Refrigera˘c~ao e Ar Condicionado · I Condensador duplo tubo; I Condensador Carcaca e Serpentina...

Refrigeracao e Ar CondicionadoCondensadores

Filipe Fernandes de [email protected]

Departamento de Engenharia de Producao e MecanicaFaculdade de Engenharia

Universidade Federal de Juiz de Fora

Engenharia Mecanica

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Introducao

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Introducao

I Os condensadores sao trocadores de calor responsaveis pela rejeicaode calor para o reservatorio de alta temperatura a uma alta pressao;

I O processo de troca de calor no condensacao e realizado a pressaoconstante e, em sua maior parte, temperatura constante;

I Como em todo trocador de calor, a troca de calor noscondensadores e influenciada por:

I Area de troca de calor;I Fluido refrigerante;I Temperatura de condensacao;I Temperatura de entrada do fluido externo.

I Podem ser classificados em:I Condensadores a ar;I Condensadores a agua;I Condensadores evaporativos.

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Relacao de Rejeicao de Calor (HRR)

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I HRR (Heat-Rejection Ratio) e definido como o quociente entre ocalor rejeitado no condensador e o calor absorvido no evaporador;

HRR =Qc

Qo

(1)

I HHR e sempre maior que 1;I Depende das temperaturas de condensacao e evaporacao.

I Um sistema frigorıfico e normalmente definido pela sua capacidadefrigorıfica. Utilizando HRR e possıvel encontrar Qc ;

HRR =Qo + Wc

Qo

= 1 +1

COP(2)

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I Se nao e possıvel a obtencao de Qo e Wc , e possıvel utilizar aseguinte relacao aproximada:

HRR =

(Tc

To

)1,7

(3)

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Troca de Calor no Condensador

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Coeficiente Global de Troca de Calor

I De forma analoga aos evaporadores, para condensadores pode-sedefinir o coeficiente global de troca de calor:

1

UA=

1

href Aint+

t

kAml+

1

haletas(Alivre + ηAaletas)(4)

I O coeficiente UA leva em conta:I Resistencia termica de conveccao proporcionada pelo refrigerante;I Resistencia termica de conducao no tubo;I Resistencia termica relacinada as aletas.

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Capacidade dos Condensadores

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Capacidade dos CondensadoresI Pela primeira da termodinamica aplicado ao fluido externo, pode-se

escrever uma relacao para o calor trocado no condensador:

Qc = macp(Tsa − Tea) (5)

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I Analisando o condensador, pode-se expressar a taxa de calortrocado da segunte maneira:

Qc = UA∆Tml (6)

I U e o coeficiente global de troca de calor;I ∆Tml e a temperatura media logarıtmica, e e dada por;

∆Tml =Tsa − Tea

ln

[(Tc − Tea)

(Tc − Tsa)

] (7)

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I Combinando as equacoes 5, 6 e 7, pode-se encontrar a seguinterelacao,

Qc = macp

[1− exp

(− UA

macp

)](Tc −Tea) = Fcond(Tc −Tea) (8)

I O termo Fcond e chamdo de Fator de condensacao, e costuma ser ainformacao dada em catalogos de condensadores;

I A unidade de Fcond e [W /K ] ou [W /°C ].

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Qo =Fcond

HRR(Tc − Tea) (9)

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Ponto de Equilıbrio

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Ponto de EquilıbrioI Num dado conjunto de condicoes,

as capacidades do compressor e doevaporador equilibram-se nomesmo ponto, onde ambosapresentam a mesma capacidade;

I Na figura ao lado sao mostradasas curvas referentes a uma unidadecondensadora com temperaturasde 40, 5°C e 46°C (B e A);

I Na mesma figura aparecem ascurvas X e Y, representando ascapacidades de dois evaporadoresidenticos (6 filas, 762x1219mm)mas com vazoes de 1, 89m3/s e2, 36m3/s.

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Ponto de Equilıbrio

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Efeito da Mudanca da Temperatura de Condensacao

I A curva X da serpentina A1, 89m3/s intercepta a curva daunidade condensadora a 46°C noponto 1, com temperatura desuccao de 6, 2°C e capacidade de59, 4kW ;

I Se a temperatura de condensacaobaixasse para 40, 6°C , o ponto deequilıbrio seria entao o ponto 3,diminuindo a temperatura desuccao para 5, 4°C e aumentandoa capacidade do sistema para63kW .

