Refrigeração e Climatização

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PAR INSTITUTO DE TECNOLOGIA FACULDADE DE ENGENHARIA MECNICA

LABCLIMA LABORATRIO DE CLIMATIZAO

APOSTILA DE REFRIGERAO E CLIMATIZAO PROF. DR. JORGE E. CORRA

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SSUUMMRRIIOO

Unidade 1 Introduo: refrigerao e climatizao 04

1.1 Introduo refrigerao

1.2 Introduo climatizao

1.3 Relao entre refrigerao e ar condicionado

Unidade 2 Equipamentos, acessrios e fluidos refrigerantes em sistemas de refrigerao por compresso mecnica de vapor 14

2.1 Compressores

2.2 Condensadores

2.3 Evaporadores

2.4 Dispositivos de expanso

2.5 Acessrios

2.6 Refrigerantes primrios

2.7 Refrigerantes primrios alternativos

2.8 Refrigerantes secundrios

Unidade 3 Ciclos de refrigerao por compresso mecnica de vapor 51

3.1 Ciclo ideal de refrigerao

3.2 Ciclo ideal com subresfriamento e superaquecimento

3.3 Ciclo real por compresso mecnica de vapor

3.4 Ciclo ideal com duas temperaturas de evaporao

3.5 Ciclo ideal de compresso por estgios

Unidade 4 Psicrometria e potenciais em superfcie molhada 72

4.1 Psicrometria: fundamentos e processos

4.2 Transferncia de calor em superfcie molhada

Unidade 5 Sistemas e equipamentos de climatizao 92

5.1 Sistema bsico ar condicionado para conforto

5.2 Sistemas multizonas

5.3 Sistemas de gua gelada

5.4 Sistemas unitrios

5.5 Equipamentos de sistemas de ar condicionado

5.6 Aletas

5.7 Desempenho de serpentinas

5.8 Ventiladores

5.9 Torres de resfriamento

5.10 Condensadores




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5.11 Umidificadores

5.12 Filtros de ar

AAPP11DDIICCEESS 113366




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BBIIBBLLIIOOGGRRAAFFIIAA

1) ASHRAE. Handbook of fundamentals. Atlanta-GA, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning

Engineers, 2005.

2) ASHRAE. Handbook of systems and equipment. Atlanta-GA, American Society of Heating, Refrigerating and Air-

Conditioning Engineers, 2000.

3) ASHRAE. Handbook of refrigeration. Atlanta-GA, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning

Engineers, 1994.

4) ASHRAE. Handbook of applications. Atlanta-GA, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning

Engineers, 1999.

5) GOSNEY, W. B. Principles of refrigeration. London, Cambridge University Press, 1982.

6) SAUER Jr, H. J.; HOWELL, R. H. Principles of heating ventilating and air conditioning: a textbook based on 1993

ASHRAE handbook- fundamentals. Atlanta-GA, American Society of Heating, Refrigerating and Air-

Conditioning Engineers, 1994.

7) STOECKER, W. F. ; JONES, J. W. Refrigerao e ar condicionado. So Paulo, McGraw-Hill, 1985.

8) WANG, S. K. Handbook of air conditioning and refrigeration. New York, McGraw-Hill, 1994.




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UU11IIDDAADDEE 11 II11TTRROODDUUOO:: RREEFFRRIIGGEERRAAOO EE CCLLIIMMAATTIIZZAAOO

Nessa unidade, abordaremos os fatos importantes referentes refrigerao e climatizao, apresentaremos os princpios de funcionamento dos processos mais difundidos de refrigerao artificial, e mostraremos como se integram aos sistemas de climatizao.

1.1 Introduo refrigerao

A refrigerao envolve a reduo e manuteno da temperatura de um corpo ou substncia abaixo daquela existente em sua vizinhana, e pode ser obtida por meios naturais e artificiais. Os meios naturais usam substncias frias encontradas espontaneamente na natureza. No primrdio, o meio natural de refrigerao era o gelo formado em picos de montanhas e do congelamento da superfcie de rios e lagos no inverno. A Figura 1.1 mostra uma indstria de gelo, onde placas extradas da superfcie congelada de um rio durante o inverno, eram transportadas e armazenadas para ser usadas na conservao de alimentos e na obteno de temperaturas agradveis em residncias de alto padro durante o vero.

Figura 1.1 Extrao de gelo na superfcie congelada do rio Hudson (Estados Unidos, 1874).

Em conservao de alimentos, um refrigerador domstico como o mostrado na Figura 1.2 era de uso comum. O gelo era introduzido por uma tampa superior e acomodava-se sobre uma bandeja. Os perecveis eram colocados sobre as prateleiras vazadas, que permitiam a movimentao do ar frio por diferena de densidade, e as temperaturas alcanavam entre 6 e 10C no compartimento refrigerado. Um dreno instalado na parte mais baixa da bandeja de gelo recolhia a gua resultante de sua fuso. Redes de distribuio entregavam as pedras de gelo regularmente de porta em porta ou quando eram solicitadas.

Figura 1.2 Geladeira antiga para conservao de alimentos.

Os meios artificiais reduzem a temperatura de uma substncia mediante o consumo de energia sob um princpio de funcionamento caracterstico do tipo de processo de refrigerao. A Tabela 1.1 apresenta um resumo dos processos mais comuns, seus princpios de funcionamento e aplicaes tpicas. Inicialmente, a refrigerao artificial foi usada para produzir gelo e reduzir a dependncia das condies climticas. Embora os sistemas de expanso de ar, de absoro e de compresso mecnica de vapor estivessem disponveis, suas utilizaes em instalaes comerciais e residenciais eram inviabilizadas pelos custos elevados e riscos que representavam aos usurios. Aps a Segunda Guerra Mundial (19391945) a indstria da refrigerao consolidou-se. Dois fatores foram determinantes: primeiro, o desenvolvimento, em 1930,




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dos refrigerantes cloro-fluor-carbono (CFCs) que apresentavam ndices baixos de toxicidade e periculosidade, adequados s instalaes residenciais e comerciais; segundo, o surgimento do sistema selado de pequeno porte, com baixos custos de aquisio e operao, pois exigia pouca manuteno.

Tabela 1.1 Processos de refrigerao, princpios de funcionamento e aplicaes tpicas.

Processos Princpio de funcionamento Aplicaes tpicas Compresso mecnica de vapor

Um fluido voltil (refrigerante primrio) recebe calor e evapora em baixa presso e temperatura.

Aparelhos de ar condicionado de janela, refrigeradores domsticos, sistemas comerciais e industriais de grande porte.

Absoro de vapor O vapor de um fluido voltil, absorvido por outro fluido em baixa presso e temperatura, destilado da soluo sob alta presso.

Em pequenos refrigeradores domsticos e em instalaes de refrigerao e ar condicionado de grande porte.

Efeito termeltrico Uma corrente eltrica atravessa uma juno de dois metais diferentes (efeito Peltier) e produz resfriamento.

Pequenos instrumentos de medio, como os existentes para medir o ponto de orvalho do ar, e equipamentos eletrnicos.

Expanso de ar O ar em alta presso, sofre expanso adiabtica e realiza trabalho sobre um pisto, tem sua temperatura reduzida.

Resfriamento de aeronaves.

Ejeo de vapor A passagem de vapor em alta presso atravs de um difusor provoca a evaporao da gua dentro de um tanque, e reduz sua temperatura.

Sistemas de ar condicionado em navios.

1.1.1 Refrigerao por compresso mecnica de vapor

Vrios estudiosos e empreendedores contriburam para a evoluo da refrigerao por compresso mecnica de vapor, seja descobrindo seus princpios fsicos e/ou desenvolvendo e construindo equipamentos. O Dr. William Cullen era professor de qumica na Universidade de Endimburgo e conhecia a sensao de resfriamento que o ter provocava quando evaporava em contato com a pele. Em 1755, ele bombeou o vapor formado dentro de um vaso hermtico contendo ter lquido e mergulhado em gua. A temperatura no vaso baixava e a gua congelava sobre sua superfcie externa. Dois princpios sustentavam esse fenmeno: Todo lquido tende a se transformar em vapor: dentro de um vaso hermtico o lquido e seu vapor esto em equilbrio termodinmico na presso de vapor saturado. Se vapor bombeado a presso diminui e mais lquido evapora; Para um lquido evaporar ele deve absorver calor: o calor absorvido pelo lquido na mudana de fase sob presso constante foi medido por Joseph Black e designado de calor latente, pois no h variao de sua temperatura. Em termos modernos, o calor latente conhecido como entalpia de mudana de fase. Se uma fonte externa no fornece calor, este retirado do prprio lquido, que tem sua temperatura reduzida. Em 1834, Jacob Perkins, foi o primeiro a fazer uma descrio completa do ciclo de refrigerao por compresso mecnica de vapor tal como o conhecemos hoje. A mquina descrita e patenteada por Perkins mostrada na Figura 1.3. O fluido voltil (ter) evapora ao receber calor da gua existente no tanque. A bomba manual aspira e comprime o vapor at uma presso em que ele possa ceder calor para a gua de resfriamento no condensador e liquefazer. O lquido condensado escoa atravs do dispositivo de expanso, que mantm a diferena de presso entre o condensador e o evaporador. A pequena bomba existente acima do dispositivo de expanso serve para reposio da carga de refrigerante. Segundo relatos da poca, a mquina de Perkins no despertou qualquer interesse comercial devido ao seu acionamento manual. Somente em 1857, James Harrison e Daniel Siebe fabricaram a primeira mquina de refrigerao por compresso mecnica de vapor que funcionou. A Figura 1.4 mostra uma dessas mquinas usadas para fabricao de gelo e cristalizao de cera de parafina a partir do leo de xisto. O ponto de ebulio normal do ter (34,5C) ocorre em presses de evaporao menores do que a presso atmosfrica. Por isso, h o perigo de entrada de ar no sistema, que misturado ao ter resulta numa mistura potencialmente explosiva. Em compensao, a presso de condensao no muita elevada; isso permite construes leves e pouco robustas do condensador. Em 1870, Carl Von Linde introduziu a amnia (NH3), que se tornou o refrigerante mais importante em instalaes de grande porte, depois que algumas limitaes mecnicas na construo do condensador foram superadas. At a temperatura de 33oC as presses de evaporao eram superiores presso atmosfrica (1atm = 101,325 kPa). Entretanto, para a condensao era necessria presso superior a 10 atmosferas, o que encarecia bastante a construo do condensador. Em 1886, Franz Windhausen de Berlim, introduziu o dixido de carbono (CO2). A presso de condensao era elevadssima superior a 80 atmosferas o que exigia condensadores robustos e pesados. Entretanto, devido a seu baixo grau de periculosidade tornou-se o principal refrigerante usado em navegao por mais de 50 anos, s sendo substitudo por outros refrigerantes em 1955. Nos anos 192930, Thomas Midgley, coordenou com uma equipe de pesquisadores e obteve um refrigerante bastante promissor, que se tornaria um dos fatores responsveis pela expanso e consolidao da indstria da refrigerao: o diclorodifluormetano (CCl2F2), com ponto de ebulio 29,8C presso atmosfrica normal, tomou o nome comercial de Freon12. Esses compostos qumicos, derivados do metano e do etano, denominados hidrocarbonetos cloro-fluorados1, eram conhecidos desde o final do sculo 19; porm, suas propriedades como refrigerante s ento foram investigadas.

