UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO … · Miranda, Silas Ferreira Tavares Martins....
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA SILAS FERREIRA TAVARES MARTINS MIRANDA ANÁLISE TERMODINÂMICA DE UM REFRIGERADOR FUNCIONANDO COM DIFERENTES FLUIDOS REFRIGERANTES SINTÉTICOS NATAL 2017
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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
SILAS FERREIRA TAVARES MARTINS MIRANDA
ANÁLISE TERMODINÂMICA DE UM REFRIGERADOR FUNCIONANDO COM
DIFERENTES FLUIDOS REFRIGERANTES SINTÉTICOS
NATAL
2017
SILAS FERREIRA TAVARES MARTINS MIRANDA
ANÁLISE TERMODINÂMICA DE UM REFRIGERADOR FUNCIONANDO COM
DIFERENTES FLUIDOS REFRIGERANTES SINTÉTICOS
Dissertação apresentada ao programa de pós-
graduação em Engenharia Mecânica, do Centro
de Tecnologia, da Universidade Federal do Rio
Grande do Norte, como parte dos requisitos
para obtenção do título de Mestre em
Engenharia Mecânica.
Orientador: Prof. Dr. Cleiton Rubens
Formiga Barbosa.
Co-orientador: Dr. Francisco de Assis
Oliveira Fontes.
NATAL
2017
SILAS FERREIRA TAVARES MARTINS MIRANDA
ANÁLISE TERMODINÂMICA DE UM REFRIGERADOR FUNCIONANDO COM
DIFERENTES FLUIDOS REFRIGERANTES SINTÉTICOS
Dissertação apresentada ao curso de Mestrado do Departamento de Engenharia
Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, como requisito parcial para obtenção
do grau de Mestre.
Aprovada em ____/____/2017.
BANCA EXAMINADORA
_____________________________________________________
Prof. Dr. Cleiton Rubens Formiga Barbosa.
Orientador
(UFRN)
_____________________________________________________
Prof. Dr. Francisco de Assis Oliveira Fontes.
Co-orientador
(UFRN)
_____________________________________________________
Prof. Dr. Lúcio Ângelo Oliveira Fontes
Examinador
(UFRN)
_____________________________________________________
Dr. Elierton Evangelista Das Neves
Examinador externo
(PETROBRÁS)
Universidade Federal do Rio Grande do Norte – UFRN
Sistema de Bibliotecas – SISBI
Catalogação da Publicação na Fonte - Biblioteca Central Zila Mamede
Miranda, Silas Ferreira Tavares Martins.
Análise termodinâmica de um refrigerador funcionando com diferentes
fluidos refrigerantes sintéticos / Silas Ferreira Tavares Martins Miranda. -
2017.
52 f. : il.
Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte,
Centro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia
Mecânica. Natal, RN, 2017.
Orientador: Prof. Dr. Cleiton Rubens Formiga Barbosa.
Coorientador: Prof. Dr. Francisco de Assis Oliveira Fontes.
1. Refrigeração - Dissertação. 2. Coeficiente de performance -
Dissertação. 3. R22 - Dissertação. 4. R437a - Dissertação. I. Barbosa,
Cleiton Rubens Formiga. II. Fontes, Francisco de Assis Oliveira. III.
Título.
RN/UFRN/BCZM CDU 697.971
Dedico esta obra a toda a minha família.
AGRADECIMENTOS
O trabalho desenvolvido nesta dissertação só teve sua realização possível graças à
colaboração de pessoas que disponibilizaram seu tempo, conhecimento e experiência para
apoiar este projeto de mestrado, de modo que a elas manifesto os meus agradecimentos.
Ao Professor Dr. Cleiton Rubens Formiga Barbosa, pela orientação e apoio científico e
suas valiosas críticas, que permitiram a realização da presente dissertação.
Ao Professor, Dr. Francisco de Assis Oliveira Fontes, pela co-orientação, contribuição
e incentivo à pesquisa e pela total disponibilidade demonstrada ao longo deste trabalho.
Aos professores do Departamento de Mecânica, que contribuíram com a minha
formação acadêmica.
Aos técnicos do laboratório, Manoel da Silva Neto e Arivaldo Alves Déleo, pela atenção
e ajuda na realização dos experimentos deste trabalho, bem como à equipe do laboratório de
metrologia pelo incentivo.
Ao Secretário Luiz Henrique, pela paciência e dedicação dispensadas aos alunos do
PPGEM/UFRN.
Agradeço a todos da minha família.
A todos os meus amigos do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da
Universidade Federal do Rio Grande do Norte (PPGEM/UFRN), pela compreensão, incentivo
e encorajamento para continuar a minha formação.