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Efeito do Aumento da Vazao de Ar

I A curva Y da serpentina a2, 36m3/s intercepta a curva A daunidade condensadora no ponto 2.As demais condicoes de entradapermanecem as mesmas;

I Em relacao ao caso anterior,ponto 1, com o aumento da vazaode ar, aumentou a capacidade doevaporador, obrigando ocompressor a operar com umamaior temperatura de succao paraequilibrar a carga.

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Efeito da Reducao da Superfıcie do EvaporadorI A curva Z do evaporador com

vazao de ar de 1, 89m3/s possuicom 4 fileiras em vez de 6;

I A capacidade do evaporador reduzsignificativamente com a reducaoda area. A curva da serpentina Zentra em equilıbrio com as curvasdas unidades condensadoras nospontos 5 ou 6;

I Notar que devido a reducao dacapacidade do evaporador, menosrefrigerante evapora e ocompressor opera comtemperaturas de succao maisbaixas.

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Classificacao de Condensadores

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Classificacao de Condensadores

I Podem ser classificados em:I Condensadores a ar;I Condensadores a agua;I Condensadores evaporativos.

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Condensadores Resfriados a Ar

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Condensadores Resfriados a ArI Os condensadores resfriados a ar sao normalmente utilizados em

unidades de pequena ou media capacidade.I Grandes condensadores a ar tambem podem ser aplicados onde nao e

economica a utilizacao de sistemas resfriados a agua.A faixa de capacidades mais comum destes condensadores, cobre agama de valores de 1 a 100 TR (7 a 352kW).

I Porem e usual a sua montagem em paralelo, atingindo capacidadesbastante superiores.

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Condensadores Resfriados a ArI Podem ser classificados com base no mecanismo de conveccao

externa:I Conveccao natural - O coeficiente convectivo e pequeno e por este

motivo, necessitam de grandes superfıcies de troca de calor.

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Condensadores Resfriados a ArI Conveccao forcada - A circulacao do ar atraves do trocador de calor

se da por um ventilador ou soprador;I Devido a grande vazao de ar, eles geralmente sao bastante

barulhentos.

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Condensadores Resfriados a Ar

I Recomenda-se que a temperatura de condensacao nunca sejasuperior a 55 °C;

I No entanto, para garantir a eficiencia do sistema de compressao e,ao mesmo tempo, obter uma maior vida util dos compressores, atemperatura de condensacao nao deve ser maior que:

I 48°C , quando a temperatura de evaporacao do sistema frigorıfico formaior ou igual a 0 °C;

I 43°C , quando a temperatura de evaporacao do sistema frigorıfico formenor que 0 °C.

I Devem ser instalados elevados, com relacao ao nıvel do solo, paraprevenir acumulacao de sujeira;

I Deve-se garantir que existam aberturas adequadas e livres dequalquer obstrucao para entrada de ar frio e para a saıda do arquente.

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Condensadores Resfriados a Agua

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I Condensadores resfriados a agua, quando limpos e corretamentedimensionados, operam de forma mais eficiente que oscondensadores resfriados a ar, especialmente em perıodos de elevadatemperatura ambiente;

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I Normalmente estes condensadores utilizam agua proveniente deuma torre de resfriamento, sendo que usualmente utiliza-se, para acondicao de projeto do sistema, o valor de 29, 5°C para atemperatura da agua que deixa a torre;

I A temperatura de condensacao, por sua vez, deve ser fixada em umvalor entre 5, 0°C e 8, 0°C maior que a temperatura da agua queentra no condensador, isto e, da agua que deixa a torre;

I Existem quatro tipos principais de condensadores a agua:I Condensador duplo tubo;I Condensador Carcaca e Serpentina (Shell and Coil);I Condensador Casco-Tubo (Shell and Tube);I Condensador de Placa.

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Condensadores Duplo Tubo

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Condensadores Duplo TuboI Estes condensadores sao formados por dois tubos concentricos‘;

I O tubo por onde circula a agua e montado dentro do tubo de maiordiametro.

I O fluıdo frigorıfico, por sua vez, circula em contracorrente no espacoanular formado pelos dois tubos.

I Sendo resfriado ao mesmo tempo pela agua e pelo ar que esta emcontato com a superfıcie externa do tubo de maior diametro.

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Condensadores Duplo TuboI Estes condensadores sao normalmente utilizados em unidades de

pequena capacidade, ou como condensadores auxiliares operandoem paralelo com condensadores a ar, somente nos perıodos de cargatermica muito elevada;

I Esses condensadoressao difıceis de se limpar e nao fornecem espacosuficiente para a separacao de gas e lıquido.