1 Tambm denominados cloro-fluor-carbono ou hidrocarbonetos halogenados.




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Figura 1.3 Mquina de refrigerao por compresso mecnica de vapor, idealizada por Jakob Perkins, conforme patente britnica nmero 6662 de 1834.

Figura 1.4 Mquina de refrigerao por compresso mecnica de vapor, usando ter como refrigerante, idealizada por James Harrison e fabricada por Daniel Siebe em 1857.

A Figura 1.5 mostra o esquema do sistema de refrigerao por compresso mecnica de vapor. Os componentes principais so: evaporador, compressor, condensador e dispositivo de expanso. No evaporador, a mistura lquidovapor em baixa presso remove calor da substncia que se quer resfriar. Essa transferncia de calor faz com que o lquido evapore. O compressor aspira vapor formado no evaporador, numa taxa suficiente para manter a presso de evaporao, e o comprime at que sua temperatura seja maior do que a do fluido de resfriamento que escoa no condensador. No condensador, o vapor refrigerante rejeita calor para o fluido de resfriamento e liquefaz na presso de condensao correspondente. No dispositivo de expanso, a presso do lquido reduzida at a presso de evaporao para que ele possa ser reaproveitado no ciclo. O dispositivo de expanso um controle de fluxo do refrigerante, que mantm a diferena de presso entre o condensador (lado de alta presso) e o evaporador (lado de baixa presso) do sistema.

Figura 1.5 Esquema do sistema de refrigerao por compresso mecnica de vapor.

A compresso mecnica de vapor um mtodo eficiente para obter refrigerao artificial, porm: (a) a energia necessria compresso geralmente fornecida por um motor eltrico, que consome energia relativamente cara; (b) aumentar a presso do refrigerante custa da reduo do volume de vapor requer uma quantidade de trabalho relativamente grande. Por isso, surgiram outros mtodos artificiais de refrigerao.

1.1.2 Refrigerao por absoro de vapor

Uma forma de remover o vapor da superfcie de um lquido absorvendoo por meio de uma substncia com a qual ele reaja quimicamente e nela se dissolva facilmente: o vapor dgua absorvido rapidamente pelo cido sulfrico. Este princpio foi usado em 1810 por John Leslie para produzir gelo artificialmente. Ele usou dois vasos conectados por um tubo: um contendo gua e o outro cido sulfrico forte. Com o passar do tempo uma fina camada de gelo formavase na superfcie da gua: a gua evaporava pela reduo da presso de vapor sobre ela, que removia entalpia de vaporizao do




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restante que permanecia lquido; a temperatura caa e a gua congelava. Uma bomba de vcuo podia ser usada para remover o vapor formado e acelerar o processo. O mtodo de Leslie tornouse a base de vrias mquinas comerciais para fabricao de pequenas quantidades de gelo. Entretanto, havia a necessidade de recargas peridicas de cido sulfrico. Para operar ininterruptamente havia necessidade de aspirao contnua de cido sulfrico do recipiente, de modo que a soluo fosse concentrada por ebulio. Um equipamento desse tipo foi projetado por Windhausen em 1878 e obteve algum sucesso comercial, porm, nunca foi muito popular. Era usado para fabricar gelo e resfriar gua. Neste sistema, a gua atuava como refrigerante; o cido sulfrico era denominado absorvente. A Figura 1.6 mostra o esquema e os principais componentes do sistema de absoro. Comparando as Figuras 1.5 e 1.6, verificase que o condensador, o evaporador e a vlvula de expanso existem em ambos os sistemas. Entretanto, o compressor substitudo por um conjunto composto de absorvedor, bomba de soluo forte, trocador de calor e gerador. Esse conjunto retira o vapor em baixa presso do evaporador e o entrega em alta presso no condensador, tal qual faz o compressor. O absorvedor alimentado com a soluo fraca de guaamnia que absorve o vapor de amnia. A absoro da amnia pela gua um processo que libera grande quantidade de calor, e, se nenhum resfriamento for providenciado, a temperatura aumenta e o processo de absoro cessa. Geralmente, a mesma gua usada para resfriar o condensador resfria antes o absorvedor, vinda de uma torre de resfriamento. A soluo forte, formada no absorvedor, tem sua presso elevada pela bomba e descarregada no gerador depois de passar no trocador de calor. No gerador, a soluo forte aquecida e o vapor produzido ento retificado para que amnia quase pura seja descarregada no condensador. A soluo fraca que formada est quente. Por isso, um trocador de calor interposto entre o gerador e o absorvedor a fim de aquecer a soluo forte at a temperatura do gerador e resfriar a soluo fraca at a temperatura do absorvedor. Para manter a diferena de presso entre o gerador e o absorvedor instalada uma vlvula na tubulao da soluo fraca um pouco antes da entrada do lquido no absorvedor.

Figura 1.6 Principais componentes do sistema de refrigerao por absoro.

Em 1860, Ferdinand Carr construiu com sucesso um sistema de absoro de vapor que funcionava continuamente, como o mostrado na Figura 1.7, onde a amnia o refrigerante e a gua o absorvente. A gua tem grande afinidade qumica com o vapor de amnia e o absorve com facilidade. Portanto, se o evaporador conectado a um circuito de gua que a coloca em contato direto com o vapor de amnia este absorvido e sua presso reduzida. A entalpia de evaporao da amnia pode ser ento usada para refrigerao de outras substncias. A soluo forte de guaamnia, formada no absorvedor, bombeada para o gerador onde destilada e retificada sob presso na qual vapor de amnia condensa ao ceder calor para o meio externo. O processo de retificao permite obter vapor de amnia quase puro; entretanto, no gua pura o que retorna ao absorvedor e sim uma soluo fraca de amnia dissolvida em gua. O sistema desenvolvido por Carr durante muitos anos no sofreu modificaes e foi um fato importante na histria da refrigerao. Entretanto, quando os sistemas de absoro consolidaram seu sucesso surgiram os sistemas por compresso mecnica de vapor, que os relegaram ao segundo plano. Por muitos anos, o sistema de absoro foi usado somente em refrigeradores domsticos; porm, desde as duas grandes crises do petrleo nos anos de 1970, voltou a ser uma alternativa atraente para sistemas de grande porte. A Figura 1.8 mostra o esquema de um sistema de absoro usado ainda hoje em refrigeradores domsticos. Neste arranjo, a partes mveis (bomba de soluo forte e vlvula de expanso) foram eliminadas. A energia usada no gerador provinha da queima de gs ou querosene. Para uniformizar a presso em todo o sistema Geppert usou a seguinte idia: no lado de baixa presso foi introduzido um gs nocondensvel de modo que a presso total fosse igual no condensador e no gerador. Inicialmente se usou ar; entretanto, as taxas de evaporao obtidas foram muito baixas.

Em 1922, Carl Munters e Balzar von Platen (Real Instituto de Tecnologia, Estocolmo, Sucia), construram um sistema em que o hidrognio foi usado como gs nocondensvel e sua circulao entre o evaporador e o absorvedor era assegurada pela diferena de densidade causada por diferentes concentraes de amnia na soluo. Alm disso, eles




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usaram o princpio de percolao2 para elevar a soluo forte at o separador e obter a presso hidrosttica necessria para alimentar a soluo fraca no absorvedor. Assim, os sistemas selados de amnia foram possveis muito antes dos sistemas selados por compresso mecnica de vapor, e seu uso em refrigeradores domsticos foi um verdadeiro sucesso. Entretanto, o desenvolvimento de sistemas selados por compresso de vapor, mais uma vez relegou os sistemas de absoro ao plano secundrio.

Figura 1.7 Mquina de refrigerao por absoro de vapor de Ferdinand Carr.

Figura 1.8 Esquema do sistema de absoro para refrigerador domstico.

A Figura 1.9 mostra o esquema da mquina de refrigerao por absoro de vapor usando a soluo de brometo de ltiogua. O brometo de ltio (Li-Br) puro slido e se misturado adequadamente com gua forma uma soluo aquosa homognea. Nesse caso, a gua o refrigerante e a soluo de brometo de ltio o absorvente. O funcionamento semelhante ao do sistema guaamnia. Entretanto, como o brometo de ltio no voltil, na sada do gerador formase somente vapor dgua tornando dispensvel o uso do retificador. Mquinas modernas, baseadas no esquema da Figura 1.9, renem o gerador com o condensador e o evaporador com o absorvedor, resultando em equipamentos compactos de custo reduzido e alta eficincia. O sistema de brometo de ltio indicado para obteno de gua gelada em sistemas de ar condicionado de grande porte (100 a 1.200 TR). Os primeiros sistemas por absoro de vapor usavam o carvo como combustvel para aquecimento do gerador; eventualmente, vapor quente proveniente de uma caldeira era utilizado. Atualmente, esses sistemas queimam gs natural ou leo combustvel para gerar calor. O aproveitamento de energia residual de outros sistemas trmicos tambm est sendo muito difundido em sistemas de co-gerao.

SISTEMA DE ABSORO COM USO DE VAPOR

Figura 1.9 Esquema do sistema de absoro com soluo de H2OLiBr.

