador inundado e recirculao forada de lquido.

A vlvula comandada por superaquecimeto do refrigerante, denominada vlvulade expanso termosttica, controla a vazo de entrada do lquido refrigerante de maneira

que na sada da serpentina tenha-se somente gs superaquecido na temperatura desejada.O evaporador assim alimentado chamado de 'evaporador a expanso direta', sendogeralmente utilizado com refrigerantes halogenados. As temperaturas de evaporaocaractersticas so de moderadamente baixas a altas. A temperaturas de evaporaobaixas o superaquecimento do refrigerante na sada do evaporador impe severasrestries na capacidade e na eficincia de operao da serpentina (STOECKER;JABARDO, 1994).

Os sistemas com refrigerantes halogenados e evaporadores de expanso diretaso amplamente utilizados em condicionamento de ar e refrigerao. Talvez devido a


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3.4 Evaporadores 48

essa ampla utilizao, a grande maioria dos estudos sobre a dinmica e eficincia debombas de calor publicados tratam desse tipo de instalao.

Nos evaporadores inundados, o refrigerante lquido circulado por efeito deconveco natural a uma taxa superior quela em que evapora. Isso garante que assuperfcies interiores dos tubos da serpentina permaneam molhadas, propiciandocoeficientes de transferncia de calor elevados. O vapor formado separado noreservatrio separador de lquido de onde succionado pelo sistema de compresso(figura 3.12).

Figura 3.12Evaporador inundado (STOECKER; JABARDO, 1994).

O controle de nvel no separador de lquido normalmente feito atravs de

bias.Os evaporadores com recirculao forada de lquido apresentam desempenho

superior aos demais principalmente devido aos seguintes fatores (figura 3.13)(STOECKER; JABARDO, 1994):

1) melhor utilizao da superfcie de transferncia de calor (melhor contato dorefrigerante lquido com a parede e aumento de sua velocidade mdia notubo);

2) o refrigerante lquido no atinge o compressor e o vapor enviado aspiraodo mesmo apresenta reduzido superaquecimento;


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3.4 Evaporadores 49

3) o gs de 'flash' resultante da expanso no enviado serpentina;

4) o leo removido continuamente para o separador de lquido, onde pode ser

purgado.

Figura 3.13Recirculao forada de lquido (STOECKER; JABARDO, 1994).

A razo de recirculao de lquido, n, definida como:

terefrigerandoevaporaodetaxa

evaporador aoenviadalquidodevazon = (3.13)

Devido ao efeito de perda de carga na serpentina, existe umn timo para cadainstalao.


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3.4 Evaporadores 50

Para instalaes com refrigerante amnia, a razo de recirculao normalmente adotada entre 2 e 4 para alimentao normal e tubos de pequeno dimetro e entre 6 e 7

para alimentao por cima e tubos de grande dimetro (CONAN, 1990).

3.5 Condensadores Evaporativos

Em um sistema de refrigerao o condensador o trocador de calor que rejeitatodo o calor do sistema, composto pelo calor absorvido pelo evaporador mais o calor

equivalente energia de compresso.No sistema de refrigerao mecnica a vapor, o condensador responsvel por

esfriar e condensar o vapor superaquecido proveniente da compresso.

Os condensadores podem ser do tipo resfriado a ar, a gua ou evaporativos.Vamos nos ater ao condensador evaporativo que predominante na refrigeraoindustrial. Ele composto por bomba dgua, borrifadores, ventilador, eliminadores degotas e uma serpentina condensadora para o refrigerante.

No condensador evaporativo o calor rejeitado pelo refrigerante transferido gua borrifada no exterior, a qual resfriada por uma corrente de ar ambiente emcontracorrente. A evaporao da gua na corrente de ar o mecanismo mais importantena remoo de calor do refrigerante que se condensa.

A condensao do refrigerante se processa no interior dos tubos segundo umprocesso relativamente complexo, o qual no trataremos aqui. A distribuio detemperaturas ao longo do condensador no uniforme uma vez que existem regiesonde o refrigerante encontra-se no estado de vapor superaquecido e lquidosubresfriado.


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3.5 Condensadores Evaporativos 51

O dimensionamento e seleo dos condensadores normalmente feito a partir dedados de catlogos, utilizando-se a mesma formulao usada no caso dos resfriadores

para a taxa de transferncia de calor (COSTA, 1982). Em ASHRAE (1988) detalhadaa seleo de condensadores.

Figura 3.14Diagrama de troca de calor para um condensador evaporativo (ts temperatura dofilme de gua na superfcie da serpentina) (ASHRAE, 1988).

A temperatura da gua na sada do condensador evaporativo tende temperaturade bulbo mido do ar de entrada.

A capacidade do condensador cresce com o abaixamento da temperatura debulbo mido e com o aumento da temperatura de condensao, sendo comum que osfabricantes forneam dados de capacidade associados a essas duas variveis.

Conforme j destacado, as instalaes frigorficas operam a carga mxima econdies ambientais de projeto somente numa frao mnima do tempo de trabalho dosistema. Na maior parte do tempo a carga trmica e/ou as condies ambientais soinferiores de projeto, permitindo a operao do sistema a presses de condensaomais baixas.


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3.5 Condensadores Evaporativos 52

Como j vimos, o coeficiente de eficincia do ciclo frigorfico aumenta com areduo da temperatura de condensao.

Vimos tambm no item 3.2.1, que a reduo da temperatura de condensaoimplica na reduo da potncia e no aumento da capacidade de refrigerao docompressor.

Dessa forma, recomendvel trabalhar-se sempre na menor presso decondensao permitida, respeitando-se sempre a mnima presso de condensaopermitida pelo compressor (STOECKER; JABARDO, 1994).

O controle da presso de condensao pode ser feito pelo desligamentoseqencial de ventiladores e bombas de gua ou pela variao da rotao dosventiladores.

Encontramos aqui uma situao semelhante questo da variao datemperatura de evaporao, a cuja anlise este trabalho se dispe. Conforme ser vistono Captulo 5, o aumento de capacidade associado s variaes de temperatura decondensao e de evaporao levam o compressor ou compressores a operar em regime

de carga parcial, sendo que essa cond

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