“A todas essas experiências dolorosamente
sinceras soma-se a física moderna que, com o
princípio da incerteza de Heisenberg prova
que nós, fundamentalmente, não estamos
jamais em condições de perceber
objetivamente porque o observador subjetivo
sempre participa do processo de percepção.
Devemos reconhecer o quanto nossa visão é
relativa e quão facilmente ela pode ser
induzida ao engano. A percepção é o modelo
de toda medição científica, mas, assim como
esta, está sempre baseada em comparações e
é, portanto, relativa. ”
Autor desconhecido
“Gostaria que minhas palavras fossem
escritas e gravadas numa inscrição com
ponteiro de ferro e com chumbo, cravados na
rocha para sempre. ”
Jó (19, 23-24).
RESUMO
O presente trabalho tem como objetivo avaliar o desempenho de um sistema de
refrigeração por compressão de vapor utilizando diferentes fluidos refrigerantes sintéticos.
Depois do sucesso na aplicação do Protocolo de Montreal, que culminou na eliminação dos
CFCs (clorofluorcarbonetos) que tinha alto potencial de destruição da camada de ozônio, nos
últimos anos foi constatado que os HCFCs que surgiram com excelente alternativa aos CFCs
também prejudicam o meio ambiente, sua liberação para atmosfera contribui para o efeito estufa
causando o aquecimento global. Por isso o governo brasileiro elaborou um Programa de
Eliminação dos HCFCs (hidroclorofluorcarbonos), este programa está voltado principalmente
para eliminação do consumo do HCFC-22 (R22), que é um dos fluidos refrigerantes mais
utilizado nos sistemas de refrigeração e ar condicionado. Neste contexto, o presente trabalho
pretende fazer estudo termodinâmico comparativo entre dois fluidos refrigerantes sintéticos o
R-22 e o R437a. O refrigerador funcionando com R437 foi submetido a testes abaixamento de
temperatura conforme norma ABNT para diferentes cargas térmicas no evaporador. Os
resultados obtidos foram comparados com o refrigerador funcionando com R22 para as mesmas
cargas térmicas e revelam que a performance do refrigerador com o R22 é superior ao R437a.
Palavras-chave: Refrigeração, coeficiente de performance, R22, R437a.
ABSTRACT
The objective of this work is to evaluate the performance of a steam compression
refrigeration system using different synthetic refrigerant fluids. Following the successful
implementation of the Montreal Protocol, which culminated in the elimination of CFCs
(chlorofluorocarbons) which had a high potential for destruction of the ozone layer, it has been
found in recent years that the HCFCs that have emerged as an excellent alternative to CFCs
also harm the environment , its release into the atmosphere contributes to the greenhouse effect
causing global warming. For this reason, the Brazilian government has developed a Program
for the Elimination of HCFCs (hydrochlorofluorocarbons). This program is mainly aimed at
eliminating the consumption of HCFC-22 (R22), which is one of the refrigerants used in
refrigeration and air conditioning systems. In this context, the present work intends to make a
comparative thermodynamic study between two synthetic refrigerant fluids R-22 and R437a.
The refrigerator running on R437 was subjected to temperature lowering tests according to
ABNT standard for different thermal loads on the evaporator. The results obtained were
compared with the refrigerator running on R22 for the same thermal loads and show that the
performance of the refrigerator with R22 is higher than R437a.