2 Percolao ...




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1.1.3 Refrigerao por expanso de ar

Quando o ar em alta presso expandido adiabaticamente, de modo que realize trabalho sobre um pisto, sua temperatura reduzida em decorrncia da reduo de sua energia interna. Esse princpio, conhecido desde o sculo 18, foi usado em 1828 por Richard Trevithick para descrever um processo de refrigerao. A Figura 1.10 mostra o princpio de funcionamento da mquina de refrigerao de expanso de ar com ciclo aberto. O ar da cmara fria conduzido para o interior de um cilindro onde comprimido. Durante o processo a temperatura do ar aumenta com o aumento da presso. O ar quente passa ento atravs de um trocador de calor onde sua temperatura reduzida pela gua de resfriamento. O ar comprimido expandido dentro de um cilindro realizando trabalho sobre o pisto e tem sua temperatura reduzida. O ar frio descarregado na cmara onde resfria os produtos armazenados. O trabalho realizado pelo ar sobre o cilindro de expanso usado para fornecer parte do trabalho necessrio movimentao do compressor. A mquina a vapor usada para movimentar o compressor era montada geralmente na mesma base dos cilindros de compresso e de expanso e estava diretamente acoplada neles. O sistema aberto foi, por mais de 20 anos, o principal mtodo de refrigerao do setor naval, e durante esse tempo ele foi melhorado em diversos aspectos. A Figura 1.11 mostra um modelo da primeira mquina de refrigerao por expanso de ar que foi construda por John Gorrie, em 1844, na Flrida. Muitos a consideram o primeiro refrigerador bem sucedido. Em 1862, Alexander Carnegie Kirk idealizou um sistema de refrigerao baseado no ciclo reversvel de Stirling. Depois de Kirk, os inventores retornaram idia original de Gorrie, bem mais simples, e em 1875, Paul Giffard construiu o primeiro modelo de ciclo aberto de refrigerao.

Figura 1.10 Esquema simplificado do ciclo aberto de refrigerao por expanso de ar.

Figura 1.11 Primeira mquina de refrigerao por expanso de ar (Flrida, EUA).

Atualmente, o sistema de expanso de ar com turbo-expansor usado para resfriar cabinas de aeronaves. Uma vantagem deste sistema que ele no utiliza partes mveis tipo cilindropisto para comprimir e expandir o ar. A Figura 1.12 mostra seu esquema. No ponto 0, o ar ambiente em velocidade subsnica, que circunda a aeronave em alta altitude, forado para dentro da turbina e sua presso aumenta do ponto 0 ao ponto 1. O ar comprimido at o ponto 2, elevando sua temperatura. No trocador de calor, o ar aquecido do ponto 2 libera calor para a corrente de ar extrada pelo ventilador, alcanando o ponto 3. Ao passar pelo turboexpansor tem sua temperatura reduzida at o ponto 4, e ento descarregado na cabina para resfriar a aeronave. Depois de remover calor da cabina o ar descarregado na atmosfera. Isto caracteriza um ciclo aberto, visto que nenhum ar recirculado.

Figura 1.12 Sistema de expanso de ar usado em resfriamento de cabinas de aeronaves.




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1.1.4 Refrigerao por efeito termeltrico

Este mtodo de refrigerao baseado numa descoberta de Peltier em 1834: quando uma corrente eltrica percorre um circuito composto de dois metais diferente uma das junes resfriada e a outra aquecida. Com metais puros este efeito comparativamente pequeno e em grande parte encoberto pelo aumento de temperatura devida resistncia dos condutores e pela conduo de calor entre a juno quente e a fria. Apesar disso, usando bismuto e antimnio, Lenz fabricou uma pequena quantidade de gelo em 1838. Nos metais puros a condutibilidade trmica reduzida est relacionada com a baixa condutibilidade eltrica, de modo que se metal puro for usado conduo de calor de uma juno para outra pequena, mas a perdas devido resistncia so grandes. A efetividade depende principalmente da potncia termeltrica, que nos metais puros muito pequena. Em anos recentes alguns semicondutores com elevada potncia termeltrica foram desenvolvidos, tornando possvel a construo de pequenos refrigeradores. Os semicondutores podem ser de dois tipos: tipo-n se a corrente conduzida pelos eltrons e tipo-p se no o . Estes so fabricados pela contaminao da substncia pura com pequenas quantidades de impurezas para fornecer os condutores de corrente. O semicondutor mais usado atualmente para fins de refrigerao bismuto-telrio (Bi2 Te3). Um elemento de refrigerao mostrado na Figura 1.13, composto de materiais tipo-n e tipo-p. Os dois blocos so montados em um circuito usando elementos de cobre como condutor. Aqui, o prprio cobre no toma parte no processo agindo somente como um condutor. necessria uma fonte de corrente contnua de baixa voltagem. Visto que cada elemento utiliza somente uma frao de Volt, vrios deles so conectados em srie para formar um mdulo ficando as junes quentes de um lado e as frias do outro.

Figura 1.13 Esquema do sistema de refrigerao usando o princpio termeltrico.

1.1.5 Refrigerao por ejeo de vapor

O equipamento usado no sistema de ejeo de vapor o ejetor ou termocompressor, inventado por Sir Charles Parsons, usado originalmente para bombear ar para fora dos condensadores em instalaes de potncia de vapor. Seu esquema mostrado na Figura 1.14. Vapor em alta presso vindo da caldeira passa por um bocal onde adquire alta velocidade e sua quantidade de movimento induz uma presso baixa no evaporador por aspirao. A baixa presso facilita a evaporao de gua, que ao mudar de fase resfria a gua que permanece no fundo do evaporador. A mistura de vapor vindo do bocal com o produzido no evaporador tem sua velocidade reduzida no difusor, causando o aumento de presso suficiente para condens-lo ao ter calor latente removido pela gua de resfriamento. Parte do vapor condensado vai para a bomba de alimentao da caldeira e o restante segue para repor a gua no evaporador.

Figura 1.14 Esquema do sistema de refrigerao por ejeo de vapor.




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1.1.6 Unidades de capacidade de refrigerao

O trabalho realizado por um sistema de refrigerao corresponde ao calor transferido para o refrigerante no seu evaporador pelos corpos ou substncias resfriadas. Esta quantidade de calor denominada capacidade de refrigerao, e normalmente expressa nas seguintes unidades: 1 kW = 860 kcal/h = 3.412 Btu/h. Na prtica, a capacidade de refrigerao pode variar desde uns poucos microwatts at vrios megawatts em instalaes de grande porte. 3este curso, as unidades do Sistema Internacional SI sero preferencialmente usadas. Entretanto, uma unidade historicamente importante deve ser mencionada, a Tonelada de Refrigerao [TR]. A princpio esta unidade foi quantificada como sendo a quantidade de calor retirada de uma tonelada curta (2000 lb) de gua 0oC, para produzir igual quantidade de gelo na mesma temperatura no perodo de um dia. Posteriormente, foi definida exatamente pela ASRE (American Society of Refrigerating Engineers) como: 1 TR = 12.000 Btu/h = 200 Btu/min. Em termos de outras unidades: 1 TR = 3,51685 kW = 3.023,95 kcal/h. A TR usada para indicar o tamanho de uma instalao de refrigerao, por exemplo, 5 TR (pequeno porte), 300 TR (mdio porte) ou 2000 TR (grande porte). Para produzir 1 TR necessita-se em mdia de 1 hp de potncia (NOTA: esta relao somente uma aproximao e no deve ser usada para estimativas de consumo de energia).

1.2 Introduo climatizao

A funo dos sistemas de climatizao (ar condicionado) obter, e manter dentro de limites prdeterminados, os parmetros ambientais: temperatura, umidade relativa, limpeza e velocidade relativa de ar, nvel de rudo e diferencial de presso entre o ambiente condicionado e sua vizinhana. Para obter o efeito desejado, equipamentos de resfriamento e/ou aquecimento, ventiladores, dutos de ar, tubulaes de gua e acessrios, devem ser instalados de modo conveniente, a fim de que o sistema resultante possa: (a) Tratar o ar, ou seja, aquecer ou resfriar, umidificar ou desumidificar, filtrar e purificar o ar; (b) Distribuir e insuflar o ar tratado em ambientes condicionados; (c) Prover ar externo suficiente para ventilao, ou seja, para renovao de ar; e (d) Consumir um mnimo de energia sem comprometer o desempenho.

1.2.1 Classificao e aplicaes

Os sistemas de ar condicionado so classificados de acordo com a finalidade em sistemas para conforto e para processo. A Tabela 1.2 lista as aplicaes tpicas dos sistemas de ar condicionado: os sistemas de conforto tratam o ar a fim de manter o conforto trmico e preservar a sade das pessoas durante suas atividades no ambiente condicionado; os de processo tratam o ar para manter o controle de condies adequadas aos processos de fabricao, armazenamento de produtos ou quaisquer outros processos ligados indstria.

Tabela 1.2 Aplicaes tpicas dos sistemas de ar condicionado.

CONFORTO Setor comercial Prdios de escritrios, supermercados, lojas de departamentos, shopping-centers,

restaurantes, etc. Setor pblico Estdios, bibliotecas, museus, cinemas, igrejas, teatros, salas de concerto, centros

de recreao e lazer, etc. Setor residencial e servios Hotis, motis, prdios de apartamentos, residncias particulares, etc. Setor de sade Hospitais, centros de recuperao, centros cirrgicos, unidades de terapia intensiva

(UTI), etc. Setor de transporte Aeronaves, automveis, transporte pblico (metr), ferrovirio, etc.

PROCESSOS Indstria txtil Muitas fibras naturais e/ou manufaturadas so higroscpicas (absorvem umidade).

Por isso, nos processos de fabricao a umidade relativa do ambiente deve ser rigorosamente controlada.

Indstria de eletro-eletrnicos Fazem uso de salas-limpas onde a temperatura, a umidade relativa, e a granulometria das partculas em suspenso no ar so rigorosamente controladas.

Indstria de mecnica de preciso A fabricao e a utilizao de instrumentos de preciso, geralmente necessitam de controle rigoroso da temperatura.

Indstria qumica e farmacutica Geralmente os processos de fabricao necessitam de controle de temperatura, umidade relativa e nvel de contaminao do ar.

Indstria de alimentao A indstria de alimentos perecveis congela os alimentos para manter suas qualidades nutritivas. Entrepostos frigorficos preservam essa qualidade durante o transporte at os pontos de consumo. So controladas a temperatura e a umidade relativa.

