UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁINSTITUTO DE TECNOLOGIA

FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICASISTEMAS TÉRMICOS IPROFESSOR: ERALDO

CONDENSADOR

Felipe Ribeiro Teixeira - 201002140033

OUTUBRO/2014

1- INTRODUÇÃO

Os condensadores são trocadores de calor que desempenham o

papel de dissipar o calor que é absorvido pelo sistema em uso, neste

equipamento um dos fluídos é resfriado e condensa ao escoar através do

trocador.

Estes equipamentos são empregados como componentes de

sistemas térmicos nas mais variadas áreas, dentre estas se podem destacar:

a indústria de refrigeração e climatização, usinas termoelétricas e nucleares,

sistemas de turbina a vapor.

No caso de instalações domésticas, costumam ser empregados

condensadores a ar. Apesar de este sistema necessitar de uma maior

diferença de temperatura entre o fluído de trabalho e o ar externo do que o

sistema a água, o que o torna menos eficientes em termos energéticos, seu

projeto simples permite baixos custos de instalação e manutenção. Por esta

razão é grande a quantidade de condensadores a ar em instalações

residenciais de até 60.000 Btus e comerciais de até 600.000 Btus.

A seleção ideal deste equipamento é de extrema importância. Em

caso de seleção inadequada podem surgir consequências negativas para o

sistema como um todo, perda da capacidade de refrigeração devido o sistema

não atingir as temperaturas desejadas, é uma delas, uma vez que o trocador

não é capaz de dissipar o calor absorvido do sistema.

2- DESENVOLVIMENTO

2.1- Princípio de Funcionamento

O mecanismo funciona a partir da troca de calor entre o fluido de

trabalho e outro mais frio que realiza a absorvição de calor por convecção.

Para o caso de uma turbina a vapor, onde o tipo de condensador mais

comum é o de carcaça e tubo, a troca de calor ocorre com o fluido de trabalho

passando ao redor dos tubos do condensador e o mais frio passando pelas

tubulações, conforme o esquema da Figura -1.

Figura – 1. Esquema de troca de calor em um condensador

carcaça e tubo

2.2- Caracterização dos Condensadores

2.2.1- Condensadores resfriados a ar

O principio de funcionamento deste condensador é o mesmo, o que

difere basicamente este sistema é o arrefecimento com ar por meio de

convecção forçada.

Figura – 2. Condensadores resfriados a ar

Durante a seleção de condensadores resfriados a ar devem ser

levados em consideração diversos aspectos, tais como: consumo de energia,

instalação, disponibilidade, nível de ruído.

Grandes condensadores a ar também podem ser aplicados onde não

é econômica a utilização de sistemas resfriados a água, devido ao alto custo

ou indisponibilidade da água. A faixa de capacidades mais comum destes

condensadores fica entorno de 1 a 7 a 352 kW, porém é usual a sua

montagem em paralelo, atingindo capacidades bastante superiores.

Para um determinado compressor e para uma determinada

temperatura do ar de resfriamento que entra no condensador, aumenta-se a

pressão de condensação e diminui-se a capacidade frigorífica com a

diminuição do tamanho do condensador. Um aumento da temperatura do ar

de resfriamento também resulta nos mesmos efeitos acima, para um

determinado condensador.

De posse destas considerações, a temperatura de condensação deve

ser fixada em um valor entre 11 °C e 15 °C maior que a temperatura de bulbo

seco do ar que entra no condensador. De um ponto de vista econômico, o

valor ótimo da diferença entre a temperatura de condensação e a temperatura

do ar que deixa o condensador deve estar entre 3,5 e 5,5 °C.

Os condensadores a ar devem ser instalados elevados, com relação

ao nível do solo, para prevenir acumulação de sujeira sobre as serpentinas.

Deve-se sempre garantir que existam aberturas adequadas e livres de

qualquer obstrução para entrada de ar frio e para a saída do ar quente. As

entradas de ar devem ser localizadas longe do lado de descarga do ar para

evitar a aspiração de ar quente pelos ventiladores (curto-circuito do ar).

Devido à grande quantidade de ar manejada por estes

condensadores eles geralmente são bastante barulhentos. Assim, quando da

sua instalação devem ser levadas em consideração as normas locais, que

definem os níveis máximos de ruído permitidos.