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Condensadores Duplo Tubo

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Condensador Carcaca e Serpentina (Shell and Coil)

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I Sao constituıdos por um ou mais tubos, enrolados em forma deserpentina, que sao montados dentro de uma carcaca fechada;

I A agua de resfriamento flui por dentro dos tubos, enquanto orefrigerante a ser condensado escoa pela carcaca;

I Sao usados em unidades de pequena e media capacidade,tipicamente ate 15 TR.

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Condensador Casco-Tubo (Shell and Tube)

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Condensador Casco-Tubo (Shell and Tube)I Os condensadores Shell and Tube sao constituıdos de uma carcaca

cilındrica, na qual e instalada uma determinada quantidade de tuboshorizontais e paralelos;

I A agua de resfriamento circula por dentro dos tubos e o refrigeranteescoa dentro da carcaca, em volta dos tubos;

I Sao de facil limpeza (por varetamento) e manutencao;I Sao fabricados para uma vasta gama de capacidades, sendo

amplamente utilizados em pequenos e grandes sistemas derefrigeracao.

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I Alguns fatores influenciam nos custos iniciais e de operacao dosistema:

I Aumentando o fluxo de agua de resfriamento, aumenta-se acapacidade de condensador, porem tambem aumenta-se o custo debombeamento da agua e o seu consumo;

I Reduzindo-se o diametro da carcaca e aumentando-se o comprimentodos tubos reduz-se o custo inicial do condensador, mas aumenta-se aperda de carga no circuito de agua;

I O fator incrustacao, que esta associado a uma resistencia termicaadicional devido a formacao de incrustacoes, depende da qualidadede agua. Geralmente, para condensadores novos que operarao comagua de boa qualidade, considera-se um fator de incrustacao daordem de 0, 000044m2°C/W ;

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Condensadores de Placas

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I Os condensadores de placas sao geralmente constituıdos de placasde aco inox de pequena espessura (0,4 a 0, 8mm);

I As placas sao montadas paralelamente umas as outras, com umpequeno afastamento (1,5 a 3,0 mm);

I A agua de resfriamento e o fluıdo frigorıfico circulam entre espacosalternados, formados pelas placas;

I Possuem elevado coeficiente global de transferencia de calor (2500 a4500W /m2 · C );

I Apresentam ainda a vantagem da facilidade de aumento de suacapacidade, pela simples inclusao de placas.

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Condensadores Evaporativos

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I Os condensadores evaporativos sao formados por uma especie detorre, no interior da qual e instalada uma serie de tubos, por ondeescoa o fluıdo frigorıfico;

I Geralmente existem ventiladores que circula o ar de baixo para cima;I No topo do condensador sao instalados bicos injetores que

pulverizam agua sobre a tubulacao de refrigerante;I A agua escoa, em contracorrente com o ar, em direcao a bacia do

condensador.

I O contato da agua com a tubulacao por onde escoa o refrigeranteprovoca a sua condensacao;

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I Ao mesmo tempo uma parcela da agua evapora e, num mecanismocombinado de transferencia de calor e massa entre a agua e o ar,esta ultima e tambem resfriada;

I A agua que chega a bacia do condensador e recirculada por umabomba.

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I O contato da agua com as regioes de elevada temperatura daserpentina, pode provocar a formacao excessiva de incrustacoessobre a superfıcie dos tubos;

I Assim, em alguns condensadores evaporativos, instala-se umaprimeira serpentina, acima da regiao onde a agua e borrifada.

I Esta serpentina e chamada de dessuperaquecedor, e tem a funcao dereduzir a temperatura do refrigerante, o que reduz a formacao deincrustacoes na regiao onde ha agua.

I Em alguns condensadores evaporativos, e adicionada ainda umaserpentina para promover o subresfriamento do refrigerante lıquido,a uma temperatura inferior a temperatura de condensacao;

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Exemplo

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Exemplo

I Exemplo 1 - Um ciclo padrao de compressao a vapor utilizandoR-134a com uma vazao de 0, 5kg/s, trabalha com To = 0C eTc = 50°C . Ar e soprado pelo condensador a 35°C e sai a 45°C .Determine:

(a) A capacidade frigorıfica do sistema;(b) O coeficiente UA do condensador;(c) A vazao em massa de ar que passa pelo condensador;(d) HRR;(e) Fcond .

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