1.2.2 Histrico sucinto

Nos sistemas antigos de condicionamento de ar um ventilador forava um fluxo de ar que entrava em contato direto com as barras de gelo, como mostra o esquema Figura 1.15. A pelcula lquida sobre o gelo evaporava na corrente de ar e aumentava sua umidade relativa. Assim, antes de insufl-lo no ambiente era necessrio desumidificar o ar colocando-o em contato com uma soluo de cloreto de clcio para reduzir sua umidade. A Figura 1.16 mostra um sistema de resfriamento em que o ar no entra em contato direto com a superfcie mida do gelo. Nesse caso, no haveria problema de




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elevao da umidade relativa j que o contato trmico entre a gua (bombeada atravs de tubulaes) e o ar se dava numa serpentina. Nesse caso, o ar podia ser inclusive desumidificado. Entre os anos de 1920 e 1940 vrios desses sistemas foram instalados nos Estados Unidos. O gelo era reposto quando j tinha derretido de 80 a 90 % do volume total.

Figura 1.15 Resfriador de ar com gelo (1865).

Figura 1.16 Banco de gelo para resfriamento indireto do ar.

Em 1901, Willis H. Carrier (18761950) graduou-se na Universidade de Cornell e foi trabalhar na Buffalo Forge Company. Ele observou que um sistema de climatizao no podia ser projetado e instalado satisfatoriamente devido impreciso dos dados e frmulas disponveis para os clculos. Para obter curvas de desempenho de equipamentos e estabelecer bases tericas confiveis ele desenvolveu as primeiras pesquisas de laboratrio na indstria de ventilao e aquecimento.

Em 1902, projetou e instalou numa indstria norteamericana de litografia um sistema de climatizao que permitia controle de aquecimento, resfriamento, umidificao e desumidificao do ar, para resolver o problema da interferncia de cores nos impressos grficos sobre embalagens de papelo, que variavam de tamanho, devida s mudanas sazonais nas condies climticas.

Em 1904, Carrier adaptou bocais atomizadores e desenvolveu eliminadores de gotas para os lavadores de ar, para controlar a temperatura de ponto de orvalho por meio de aquecimento ou resfriamento nos sistemas com recirculao de gua. Em 1911, num encontro da ASME (American Society of Mechanical Engineers), apresentou seu artigo denominado Rational Psychrometrics Formulae no qual relacionava as temperaturas de bulbo seco, bulbo mido e ponto de orvalho do ar com cargas trmicas sensvel, latente e total, e, alm disso, estabelecia a teoria de saturao adiabtica. As frmulas e a carta psicromtrica apresentadas tornaramse base de todos os clculos fundamentais em condicionamento de ar, proporcionando um crescimento significativo do emprego desses sistemas em ambientes industriais.

Em 1922, a mquina de refrigerao centrfuga de Carrier, juntamente com os refrigerantes que evaporam em baixa presso, tornou os resfriadores de gua, para aplicaes industriais e comerciais de porte mdio e grande, atrativos tanto do ponto de vista tcnico como econmico. Embora os sistemas de climatizao para conforto j fossem instalados desde 1890, com o trabalho de Carrier tomaram um impulso extra. Nenhum grande progresso foi feito na rea de refrigerao mecnica at o final daquele sculo. Mesmo assim, diversas instalaes de condicionamento de ar projetadas cientificamente entravam em funcionamento.

Em 1902, Alfred Wolff projetou e instalou um sistema de 400 TR para o 3ew York Stock Exchange, que funcionou por quase 20 anos. Em 1908, o The Boston Floating Hospital foi o primeiro hospital a ser equipado com um sistema moderno de condicionamento de ar. Concludo em 1928, o The Milam Building, um edifcio de escritrios, projetado e construdo em San Antnio, Texas, seguiu especificaes para uso de um sistema de condicionamento de ar para conforto.

Em 1924, o sistema de controle por bypass de ar inventado por L. Logan Lewis, resolveu o problema de controle de umidade do ambiente condicionado em cargas trmicas parciais. No final dos anos 20, a Frigidaire lanou o primeiro ar condicionado de janela.

Entretanto, ainda havia um fator restritivo: o grau elevado de periculosidade dos refrigerantes usados na poca, que inviabilizavam tcnica e economicamente a fabricao de sistemas de refrigerao seguros. A soluo surgiu em 1930, quando Thomas Midgley Jr apresentou o dicloro-difluor-metano (CFC12), com caractersticas de segurana e periculosidade aceitveis para uso nos compressores alternativos, em aplicaes comerciais e residenciais de porte mdio e pequeno. Isto logo possibilitou que os fabricantes produzissem condicionadores de ar em massa que usavam o CFC12. Esses refrigerantes cloro-fluor-carbono eram tambm usados em compressores centrfugos, que necessitavam da metade do nmero de rotores para ter o mesmo desempenho que tinham quando usavam outros refrigerantes. Walter Jones introduziu as aletas nos trocadores de calor do tipo cascotubos, permitindo grande economia de espao e material. Outras descobertas dos anos 30: o primeiro sistema de condicionamento de ar residencial com o ciclo de refrigerao por absoro usando brometo de ltio foi introduzido em 1931 por Servel; unidade de resfriamento por ejeo de vapor para vages de




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passageiros foi introduzida por Carrier em 1931; a General Electric introduziu a bomba de calor na metade dos anos 30; o filtro de ar eletrosttico foi desenvolvido pela Westhinghouse; Charles 3eeson da Airtemp inventou o compressor radial de alta-velocidade e W.B. Connor descobriu que os odores do ar podem ser removidos usando carvo ativado. Com o final da II Guerra Mundial a tecnologia do condicionamento de ar avanou rapidamente: bombas de calor com rejeio para o ar; resfriadores de gua de grande porte usando absoro com brometo de ltio; condicionadores de ar automotivos; condicionadores de ar unitrios e de gabinete (selfcontained); pequenos resfriadores de gua que usavam sistemas de absoro de amnia instalados externamente; purificadores de ar; unidades de resfriamento de cabinas de aeronaves usando ciclo de expanso de ar; etc. Atualmente, o melhoramento de produtos j existentes e o desenvolvimento de novos produtos incluem: sistema central de dutoduplo para edifcio de escritrios; introduo de compressores alternativos hermticos em unidades de grande capacidade de refrigerao; retomada do aquecimento usando energia eltrica; uso da bomba de calor para recuperar energia em grandes edifcios; aplicao de filtros eletrostticos em sistemas residenciais; estudo de terminais de volume de ar varivel para uso com condicionadores de gabinete; instalaes centrais de aquecimento e de resfriamento para shopping-centers, universidades, edifcios de apartamentos e de escritrios; preveno da Sndrome dos Edifcios Doentes (SEDs); controles digitais computadorizados; etc.

1.2.3 Sistema bsico de ar condicionado

A Figura 1.17 mostra o esquema de um sistema bsico de condicionamento de ar. A radiao solar incidente e as cargas internas sempre impem ganhos de calor ao ambiente, que deve ser mantido em condies de temperatura e umidade compatveis com as atividades que nele se desenvolvem. A transferncia de calor atravs dos componentes da estrutura da edificao devida diferena de temperatura e a energia associada infiltrao e/ou exfiltrao de ar, podem representar ganhos e/ou perdas de calor para o ambiente condicionado. As taxas de remoo de calor no condicionador no podem ser calculadas considerando somente as cargas trmicas associadas ao ambiente condicionado. As parcelas de calor sensvel e latente do ar exterior e de outros componentes da carga trmica tambm devem ser consideradas. Devem ser observados itens como: ganhos de calor dos ventiladores de insuflao e retorno, ganhos ou perdas de calor nos dutos que conduzem o ar, fugas de ar nos dutos e/ou na fronteira do espao condicionado, tipo de sistema de retorno de ar, e as condies atuais existentes no ambiente em contraste com as que existiro depois da climatizao. Todos esses fatores esto relacionados para estabelecer o tamanho dos equipamentos e o arranjo do sistema.

1.3 Relao entre refrigerao e ar condicionado

As reas de refrigerao e ar condicionado so correlatas, embora cada uma tenha seu campo de atuao especfico, como mostra a Figura 1.18. A aplicao mais comum da refrigerao em sistemas de ar condicionado para conforto ou processo. Os engenheiros podem atuar em pesquisa, desenvolvimento de produtos e equipamentos ou ainda em projetos de sistemas. Embora um engenheiro possa transitar livremente entre as trs reas distintas mostradas na Figura 1.19, a atuao de firmas comerciais tende a se agrupar quer na rea de ar condicionado (conforto) quer na de refrigerao industrial (processo). Nesta ltima, as temperaturas de trabalho podem chegar a 60 oC. Processos que exigem temperaturas inferiores a esta, como instalaes de separao de oxignio e de hidrognio do ar, so objetos de estudo de uma rea especfica de refrigerao denominada criogenia.

Figura 1.17 Sistema bsico de ar condicionado.

Figura 1.18 Relao entre as reas de refrigerao e ar condicionado.




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UU11IIDDAADDEE 22 EEQQUUIIPPAAMMEE11TTOOSS,, AACCEESSSSRRIIOOSS EE FFLLUUIIDDOOSS RREEFFRRIIGGEERRAA11TTEESS EEMM RREEFFRRIIGGEERRAAOO PPOORR CCOOMMPPRREESSSSOO MMEECC11IICCAA DDEE VVAAPPOORR

Os equipamentos e acessrios dos sistemas de refrigerao so fabricados em tamanhos padronizados e produzidos em escala industrial. Geralmente, pertencem a uma famlia de produtos que tm seus desempenhos especificados nos catlogos de fabricantes. Em instalaes de grande porte podem ser produzidos a fim de atender um projeto especial. Isso particularmente verdadeiro no caso dos evaporadores que tomam formas diferentes de acordo com o produto a ser resfriado. Entretanto, na maioria das instalaes at mesmo o evaporador tende a ser um equipamento padronizado. A seleo de equipamentos e acessrios e sua integrao em um sistema de refrigerao so feitas pelos fabricantes de aparelhos e utenslios, que, em determinados casos, podem produzir alguns desses componentes, como acontece com geladeiras e aparelhos de janela. Entretanto, apesar dos sistemas montados em fbrica, a maioria das instalaes de refrigerao construda por empreiteiras, algumas vezes mediante seu prprio projeto e outras seguindo o projeto de um consultor contratado pelo cliente. Geralmente, a empresa contratada faz a compra dos equipamentos, acompanha a entrega, monta a instalao e a coloca em funcionamento, ou seja, introduz a carga de refrigerante, ajusta os controles, etc, cuidando para que tudo funcione adequadamente. Durante esse perodo o corpo tcnico do cliente treinado na operao da instalao.