Keywords: Refrigeration, performance coefficient, R22, R437a.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Produção anual de flurocarbonetos .......................................................................... 13
Figura 2 - Diagramas frigorífico e T-s do ciclo de Carnot reverso ........................................... 19
Figura 3 - Diagramas frigorífico e T-s do ciclo ideal de refrigeração ...................................... 20
Figura 4 - Diagrama P-h de um ciclo ideal de refrigeração...................................................... 22
Figura 5 - Diagramas frigorífico e T-s do ciclo real de refrigeração ........................................ 23
Figura 6 - Câmara Frigorifica Didática .................................................................................... 25
Figura 7 - Painel de controle..................................................................................................... 26
Figura 8 - Compressor .............................................................................................................. 26
Figura 9 - Condensador ............................................................................................................ 27
Figura 10 - Reservatório de liquido .......................................................................................... 27
Figura 11 - Filtro secador ......................................................................................................... 28
Figura 12 - Visor de líquido ...................................................................................................... 28
Figura 13 - Pressostato de alta e baixa ..................................................................................... 29
Figura 14 - Manômetros de alta e baixa ................................................................................... 29
Figura 15 - Válvula de expansão .............................................................................................. 30
Figura 16 - Evaporador ............................................................................................................. 30
Figura 18 - Resistência de degelo ............................................................................................. 31
Figura 17 – Potenciômetro de ajuste do degêlo ........................................................................ 31
Figura 19 - Termopar digital ..................................................................................................... 32
Figura 20 - Wattímetro Minipa ET-4090 .................................................................................. 33
Figura 21 - Bomba de vácuo..................................................................................................... 34
Figura 22 - Balança digital ....................................................................................................... 34
Figura 23 - Conjunto manifold ................................................................................................. 35
Figura 24 - Diagrama esquemático de medição ....................................................................... 35
Figura 25 - Posicionamento do wattímetro............................................................................... 36
Figura 26 - Perfis de temperatura do refrigerador com R22 e sem carga térmica .................... 39
Figura 27 - Perfis de temperatura do refrigerador com R437a e sem carga térmica ................ 39
Figura 28 – Perfis de temperatura da câmara fria sem carga térmica ....................................... 40
Figura 29 - Perfis de temperatura do refrigerador com R22 e carga térmica 60 watts ............. 41
Figura 30 - Perfis de temperatura do refrigerador com R437a e carga térmica 60 watts ......... 41
Figura 31 - Perfis de temperatura da câmara fria com carga térmica 60 watts ........................ 42
Figura 32 - Perfis de temperatura do refrigerador com R22 e carga térmica 110 watts ........... 43
Figura 33 - Perfis de temperatura do refrigerador com R437a e carga térmica 110 watts ....... 43
Figure 34 - Perfis de temperatura da câmara fria com carga térmica 110 watts ....................... 44
Figura 35 - Perfis de temperatura de descarga do compressor sem carga térmica ................... 45
Figura 36 - Corrente elétrica consumida sem carga térmica .................................................... 45
Figura 37 - Corrente elétrica consumida com carga térmica 60 watts ..................................... 46
Figura 38 - Corrente elétrica consumida durante com carga térmica 110 watts....................... 46
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Efeito no meio ambiente dos fluidos refrigerantes .................................................. 14
Tabela 2 - Cronograma de eliminação dos HCFCs .................................................................. 15
Tabela 3 - Programa Brasileiro de Eliminação dos HCFCs ..................................................... 15
Tabela 4 - Localização dos sensores de temperatura ................................................................ 32
Tabela 5 - Pressões durante os ensaios ..................................................................................... 47
Tabela 6 - Parâmetros do R22 ................................................................................................... 48
Tabela 7 - Parâmetros do R437a ............................................................................................... 48
LISTA DE SÍMBOLOS
Descrição Unidades
COP Coeficiente de performance [Adm.]
EF Efeito frigorífico [kJ/kg]
h1 Entalpia específica na sucção do compressor [kJ/kg]
h2 Entalpia específica na entrada do condensador [kJ/kg]
h3 Entalpia específica na entrada da válvula de expansão [kJ/kg]
h4 Entalpia na entrada do evaporador [kJ/kg]
I Corrente elétrica no motor do compressor [Α]
P1, P2 Pressão [KPa]
Qc Capacidade de rejeição de calor pelo condensador [J/K]
Qo Capacidade frigorífica [J/K]
Rt Resistência elétrica total [Ω]
S Entropia do sistema [J/kg]
Tc Temperatura do condensador [K]
To
T1,T2...Tn
Temperatura do evaporador
Temperatura
[K]
𝒕𝑹 Tempo de resfriamento [s]
V Tensão elétrica no motor do compressor [V]
Vf Vazão do fluido refrigerante [kg/s]
Wc Potência teórica do compressor [W]
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................... 13
2 REVISÃO BIBLIOGRAFICA .............................................................................................. 17
3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ......................................................................................... 19
3.1 Ciclo de refrigeração de Carnot reverso ......................................................................... 19
3.2 Ciclo ideal de refrigeração por compressão de vapor..................................................... 20
3.3 Ciclo real de refrigeração por compressão de vapor ...................................................... 22
3.4 Coeficiente de performance ............................................................................................ 24
4 MATERIAIS E MÉTODOS .................................................................................................. 25
4.l Descrição da bancada experimental ................................................................................ 25
4.2 Instrumentação................................................................................................................ 32
4.2.1 Procedimentos de medição .......................................................................................... 35
4.3 Procedimentos e normas dos ensaios ................................................................................. 37
5 RESULTADOS OBTIDOS ...................................................................................................... 39
5.1 Perfis de temperatura do refrigerador com carga térmica em vazio..................................... 39
5.1.2 Perfis de temperatura do refrigerador com carga térmica de 60 watts .......................... 40
5.1.3 Perfil das temperaturas nos ensaios com carga 110 watts (R22 e R437a) ..................... 42
5.2 Corrente elétrica consumida durante os ensaios ................................................................. 45
5.3 Parâmetros de avaliação do desempenho do sistema de refrigeração .................................. 47
6 CONCLUSÕES ...................................................................................................................... 49
7 REFERÊNCIAS ...................................................................................................................... 50
1 INTRODUÇÃO
A refrigeração consiste na transferência de calor de um ambiente de temperatura baixa
para outro de temperatura mais alta. Os dispositivos que produzem refrigeração são denomina-
dos de refrigeradores e os ciclos em que operam são chamados de ciclos de refrigeração. O
ciclo de refrigeração mais frequentemente utilizado é o de refrigeração por compressão de va-
por, no qual o fluido refrigerante é vaporizado e condensado alternadamente e é comprimido
na fase de vapor.