2.2.2 – Condensadores resfriados a água

Com este tipo de condensador é essencial a limpeza periódica e

correto dimensionamento, nestas condições, estes conseguem operar de

forma mais eficiente que os condensadores resfriados a ar, especialmente em

períodos de elevada temperatura ambiente.

Comumente estes condensadores utilizam água proveniente de uma

torre de resfriamento, sendo que usualmente utiliza-se, para a condição de

projeto do sistema, o valor de 29,5 °C para a temperatura da água que deixa

a torre. A temperatura de condensação, por sua vez, deve ser fixada em um

valor entre 5,0 °C e 8,0 °C maior que a temperatura da água que entra no

condensador, isto é, da água que deixa a torre.

2.3 – Tipos de Condensadores Resfriados a Água

Três tipos de condensadores resfriados a água serão discutidos

abaixo, considerando suas características relacionadas às suas aplicações e

economia.

2.3.1 – Condensador duplo tubo

Este condensador consiste em dois tubos concêntricos com diâmetros

diferentes. O tubo por onde circula a água é o mais externo, já o fluído

frigorífico, por sua vez, circula em contracorrente no espaço anular formado

pelos dois tubos, sendo resfriado ao mesmo tempo pela água e pelo ar que

está em contato com a superfície externa do tubo por onde circula a água.

Estes condensadores são costumam ser empregados em unidades

de pequena capacidade, ou como condensadores auxiliares operando em

paralelo com condensadores a ar, geralmente em períodos de carga térmica

muito elevada. Estes condensadores possuem dificuldades na limpeza, uma

vez que não fornecem espaço suficiente para a separação de gás e líquido.

Figura – 3. Condensador duplo tubo

2.3.2 – Condensador carcaça e serpentina

Estes condensadores são compostos por um ou mais tubos,

enrolados em forma de serpentina, que ficam dispostos dentro de uma

carcaça fechada. O fluído a ser refrigerado circula pela carcaça, enquanto que

a água de arrefecimento flui pela serpentina.

A limpeza nestes condensadores é realizada por meio da

manipulação de produtos químicos, devido o difícil acesso para limpeza. Em

relação ao emprego, são usados em unidades de pequena e média

capacidade.

Figura – 4. Condensador carcaça e serpentina

2.3.3 – Condensador carcaça e tubo

Condensadores carcaça e tubo são formados por uma carcaça

cilíndrica, nesta é instalada uma determinada quantidade de tubos horizontais

e paralelos, conectados a duas placas dispostas em ambas as extremidades.

O fluído de resfriamento circula entre as tubulações, enquanto que a água de

resfriamento escoa dentro das tubulações. Dispõem de fácil limpeza e

manutenção, sendo amplamente utilizados em pequenos e grandes sistemas

de refrigeração.

Figura – 5. Condensador carcaça e tubo

Como parâmetros operacionais para este condensador, deve-se

manter a velocidade da água na ordem de 1 a 2 m/s, a vazão entre 0,1 e 0,15

L/s por tonelada de refrigeração. Tal fluxo de água deve ser distribuído entre

os tubos, de modo a não exceder as velocidades indicadas.

Abaixo, são listadas uma série de fatores que, segundo PIRANI,

afetam os custos iniciais e operacionais do sistema para este condensador.

a) Aumentando-se o tamanho de um condensador, aumenta-se a

eficiência do compressor, mas ao mesmo tempo o seu custo inicial também

aumentará.

b) Aumentando o fluxo de água de resfriamento aumenta-se a

capacidade de condensador, porém também aumenta-se o custo de

bombeamento da água e o seu consumo.

c) Reduzindo-se o diâmetro da carcaça e aumentando-se o

comprimento dos tubos reduz-se o custo inicial do condensador, mas

aumenta-se a perda de carga no circuito de água.

d) O fator incrustação (fouling factor), que está associado a uma

resistência térmica adicional devido à formação de incrustações, depende da

qualidade de água. Geralmente, para condensadores novos que operarão

com água de boa qualidade, considera-se um fator de incrustação da ordem

de 0,000044 m2.°C/W (0.00025 h.ft2.ºF/Btu).

2.3.4 – Condensador de placas

Condensadores de placa são constituídos de placas de pequena

espessura, de 0,4 a 0,8 mm, estas ficam dispostas paralelamente umas as

outras com um afastamento que varia de 1,5 a 3 mmm. O fluído frigorífico e a

água de resfriamento circulam entre os espaços alternados das placas

realizando a condensação.