2.1 Compressores

A funo dos compressores nos sistemas de refrigerao : (1) aspirar vapor em baixa presso na mesma taxa em que produzido no evaporador, (2) aumentar sua presso, e (3) descarreg-lo no condensador onde ser liquefeito ao rejeitar calor para o fluido de resfriamento, geralmente, ar ou gua. So classificados em compressores de deslocamentos positivo e dinmicos. Os de deslocamento positivo aspiram vapor para dentro de um espao confinado que ter seu volume reduzido causando um aumento de presso; a reduo peridica do volume descarrega o vapor em pulsos de presso. Os compressores alternativos, rotativos, parafuso e scroll so desse tipo. Os dinmicos aumentam a presso do refrigerante pela transferncia contnua de momento angular de um rotor para o vapor, convertendo posteriormente esse momento em aumento de presso. O fluxo pode ser radial ou axial. Na maioria das aplicaes em refrigerao o fluxo radial e os compressores so denominados turbocompressores. Os centrfugos funcionam dessa maneira. De acordo com suas caractersticas construtivas os compressores podem ser abertos, semihermticos e hermticos (selados). A principal caracterstica dos compressores abertos que o seu eixo de manivelas atravessa o bloco de modo que o acionamento seja feito por um motor eltrico ou de combusto interna atravs de acoplamento direto ou por meio de polias e correias. Alm disso, so desmontveis e podem ter suas peas substitudas em decorrncia de desgaste ou defeito e um retentor mecnico previne os vazamentos de refrigerante entre o eixo de manivelas e o bloco.

2.1.1 Compressores alternativos

A Figura 2.1 ilustra o ciclo de trabalho de um compressor alternativo monocilndrico com o pisto posicionado em quatro pontos de seu curso, correspondentes aos processos de expanso, aspirao (suco), compresso e descarga. Alm disso, so apresentados dois grficos: presso no interior do cilindro posio do eixo de manivelas e presso no interior do cilindro volume no interior do cilindro.

EXPANSO A-B No ponto A, o pisto encontra-se no PMS (ponto morto superior) de seu curso. O giro do eixo de manivelas inicia o movimento descendente do pisto. As vlvulas de suco e de descarga esto fechadas. medida que o volume no interior do cilindro aumenta a presso reduzida, at atingir o ponto B.

ASPIRAO B-C No ponto B, a presso no interior do cilindro um pouco inferior presso da cmara de aspirao; a vlvula de suco se abre por diferena de presso e o vapor penetra no cilindro at que o pisto atinge o ponto C. Durante a aspirao o volume no interior do cilindro aumenta e a presso se mantm constante.

COMPRESSO C-D No ponto C, o pisto est no PMI (ponto morto inferior) de seu curso. O giro do eixo de manivelas inicia o movimento ascendente do pisto. As vlvulas de suco e descarga esto fechadas. A reduo do volume no interior do cilindro provoca um aumento de presso at que o pisto atinge o ponto D.

DESCARGA D-A No ponto D, a diferena de presso provoca a abertura da vlvula e o vapor descarregado na cmara de descarga. Durante a descarga o volume no cilindro diminui e a presso permanece constante at que o pisto alcana o ponto A, para reiniciar o ciclo. Ao final do ciclo o eixo de manivelas executou uma rotao completa.

Ao final da descarga sempre restar no cilindro certa quantidade de vapor: impossvel fabricar um pisto que faa a varredura de todo o volume interno do cilindro. necessrio reservar espao para acomodar as vlvulas de suco e descarga e ainda existem as tolerncias normais de fabricao. Esse volume (teoricamente indesejvel e impossvel de ser eliminado na prtica) denominase volume nocivo ou volume de espao morto. Nos compressores modernos de alta rotao o volume nocivo cerca de 3 a 4 % do volume deslocado pelo pisto. Por causa do vapor contido nesse espao nocivo a




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presso no cilindro no alcana imediatamente a presso de suco no curso descendente do pisto, ocorrendo primeiro um processo de expanso at o ponto B: enquanto a presso dentro do cilindro for maior do que a presso na cmara de suco essa vlvula no se abre. O resultado disso que em vez do volume de vapor aspirado ser igual ao deslocado (VCVA) um volume menor (VCVB) aspirado. desejvel que o volume nocivo seja o menor possvel para que o volume aspirado seja mximo. Isso influencia a escolha dos tipos de vlvulas de aspirao e descarga que podem ser usadas.

Figura 2.1 Processos do ciclo de trabalho de compressores alternativos.

A Figura 2.2 mostra o corte longitudinal de um compressor alternativo aberto de amnia. A vlvula de aspirao est posicionada no topo do pisto e se abre durante seu curso descendente. A vlvula de descarga est posicionada no cabeote, que pressionado contra o cilindro por uma mola de segurana: no caso de compresso de lquido o cabeote se desloca permitindo que o vapor seja descarregado sem danificar o compressor com o golpe de lquido. O resfriamento do cilindro e do cabeote realizado com camisas de gua devido elevada temperatura de descarga da amnia.

Figura 2.2 Corte longitudinal de um compressor alternativo aberto para amnia.




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A Figura 2.3 mostra um pequeno compressor do tipo aberto para CFCs3. Quando estes refrigerantes foram introduzidos, por volta de 1930, as vlvulas de suco e descarga tradicionais usadas com amnia no eram adequadas; a densidade de vapor dos CFCs era muito maior e causava perdas de carga excessivas no escoamento, aumentando as necessidades de potncia dos motores que os acionavam. Nessas vlvulas a abertura deve ser maior do que para a de amnia; alm disso, a presso das molas foi suavizada e a massa das partes mveis foi reduzida. A preveno de vazamentos de CFCs mostrouse mais difcil do que para a amnia. Devido ao seu elevado peso molecular e considerando as mesmas tolerncias e diferenas de presso, a vazo mssica atravs das folgas era maior do que para a amnia devida poderosa ao solvente desses refrigerantes, que no permitiam que essas folgas fossem vedadas pelo leo lubrificante. Alm disso, como eram mais caros os vazamentos que ocorriam causavam um prejuzo enorme. Para superar esses problemas selos mecnicos de vedao de eixo passaram a ser usados.

Figura 2.3 Compressor alternativo aberto de pequeno porte para refrigerantes clorofluorados: dimetro do cilindro 41 mm, curso do pisto 38 mm, 850 r.p.m.

Em compressores que usam CFCs um problema especial causado pela solubilidade de seus vapores no leo lubrificante. Quando o compressor no est operando a presso dentro do bloco (incluindo o crter) relativamente alta e o leo est frio. Nessas condies o vapor se dissolve facilmente no leo. Quando o compressor entra em operao, esta presso cai e a temperatura do leo aumenta. O vapor liberado rapidamente da soluo e produz espuma na superfcie do leo que pode penetrar nos cilindros atravs dos canais de equalizao de presso. Esse fenmeno, freqentemente audvel, conhecido como batidas e ocorre logo depois que o compressor acionado. Para evitar esse efeito indesejvel a mistura leorefrigerante presente no crter aquecida por uma pequena resistncia eltrica durante as paradas do compressor. Algum tempo depois da partida do compressor, quando o leo se aquece e o refrigerante a amnia ou o HCFC22, h necessidade de resfriar o leo para no comprometer sua viscosidade. Outro fator que pode comprometer a viscosidade do lubrificante a quantidade de refrigerante dissolvido. O problema do vazamento de refrigerante no eixo de manivelas do compressor foi satisfatoriamente superado com os selos mecnicos que eliminaram a necessidade de cuidados dirios. Entretanto, os selos mecnicos bem como as tenses das correias ainda precisavam de cuidados se bem que em intervalos de tempo maiores. Para os refrigeradores domsticos isso era uma desvantagem significativa. Alguns fabricantes eliminaram as correias fazendo o acoplamento direto entre o motor e o compressor, porm ainda restava o selo mecnico. Somente com a introduo dos compressores hermticos o selo mecnico foi totalmente eliminado. Nesse caso, o compressor acoplado diretamente no eixo do motor eltrico e esse conjunto instalado dentro de um casco de ao fechado por solda, como mostra a Figura 2.4. As conexes das tubulaes de aspirao, descarga e carga de refrigerante so soldadas ao casco. Os fios de alimentao do motor eltrico atravessam o casco atravs de terminais selados, inicialmente com buchas de borracha sinttica e atualmente com cermica fundida. As cargas de refrigerante e de lubrificante em condies normais de uso no precisam de reposio. Os primeiros compressores hermticos usavam como refrigerante o dixido de enxofre; depois, por um longo perodo, o CFC12 foi utilizado. Atualmente, o HFC134a tem substitudo o CFC12 em virtude das recomendaes do Protocolo de Montreal com relao aos danos causados por esse ltimo camada de oznio da atmosfera terrestre. Nos primeiros projetos de compressores selados, o estator do motor eltrico era encostado ao casco de modo a prover alguma troca de calor por conduo deste para o casco e por conveco para o ar exterior. Restava, porm, o problema do resfriamento do rotor, que foi superado pela passagem do refrigerante aspirado atravs dele. Nos projetos atuais o conjunto motor eltricocompressor montado dentro do casco selado sobre molas e amortecedores para reduzir a vibrao e o rudo. Desse modo, o resfriamento do conjunto motorcompressor feito exclusivamente pelo refrigerante e

3 CFCs designa os fluidos refrigerantes compostos de carbono, cloro e flor.




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pelo leo lubrificante. Esse aquecimento adicional do vapor refrigerante aumenta seu volume especfico na aspirao do compressor e reduz sua vazo mssica. Nos compressores hermticos impossvel realizar manuteno sem cortar o casco. Quando o sistema de refrigerao montado em fbrica, todos os cuidados com a limpeza so observados e o compressor funciona sem problemas at o fim da vida til do sistema. Entretanto, para montagens em campo os mesmos padres de fbrica no so obtidos e freqentemente necessrio abrir o compressor para manuteno. Deste modo, surgiram os compressores semihermticos incorporando caractersticas dos abertos e dos hermticos.

Figura 2.4 Compressor alternativo hermtico.

A Figura 2.5 mostra uma vista em corte de um compressor semihermtico. As tampas e as placas de vlvulas podem ser removidas para inspeo e servios. O motor resfriado parcialmente pelo vapor aspirado e tambm atravs do estator em contato com a carcaa aletada. So fabricados em tamanhos maiores do que os hermticos e alguns fabricantes oferecem a opo de compressores abertos e hermticos de mesma capacidade de refrigerao.

Figura 2.5 Compressor semi-hermtico: 6 cilindros com arranjo em W (Fabricante Bitzer).

Um fator que limita o uso de compressores hermticos e semihermticos em sistemas de grande porte que na eventualidade de queima do motor eltrico os produtos da decomposio do isolamento contaminam todo o sistema. Neste caso, o sistema deve ser totalmente limpo e todo o refrigerante substitudo antes de entrar novamente em operao. Geralmente, os compressores comerciais de pequeno porte so fornecidos com vlvulas de servio na suco e na descarga, como mostra a Figura 2.5. Essas vlvulas permitem que os manmetros sejam temporariamente conectados para fins de diagnstico de funcionamento do sistema. Na eventualidade de um servio no compressor essas vlvulas devem ser fechadas. A Figura 2.6(a) mostra a vlvula na condio normal de operao: a conexo para o manmetro est fechada e a




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conexo para o condensador ou evaporador est aberta. A abertura na vlvula coincide com a de suco ou descarga do compressor. A Figura 2.6(b) mostra a posio da vlvula isolando o compressor do sistema para reparo. Para efetuar o teste de presso o manmetro conectado e a vlvula na posio (a) est aberta o suficiente para a presso ser verificada.

Figura 2.6 Vlvulas de servio para compressores de pequeno porte.

Os compressores alternativos so usados: (a) Como compressores de simples estgio, em sistemas de estgio nico de compresso para obteno de temperaturas relativamente baixas (20 a 0C) e em aplicaes de ar condicionado, mas podem tambm alcanar temperaturas de 35C com temperatura de condensao de + 35C, dependendo do refrigerante usado; (b) Como booster em sistemas com mais de um estgio de compresso (multipresso) para obteno de baixas temperaturas: 65C com HCFC22 e 54C com amnia. O booster eleva a presso do refrigerante at um ponto em que a compresso de alta presso seja realizada em nico estgio, sem que a razo de compresso da mquina seja excedida; e (c) Como compressor de duplo estgio para obteno de baixas temperaturas (30 a 60C) com HCFC22 ou amnia. Os cilindros do compressor so divididos em grupos: a vazo volumtrica combinada e balanceada com a razo de compresso para obter dois estgios efetivos de compresso. A capacidade de refrigerao dos compressores alternativos alcana at 200 TR (700kW). Em aplicaes de conforto e processo utilizam refrigerante HCFC-22, HFC-134a, HFC-404A, HFC-407A e HFC-407C. Em aplicaes industriais usa-se geralmente R-717 (amnia) por no causar depleo da camada de oznio. Os projetos de compressores alternativos alcanaram sua maturidade e pouco pode ser feito para melhor-los. Embora largamente usados em sistemas de refrigerao de pequeno e mdio porte, esto gradualmente sendo substitudos pelos compressores rotativos, scroll e parafuso. Os compressores so selecionados pela capacidade mxima de refrigerao que devem atender. Entretanto, nem sempre durante seu tempo de funcionamento necessrio que operem sob potncia mxima. Por isso, h necessidade de um controle de capacidade de refrigerao para adequar o sistema s exigncias das cargas parciais. Um sistema ideal de controle de capacidade de refrigerao deve apresentar as seguintes caractersticas de operao, que, de modo geral, no ocorrem simultaneamente: (a) Ajustar continuamente a capacidade de refrigerao carga trmica; (b) Manter a eficincia do sistema em cargas mxima e parcial; (c) Manter a confiabilidade da mquina; (d) Manter a faixa de condies de operao da mquina; e (e) No aumentar a vibrao e/ou o rudo em cargas parciais. O controle da capacidade de refrigerao pode ser obtido por meio de: (a) Ligando e desligando o compressor (somente em sistemas de pequeno porte); (b) Controlando a presso de suco por estrangulamento; (c) Controlando a presso de descarga; (d) Permitindo o retorno de gs da descarga para a suco; (e) Aumentando o volume nocivo; (f) Alterando o curso do pisto; (g) Abrindo a vlvula de descarga do cilindro para a suco; (h) Variando a velocidade; (i) Mantendo fechada a entrada do cilindro; e (j) Mantendo a vlvula de suco aberta. Os mtodos mais usados so: manter as vlvulas de suco abertas empregando alguma fora externa, bypass de gs por dentro do compressor ou bypass de gs por fora do compressor.

2.1.2 Compressores rotativos

Os compressores rotativos podem ser de pisto rolante (lmina fixa) ou de lminas giratrias. A Figura 2.10 mostra o primeiro tipo e seu ciclo de trabalho. Um rolo de ao cilndrico gira sobre um excntrico montado com o eixo longitudinal coincidente ao do prprio cilindro. O rolo tambm excntrico ao cilindro e toca sua parede no ponto de folga mnima. Quando o eixo excntrico gira em sentido anti-horrio o rolo gira em sentido horrio sempre mantendo contato com a parede do cilindro. Uma lmina, empurrada pela mola, montada na ranhura da parede do cilindro e move-se para dentro e para fora a fim de manter contato permanente com o rolo. Os cabeotes ou placas terminais do cilindro so usados para fechar as extremidades do cilindro e apoiar os mancais do eixo excntrico. Tanto o rolo como a lmina tem o mesmo comprimento do cilindro, com pequenas folgas entre estas partes e as placas terminais. A descarga e a suco esto localizadas perto da ranhura da lmina, porm em lados opostos. A vazo de vapor refrigerante atravs desses orifcios contnua, exceto quando o rolo cobre um ou outro dos orifcios. Os lados de baixa e alta presso dentro do cilindro esto separados pelo ponto de contato do rolo com o cilindro e pela lmina. O ponto de contato de contato rolocilindro move-se continuamente com o deslocamento do rolo. Em cada ciclo de compresso o rolo cobrir o orifcio de descarga, momento em que somente vapor de baixa presso estar no cilindro, como mostra a parte de admisso da Figura 2.7.




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Todo o conjunto do cilindro opera submerso num banho de leo, e o vapor descarregado no espao acima do nvel do leo de onde vai para a descarga em direo ao condensador. Todas as superfcies de atrito so altamente polidas e bem ajustadas. Embora no sejam necessrias vlvulas de suco, na descarga instalada uma vlvula de reteno para evitar retorno de vapor na descarga do cilindro. Em operao, a pelcula de lubrificante atua como vedao entre os lados de alta e baixa presso no compressor. Porm, quando o compressor desligado a vedao no se mantm e as presses se igualam. Por isso, uma vlvula de reteno deve ser instalada na suco ou na descarga para evitar que o gs de alta presso retorne para a linha de suco. So usados em refrigeradores e condicionadores de ar domsticos com potncia at 2 kW.

Figura 2.7 Compressor de pisto rolante.

Nos compressores de lminas giratrias, Figura 2.8, as lminas so posicionadas dentro de ranhuras feitas no rotor. O eixo do rotor excntrico ao do cilindro, de modo que o ponto de contato rotor-cilindro separado somente pela pelcula de leo lubrificante. Diametralmente oposto a este ponto, a folga rotorcilindro mxima. A fora centrfuga, em alguns casos auxiliados por tenses de molas, e a prpria geometria deste arranjo causa o movimento alternativo das lminas dentro das ranhuras mantendo o contato permanente delas com a parede interior do cilindro. No h necessidade de vlvulas de suco e descarga. Como resultado disso o vapor comprimido descarregado diretamente na tubulao de descarga e a taxa de compresso determinada pela geometria do compressor. Como as lminas no so foradas contra o cilindro quando o compressor est parado, h uma tendncia de equalizao de presso no seu interior. Isso reduz o torque de partida do motor eltrico. Por outro lado, permite que certa quantidade de vapor j comprimido retorne ao evaporador do ciclo de refrigerao. Assim, uma vlvula de reteno deve ser instalada na tubulao de descarga. Compressores de lminas giratrias so bastante usados em transporte frigorfico. Compressores pequenos na faixa de 2 a 40 kW operam em ciclos de estgio simples com temperatura de saturao na aspirao de 40C e temperatura de saturao na condensao variando de 7 a 60C. Em ciclos com dois estgios de compresso possvel obter temperaturas de 50C, ou ainda menores.

Figura 2.8 Compressor de lminas giratrias.

2.1.3 Compressores parafuso

Dois rotores giram engrenados dentro de cavidades cilndricas em um bloco metlico obtido por fundio, conforme mostra a Figura 2.9(a). Um rotor possui lbulos com corte transversal de perfil convexo, ao contrrio do outro, que cncavo. A forma bsica dos rotores semelhante a uma rosca semfim com nmeros diferentes de lbulos nos dois rotores. Geralmente, o rotor cncavo tem 4 lbulos e o convexo 6. Alguns compressores possuem a configurao 5 por 7. Qualquer um dos dois rotores pode ser impulsionado pelo motor. Quando o rotor cncavo acoplado ao motor com uma relao entre os lbulos de 4 por 6, a capacidade de resfriamento 50 % maior do que se o acoplamento fosse feito no rotor convexo nas mesmas condies. O torque transferido diretamente de rotor para rotor e o sentido da rotao fixo. O




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acionamento mais usado feito pelo rotor convexo. Uma pelcula de leo de leo lubrificante interposta nos pontos de contato entre os rotores para evitar contato direto metalmetal. A Figura 2.9(b) mostra os processos de suco, compresso e descarga. A admisso feita na parte frontal dos rotores (porta de suco) e a descarga na parte inferior da outra extremidade dos rotores engrenados (porta de descarga). Uma vlvula deslizante regula a presso de descarga. Os compressores parafuso utilizam injeo direta de leo na cmara de compresso para lubrificao, vedao e resfriamento. O leo injetado e em quantidade suficiente para minimizar os vazamentos entre as zonas de alta e baixa presso e resfriar o gs. A vedao entre os diferentes nveis de presso compreende uma estreita faixa entre os pontos de contato dos rotores e a periferia dos mesmos na cmara de compresso. Posteriormente, o leo separado do gs no separador de leo. O leo injetado absorve a maioria do calor proveniente da compresso, fazendo com que a temperatura na descarga seja baixa, mesmo que a razo de compresso seja elevada. Por exemplo, com razo de compresso 20:1 em simples estgio e usando amnia sem injeo de leo, a temperatura de descarga pode chegar a 340C. Com a injeo de leo, esta mesma temperatura no excede 90C.