Figura – 6. Condensador de placas

2.4 – Parâmetros Operacionais dos Condensadores

2.4.1 – Natureza dos fluidos

O tipo de fluído que circula em um condensador constitui um fator

fundamental no seu estudo. A condutividade térmica, a densidade, a

viscosidade e o calor específico são as propriedades dos fluídos de maior

interesse durante a transferência de calor, uma vez que estas influenciam

decisivamente no desempenho de um trocador de calor.

2.4.2 – Temperaturas de operação

As temperaturas de entrada e saída do fluído de arrefecimento no

condensador, denominadas de temperaturas de terminais, dependem das

características do sistema e do próprio condensador.

Como de esperado, estas temperaturas são responsáveis por

determinar o potencial térmico durante a troca de calor. Durante o projeto do

condensador deve ser especificada, além do valor nominal desejado, a faixa

de temperatura dentro da qual o valor pode variar sem prejuízos ao processo,

daí se reflete a importância nos aspectos de operação, instrumentação e

controle do processo.

2.4.3 – Pressões de operação

Como o condensador é sempre inserido como um componente do

processo, as pressões dos fluído de arrefecimento também dependem do

resto do sistema. Por exemplo, em casos onde a água é utilizada com fluído

de resfriamento, a pressão de operação tem de ser alta para promover a

condensação de determinados fluidos.

Já para um condensador tipo placas a pressão de operação não pode

se exceder demais, por conta da resistência mecânica estrutural das placas e

das vedações entre as mesmas. Em situações com pressões muito elevadas,

deve-se consultar normas específicas ao assunto, obviamente, a espessura

da parede deverá ser naturalmente maior e procedimentos de segurança

deverão ser previstos.

Outro aspecto bastante interessante sobre a pressão diz respeito à

contaminação dos fluidos em caso de acidente de ruptura dos tubos. Em

casos onde, por motivos de processo ou de segurança, é preferível que o

fluido A seja contaminado pelo fluido B e não vice-versa, então se opera com

uma pressão maior no lado do fluido B do que a do A. Assim, em caso de

vazamento pelos tubos, o fluido B, que tem pressão maior, passa para o lado

do fluido A e não o oposto.

2.4.4 – Velocidade de escoamento

A velocidade de escoamento influi em quatro aspectos fundamentais:

a eficiência de troca térmica, a perda de carga, a erosão e o depósito de

sujeira. Quanto maior a velocidade de escoamento do fluido, maior a

intensidade de turbulência criada e melhor deve ser o coeficiente de

transporte de energia. Consequentemente, a área da tubulação necessária

para uma dada carga térmica será menor. Nesse aspecto, é desejável que a

velocidade de escoamento seja alta.

No entanto, essa turbulência intensa também implica atrito maior e

uma perda de carga maior, podendo até ultrapassar valores máximos

admissíveis. Nesse aspecto, é imposta uma limitação à velocidade de

escoamento.

Além desses dois pontos, a velocidade de escoamento está ligada à

erosão e ao depósito de sólidos. Uma velocidade muito pequena pode

favorecer o depósito de sujeira e a dificuldade da sua remoção. Por

conseguinte, uma velocidade exagerada pode acarretar uma erosão intensa.

Desta forma surge, novamente, a necessidade de limitação da velocidade de

escoamento.

2.4.5 – Perda de carga admissível

A queda de pressão entre a entrada e a saída é conhecida como

perda de carga. O valor desta perda é estipulado para o fluido de

arrefecimento e para o processo.

Uma perda de carga excessiva representa um consumo operacional

de energia elevado, devendo portanto ser evitada. Não se deve esquecer que

o condensador é um componente de uma unidade de processo. Assim o

fluido que sai dele, vai passar ainda por tubulações e outros equipamentos,

com suas respectivas perdas de carga. Desta forma, na saída do

condensador, o fluido precisa ter ainda uma pressão suficiente para vencer as

perdas posteriores.

2.4.6 – Fator de sujeira

O depósito de materiais indesejáveis na superfície interna ou externa

do condensador pode aumentar a resistência à transferência térmica,

diminuindo a eficiência e podendo até obstruir a passagem do fluido,

ocasionando em perda de carga.