(a)

(b)

COMPRESSOR PARAFUSO SEMI-HERMTICO

Figura 2.9 Compressor parafuso: (a) fluxo de refrigerante; (b) processos de suco, compresso e descarga do vapor.

Nos compressores alternativos, as vlvulas de descarga abrem quando a presso no cilindro excede a presso na cmara de descarga. Pelo fato do compressor parafuso no possuir vlvulas a posio da cmara de descarga determina a presso mxima que ser obtida na cmara de compresso entre os lbulos antes de o vapor ser descarregado. A razo de compresso uma caracterstica de projeto fundamental em todos os compressores parafuso. Somente a presso de suco e a razo de compresso definem o nvel de presso do vapor pouco antes da abertura da cmara de descarga. Entretanto, em todos os sistemas de refrigerao, a presso de descarga do sistema funo da temperatura de condensao e a temperatura de evaporao da presso de suco. Se, em dada condio de operao, a razo de compresso for elevada a descarga do vapor tornase mais demorada e a presso na cmara de compresso ficar acima da presso na cmara de descarga. Este fenmeno denominado sobrecompresso. Nesse caso, quando ocorre abertura da porta de descarga a alta presso do gs provoca a expanso do refrigerante para a tubulao de descarga. Isto acarreta um maior trabalho do que se a compresso tivesse sido interrompida quando a presso interna fosse um pouco superior presso na tubulao de descarga. Quando a razo de compresso muito baixa para as condies de operao do sistema ocorre a subcompresso. Neste caso a abertura da porta de descarga acontece antes que a presso do gs alcance a presso de descarga. Isto faz com que o gs que estava do lado de fora do compressor, na tubulao de descarga, penetre na cmara de compresso, elevando imediatamente a presso para o nvel da presso de descarga. O compressor tem que trabalhar contra um nvel de presso mais alto em vez de trabalhar com uma gradual elevao do nvel de presso. Nos dois casos, o compressor ainda funcionar e o mesmo volume de gs ser deslocado, porm, com uma potncia maior do que aquela requerida se as aberturas de descarga estivessem localizadas corretamente de modo a compatibilizar a razo de compresso (razo entre volumes) com as necessidades do sistema. Isto gera um consumo de energia maior. Projetos com razo de compresso varivel so usados para otimizar a localizao da cmara de descarga a fim de minimizar o consumo de energia. Embora seja um compressor de deslocamento positivo a descarga de refrigerante se faz de modo uniforme e contnuo e no de forma pulsante como nos compressores alternativos. As partes mveis do compressor so poucas e as trocas de peas devidas ao desgaste mecnico so mnimas. O balanceamento esttico e dinmico dos rotores reduz as possveis fontes de vibrao mecnica proporcionando uma operao com menos rudo.




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2.1.4 Compressores scroll

O compressor scroll consiste de duas espirais idnticas montadas com defasagem de 180, como mostra a Figura 2.10. Cada espiral fixada numa placa plana circular. A espiral superior estacionria e a outra se move em torno do eixo central do motor com uma amplitude igual rbita do excntrico. O movimento relativo entre as espirais permite que faam contato em vrios pontos e formem uma srie de cavidades seladas, que o vapor percorrer durante sua compresso. Na admisso, o vapor penetra por aberturas laterais entre as duas espirais e ocupa as cavidades existentes que logo em seguida so seladas pelo movimento relativo entre as espirais, finalizando o processo de admisso. Durante a rotao do eixo do motor, o volume do espao confinado entre as espirais continuamente reduzido. O processo de compresso finalizado quando o vapor atinge sua presso mxima e descarregado por uma abertura pequena posicionada no centro da espiral fixa. Os processos de admisso, compresso e descarga ocorrem simultaneamente durante uma rotao do eixo. As duas espirais mantm contato atravs de um filme de leo lubrificante para vedar a fuga de refrigerante e evitar o desgaste das peas. Tal caracterstica resultado de processos de fabricao de tecnologia avanada em mecnica de preciso. Os compressores scroll apresentam menos partes mveis do que os alternativos. Isto aumenta sua confiabilidade e eficincia, reduzindo de 5 a 10 % o consumo de energia. Alm disso, operam com menor vibrao e rudo. Atualmente, compressores scroll so usados em bombas de calor e unidades de refrigerao montadas em fbrica de at 60 TR (190 kW).

Figura 2.10 Elementos do compressor scroll e processos de admisso, compresso e descarga de gs refrigerante.

2.1.5 Compressores centrfugos

So compressores dinmicos tambm denominados turbocompressores. A Figura 2.11 mostra o corte longitudinal de um compressor centrfugo de dois estgios de compresso. O princpio de funcionamento semelhante ao das bombas centrfugas. O vapor aspirado axialmente (na direo do eixo) e forado atravs das palhetas do rotor. Durante o escoamento atravs dos rotores presso e velocidade aumentam. Depois do segundo estgio, o vapor descarregado na voluta, onde a velocidade diminui e a presso aumenta bastante, sendo ento descarregado. Nos compressores de refrigerao as palhetas do rotor podem ser curvadas para trs, usada nos projetos tradicionais, ou radiais, como acontece em muitos projetos modernos. As palhetas radiais produzem um aumento maior de presso, considerando a mesma velocidade do rotor, porm a carga no difusor bem maior. Nesses compressores, a vazo varia entre 0,03 e 15 m3/s, com rotao entre 1.800 e 90.000 r.p.m. Entretanto, a alta velocidade angular associada com vazo baixa determina uma capacidade mnima prtica. Por outro lado, o limite mximo determinado pelas dimenses fsicas do compressor, de modo que, para vazes da ordem de 15 m3/s o dimetro do rotor varia entre 1.800 e 2.100 mm. A temperatura de suco geralmente varia entre 100 e + 10C, com presses de suco entre 14 e 700 kPa e presso de descarga de at 2.100 kPa. As taxas de compresso ficam entre 2 e 30. Quase todos os refrigerantes podem ser usados.




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COMPRESSOR CENTRFUGO EM CHILLER

Figura 2.11 Corte longitudinal de um compressor centrfugo de 2 estgios.

2.1.7 Seleo de compressores

O compressor o equipamento do ciclo de refrigerao que mais consome energia e sua seleo correta influencia bastante os custos de aquisio e de operao do sistema. Os seguintes fatores devem ser considerados:

Eficincia do compressor. Relacionamse ao consumo de energia e, portanto, com o custo de operao do sistema. Capacidade de refrigerao e nmero de mquinas.

Se a carga trmica 2.000 TR instalar 10 resfriadores de 200 TR no conveniente: o custo elevado e h necessidade de uma grande rea disponvel para instalao. Em cargas de mdio porte instalar dois ou trs resfriadores o recomendado (considerar paradas para manuteno e reparos).

Temperaturas de evaporao e de condensao.

Condensadores a ar trabalham com maior presso. Usar condensao a gua ou evaporativa reduz a razo de compresso e aumenta a eficincia do compressor.

Controle de capacidade de refrigerao satisfatrio.

Economiza energia e melhora os controles de temperatura e a operao do sistema.

Ambiente onde ser instalado. Ao tempo? Atmosfera corrosiva? Meio externo de resfriamento. Necessita de gua? Confiabilidade. Em regra, um compressor com maior nmero de partes mveis menos confivel. Custos de aquisio e operao. Avaliados atravs de anlises de retorno de investimento (payback). Alm disso: graus de subresfriamento e superaquecimento, velocidade (rotao), tipo de refrigerante, caractersticas do motor eltrico, limites operacionais em carga mxima ou sem carga e tipo e forma construtiva tambm devem ser considerados.

A Tabela 2.1 compara vrios tipos de compressores, e pode ser usada como referncia na seleo de compressores de refrigerao.

Tabela 2.1 Comparao entre vrios tipos de compressores (Wang, 1992)

ALTERNATIVO PARAFUSO ROTATIVO SCROLL CENTRFUGO Capacidade de Refrigerao (TR)

< 200 50 a 1.500 Comercial < 4 Industrial < 150

At 60 10 a 10.000

Refrigerante usado HCFC-22 HFC-134a

HCFC-22 HFC-134a R-717

HCFC-22 HFC-134a R-717

HCFC-22 HCFC-123 HCFC-22 R-717

Razo de compresso (RC)

7 20 X X 4

Eficincia volumtrica 0,92 a 0,68 (RC = 1 a 7)

0,92 a 0,87 (RC = 2 a 10)

Alta Alta Alta

Eficincia do compressor

0,83 a 0,75 (RC = 4 a 7)

0,82 a 0,67 (RC = 4 a 10)

Mec = 0,87 (RC = 3 a 5)

5 a 10 % maior do que o alternativo

Nominal = 0,83 Carga parcial = 0,6

Controle de capacidade

On-Off Cilindro em vazio By-pass de gs

Vlvula deslizante By-pass de gs

X X Variar rotao;

Variar ngulos das palhetas de entrada

Confiabilidade Confivel Muito confivel Confivel Muito confivel Muito confivel Aplicao aos sistemas de refrigerao

Mdio e pequeno Grande e mdio Comercial (pequeno); Industrial (Mdio)

Pequeno Central Grande e Mdia; Sistemas

hidrnicos




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2.2 Condensadores

Os condensadores so utilizados no ciclo de refrigerao para proporcionar a transferncia de calor entre o refrigerante que condensa (muda de fase de vapor para lquido) e um fluido de resfriamento. Podem ser classificados em: resfriados a ar (fluido de resfriamento o ar atmosfrico), resfriados a gua (fluido de resfriamento a gua) ou evaporativos (combinao de ar e gua como fluidos de resfriamento).

2.2.1 Condensadores resfriados a ar

O refrigerante condensa dentro dos tubos e a corrente de ar que o resfria cruza transversalmente o banco de tubos em contato com a superfcie externa dos mesmos. Como o coeficiente de transferncia de calor muito maior no lado do refrigerante so usadas aletas no lado do ar para aumentar a rea de transferncia de calor. Vrios tipos de projeto esto disponveis sendo que o mais usual mostrado na Figura 2.12 Geralmente, os tubos so de cobre com dimetro entre 8 e 20 mm e as aletas de alumnio com espessura variando entre 0,12 a 0,20 mm com espaamento entre elas de 1,4 a 3,2 mm. O fluxo de ar fornecido por um ventilador axial ou um radial. Em refrigeradores domsticos o movimento do ar ocorre por conveco natural.

Figura 2.12 - Condensador de serpentina aletada resfriado a ar.

Unidades condensadoras so conjuntos montados em fbrica compostos de condensadores a ar ou gua, compressores hermticos ou semihermticos, ventiladores, depsitos de lquido e de dispositivos de segurana. Geralmente, so usadas em sistemas de refrigerao de pequeno e mdio porte, com tendncia de expanso de uso tambm em sistemas de grande porte. A Figura 2.13 mostra unidades condensadoras a ar de compressor aberto e hermtico.

(a) Compressor aberto.

(b) Compressor hermtico.

Figura 2.13 Unidades condensadoras resfriadas a ar.

2.2.2 Condensadores resfriados gua

Nesse caso, o fluido de resfriamento a gua, ou seja, o refrigerante rejeita calor para a gua que escoa atravs do condensador. Podem ser de trs tipos: cascotubos, cascoserpentina e tubos concntricos.




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Condensador de casco-tubos

A Figura 2.14 mostra o esquema dos fluxos de refrigerante e do fluido de resfriamento, nesse caso, a gua. O vapor refrigerante penetra por uma abertura no topo do casco e condensa na superfcie externa dos tubos por dentro dos quais escoa gua. O condensado drenado no fundo do casco para o tanque de lquido refrigerante. A gua penetra nos tubos numa das extremidades do condensador e passa uma ou mais vezes por toda a extenso dos tubos. Nesse caso, ocorre um passe nos tubos e um passe no casco. Com vrios passes nos tubos podemos aumentar a velocidade da gua para uma mesma vazo, a fim de aumentar o coeficiente global de transferncia de calor. Se o refrigerante a amnia (R717) o coeficiente de transferncia de calor no lado do vapor alto e da mesma ordem de grandeza do existente no lado da gua; quando um refrigerante clorofluorado (CFC12, HCFC22, etc.) o coeficiente de transferncia de calor no lado do vapor muito menor, e, nesse caso, as aletas so a instaladas para aumentar a transferncia de calor.

Figura 2.14 Esquema dos fluxos no condensador de casco-tubos resfriado gua.

A Figura 2.15 mostra detalhes construtivos identificando alguns elementos do condensador de casco-tubos. As tampas so parafusadas em flanges do casco e podem ser removidas para realizar a limpeza mecnica dos tubos, visto que nas superfcies internas dos mesmos ocorre formao de algas e depsitos da sujeira existente na gua de condensao (fluido de resfriamento), apesar de tratada. Para refrigerantes CFCs os tubos podem ser de cobre ou de bronze. Para amnia so obrigatoriamente de ao galvanizado.

Figura 2.15 Detalhes construtivos de um condensador cascotubos.

desejvel que a velocidade da gua seja a maior possvel para aumentar a transferncia de calor e inibir os depsitos da sujeira nas paredes dos tubos. Infelizmente, com metais maleveis como o cobre velocidade acima de 2 m/s provoca eroso nos tubos. Para o ao, velocidades maiores so aceitveis: entretanto, a perda de carga um fator que limita essa velocidade. Uma ateno especial deve ser dada drenagem do condensado da superfcie dos tubos j que a pelcula que se forma a principal resistncia ao fluxo de calor, e, por isso, no pode ser muito espessa. Para minimizar essa




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espessura os tubos so montados alternadamente a fim de reduzir o nmero de tubos na direo vertical, ou seja, no caminho de gotejamento do condensado. Os condensadores de cascotubos podem ser montados tambm na posio vertical, como mostra a Figura 2.16. Esse arranjo permite que os tubos sejam mecanicamente limpos, mesmo com o condensador em operao, atravs da tampa superior do casco. Essa uma vantagem operacional significativa sobre os condensadores horizontais. O refrigerante condensa na superfcie externa dos tubos enquanto a gua desce por dentro dos tubos desde o topo at o fundo. O coeficiente de transferncia de calor no to alto quanto nos condensadores horizontais, por causa da baixa velocidade da gua e da espessura da pelcula de condensado sobre a superfcie externa dos longos tubos verticais. Geralmente, o dimetro dos tubos maior do que nos condensadores horizontais e a velocidade da gua determinada pela acelerao da gravidade e pelo comprimento dos tubos.

Figura 2.16 Condensador de cascotubos na posio vertical.

Os condensadores de cascotubos so construdos com capacidade de 3 a 35.000 kW. Os tubos de cobre tm dimetro externo nominal entre 19 e 25 mm e possuem aletas no lado do vapor. A altura das aletas circulares varia de 0,9 a 1,5 mm com espaamentos de 1,33, 1,02 e 0,64 mm. Para condensadores de amnia so comuns tubos de ao com 32 mm de dimetro externo e 2,4 mm de espessura de parede. 3o se usa tubos de cobre com amnia.

Condensador de cascoserpentina

A Figura 2.17 mostra o seu esquema. A gua escoa por dentro dos tubos em forma de espiral e o refrigerante condensa na superfcie externa dos tubos no interior do casco. O refrigerante condensado acumulase no fundo do casco, de onde drenado, de modo que um visor posicionado para verificar o nvel de lquido. Em alguns casos a superfcie externa do tubo aletada para aumentar a rea de transferncia de calor entre a gua e o refrigerante, melhorando o desempenho do condensador. Os tubos nunca so substitudos e nem podem ser mecanicamente limpos em virtude do prprio arranjo construtivo. So construdos com capacidades de 2 a 50 kW.

Figura 2.17 Condensador de cascoserpentina.




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Condensador de tubos concntricos

Um tubo passa por dentro do outro de modo que seus eixos coincidam e um espao anular entre eles seja formado. A gua passa por dentro do tubo mais interno e o refrigerante escoa em contracorrente no espao anular entre os tubos a fim de se resfriado tambm pelo ar ambiente. A Figura 2.18 mostra o seu esquema. So fabricados com capacidades de 1 a 180 kW.

Figura 2.18 Condensador de tubos concntricos.

2.2.3 Condensador evaporativo

Em instalaes de mdio e grande porte a gua de resfriamento no pode ser simplesmente usada e descartada j que isso tornaria proibitivo o custo operacional da instalao. Sendo assim, essa gua deve ser reutilizada, ou seja, deve ser resfriada para retornar ao condensador. A torre de resfriamento4 o equipamento que viabiliza essa reutilizao. Na torre, a gua quente vinda do condensador colocada em contato direto com o ar atmosfrico sendo ento resfriada para retornar ao condensador. A Figura 2.19 mostra o esquema da torre de resfriamento. Os fluxos de ar e gua so em contracorrente e a gua pode ser resfriada at uma temperatura que um pouco maior (geralmente 3C) do que a temperatura de bulbo mido do ar atmosfrico na entrada da torre. O projeto do condensador evaporativo, ou atmosfrico, j incorpora algumas caractersticas das torres tais como o contato direto entre o ar e a gua para o resfriamento da ltima. A Figura 2.20 mostra o seu esquema. Uma serpentina, dentro da qual o vapor refrigerante condensa, molhada externamente por um esguicho de gua provocado pelos bicos de asperso sob a ao da bomba de recirculao de gua. A gua aspergida no topo escoa por gravidade e recolhida pela bacia coletora no fundo do condensador. Um ventilador movimenta o ar que penetra por aberturas situadas um pouco acima do nvel de gua da bacia coletora e sai pelo topo. Os fluxos de ar e de gua atravessam a serpentina em contracorrente e a gua resfriada a fim de aumentar a taxa de remoo de calor do refrigerante que escoa por dentro dos tubos. A troca de calor com a gua reduz a temperatura de condensao e aumenta a eficincia do ciclo de refrigerao. Uma vlvula de bia mantm o nvel na bacia coletora j que parte da gua aspergida evapora ou arrastada pela corrente de ar. Observase, comparando as Figuras 2.19 e 2.20, que o funcionamento da torre e do condensador evaporativo segue o mesmo princpio: resfriamento da gua por contato direto com o ar atmosfrico. O condensador evaporativo reduz a vazo de gua e o seu tratamento qumico com relao aos sistemas que usam torre. Comparado ao condensador resfriado a ar o evaporativo necessita de menor rea superficial da serpentina e menor vazo de ar para a mesma transferncia de calor. O condensador evaporativo opera em temperaturas de condensao inferiores ao resfriado a ar, visto que nesse ltimo essa temperatura limitada pela temperatura de bulbo seco do ar externo. J no evaporativo, a temperatura de condensao limitada pela temperatura de bulbo mido do ar externo, que normalmente cerca de 8 a 14C menor do que a de bulbo seco. Alm disso, os evaporativos operam em temperaturas de condensao inferiores aos resfriados a gua. Assim, a transferncia de calor entre o refrigerante e a gua de resfriamento e entre esta e o ar externo realizada com mais eficincia num equipamento compacto, reduzindo o aquecimento sensvel indesejvel da gua de resfriamento no circuito que liga o condensador torre. Considerando a mesma capacidade os condensadores evaporativos so mais compactos (de menor tamanho fsico) do que os resfriados a ar ou a gua.

4 Denominada tambm de torre de arrefecimento.




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Figura 2.19 Torre de resfriamento

Figura 2.20 Condensador evaporativo

2.3 Evaporadores

A funo do evaporador prover uma rea de troca de calor entre o refrigerante e a substncia resfriada com a maior eficincia possvel, e prevenir a entrada de refrigerante lquido na aspirao do compressor. O coeficiente de transferncia de calor no lquido cerca de 10 vezes maior do que no vapor. Portanto, o projeto do evaporador deve estabelecer condies para que o lquido permanea em contato com a superfcie de transferncia de calor e o vapor que se forma seja retirado to rpido quanto possvel. Para isso, so usadas trs configuraes de evaporadores mostradas esquematicamente na Figura 2.21.

Figura 2.21 Tipos de evaporadores usados em sistemas de refrigerao.

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