Para determinar o grau de depósito no condensador em operação

deve-se acompanhar, ao longo do tempo, as temperaturas e as pressões

terminais. Isto por que a medida que o depósito aumenta, a eficiência de troca

térmica cai ,observado através das temperaturas, e a diferença de pressões

cresce.

O processo de formação do depósito é em geral complexo. Pode ser

devido à sedimentação, à polimerização, à cristalização, à corrosão, ou a

causas de natureza orgânica (como algas).

A taxa de depósito é afetada pelas condições de processo, tais como:

natureza dos fluidos, velocidade de escoamento, as temperaturas dos fluidos,

a temperatura na parede, o material de construção do equipamento, o grau de

acabamento da superfície como a rugosidade ou tipo de revestimento interno.

3 – ESTUDO DE CASO

Para o estudo de caso será abordada a aplicação do condensador em

uma usina termoelétrica da Furnas, mais precisamente na usina de Santa

Cruz. A usina termoelétrica é uma instalação industrial que produz energia

pela queima de combustíveis fósseis ou por outras fontes de calor.

A Usina de Santa Cruz tem capacidade instalada de 932 MW,

distribuídos por quatro unidades geradoras a vapor e duas unidades

geradoras a gás. Sua construção, iniciada na década de 60, foi fundamental

para a interligação do sistema elétrico do Rio de Janeiro às demais regiões do

País. Localizada à margem direita do Canal de São Francisco, na região do

Pólo Industrial de Santa Cruz (RJ), a usina participa, em conjunto com outras

importantes unidades industriais, do progresso da região e do País.

Figura – 7. Usina térmica de Santa Cruz

O processo de produção é dividido basicamente em três etapas. A

primeira etapa consiste na queima de um combustível fóssil, como carvão,

óleo ou gás, transformando a água da caldeira em vapor com o calor gerado

nela. A segunda consiste na utilização deste vapor, em alta pressão, para

girar a turbina, que por sua vez, aciona o gerador elétrico. Na terceira etapa, o

vapor é condensado, transferindo o resíduo de sua energia térmica para um

circuito independente de refrigeração, retornando a água à caldeira,

completando o ciclo.

Figura – 8. Esquema de funcionamento de uma usina

termoelétrica

Como fluido de arrefecimento é utilizada a água armazenada em torres que, no final do processo, é enviada em forma de vapor a atmosfera. A seguir estão dispostos os dados técnicos dos dois modelos de condensadores utilizados na usina.

Tabela – 1. Dados técnicos dos condensadores de Santa Cruz

Fabricante Westinghouse Electric Corporation (EUA)

Foster Wheeler Corporation

Superfície 62500 ft^2 110.000 ft^2

Tipo Condensador de Superfície - passe

Condensador de Superfície - passe 

Tubos cobre - níquel 70-30 e latão de alumínio

cobre - níquel 70-30 e latão de alumínio

Figura – 9. Condensador de superfície da Foster Wheeler

Note que apesar da denominação de superfície, este corresponde ao

tradicional condensador tipo carcaça e tubo.

4 – CONCLUSÃO

Contudo, pode-se perceber a importância do condensador em relação

à eficiência e segurança para as unidades de processo. Deste modo, se

enaltece a grande quantidade de critérios a serem considerados para uma

seleção e dimensionamento do trocador de calor.

Durante o estudo, observa-se como equipamentos de instrumentação

simples, como manômetros e termômetros, podem ser decisivos para o

controle do processo, logo, estes devem ser submetidos a procedimentos de

calibração periodicamente com intuito de garantir a confiabilidade, segurança

e eficiência do sistema.

5 – REFERÊNCIAS

STOECKER, W. F. JONES, J. W. Refrigeração e Ar Condicionado. Ed.

Mc Graw Hill, 1985.

PIRANI, M. J. Apostila: Refrigeração e Ar Condicionado. UFBA,

Departamento de Engenharia Mecânica.

ÇENGEL, Y. A. Transferência de Calor e Massa. Ed. Mc Graw Hill, 2009.

SONG, T. W. Condições de Processo num Trocador de Calor. EPUSP-

E.E. Mauá.

http://www.fwc.com/What-We-Do/Power/Auxiliary-Equipment/

Condensers.aspx

http://www.sermasa.com.br/pt/sistemas_condesacao

http://www.furnas.com.br