Até a década de trinta segundo Riffat S.B. et al. (1996), a amônia tinha grande aplicação
como fluido refrigerante em refrigeradores e sistemas de ar condicionado. Mas devido a sua
toxicidade e inflamabilidade, esse refrigerante natural foi gradualmente sendo substituído pelos
refrigerantes sintéticos como os clorofluorcarbonetos (CFCs) e os hidrofluorocarbonetos
(HCFCs) que eram vistos na época, como a melhor alternativa em substituição para a amônia.
Com a descoberta dos efeitos negativos dos CFCs e HCFCs ao meio ambiente, em es-
pecial à degradação da camada de ozônio (ODP), a produção dos refrigerantes sintéticos foi
drasticamente reduzida em razão do Protocolo de Montreal (1987) que delimitou para os países
signatários o fim da produção dos CFCs para o final de 1995 e os HCFCs para final de 2030. A
Figura 1 apresenta a produção dos refrigerantes sintéticos CFCs e HCFCs no período de 1980
a 2006. A Tabela 1 mostra o impacto no meio ambiente de diferentes fluidos refrigerantes.
Figura 1 - Produção anual de flurocarbonetos
Fonte: Riffat.S.B. et al. 1996
Tabela 1 - Efeito no meio ambiente dos fluidos refrigerantes
Composição do
grupo
Refrigerante ODP GWP (100 anos de
horizonte)
Grupo de
segurança
CFCs R11 1 4750 A1
R12 1 10900 A1
R13 1 14400 A1
R114 1 10000 A1
R502 0,33 4600 A1
HCFCs R22 0,55 1800 A1
R123 0,02 77 B1
R124 0,22 609 A1
R142b 0,65 2310 B1
HFCs R134a 0 1430 A1
R152a 0 124 A2
R125 0 3500 A1
R143a 0 4470 A2
R32 0 675 A2L
R437a 0 1805 A1
Fluidos Naturais R600a 0 3 A3
R290 0 3 A3
R717 0 0 B2
R744 0 1 A1
R718 0 1 A1
Fonte: Adaptado da revista fluidos refrigerantes naturais em refrigeração
Depois do sucesso na aplicação do Protocolo de Montreal, que culminou na eliminação
dos CFCs, em 2007, o Protocolo de Montreal entrou para novo processo, a eliminação da pro-
dução e do consumo dos HCFCs, devido ao seu ODP, e também seu alto GWP.
De acordo com o Protocolo de Montreal os países signatários em desenvolvimento (Bra-
sil) se comprometeram a cumprir um cronograma de eliminação dos HCFCs apresentada na
tabela 2.
Tabela 2 - Cronograma de eliminação dos HCFCs
Fonte: Revista boas práticas de refrigeração 2015
No Brasil foi implantado o Programa Brasileiro de Eliminação dos HCFCs (PBH), com
a finalidade de cumprir o Protocolo de Montreal. Neste programa foram definidas as estratégias
de controle, redução e eliminação dos HCFCs, distribuídos em 3 etapas que são apresentadas
na tabela 3.
Tabela 3 - Programa Brasileiro de Eliminação dos HCFCs
Fonte: Revista boas práticas de refrigeração 2015
Dentre os HCFCs que estão sendo eliminadas do mercado, destaca-se o R22 que é uti-
lizado em larga escala como fluido refrigerante nos sistemas de refrigeração e ar condicionado
e o R-141b que tem aplicação como fluido para limpeza de instalações frigoríficas . Segundo o
Ministério do Meio Ambiente, em 2007 o consumo dos HCFCs no Brasil foi de 1.545,2 tone-
ladas em ODP. Deste número 53,8% corresponde ao uso do R22 e 45,1% ao uso do R-141b.
Daí, encontrar uma alternativa para o R22 para novos projetos de refrigeração ou para drop in
em sistemas de refrigeração já existentes, foi de suma importância.
Os refrigerantes hidrocarbonetos fazem parte do grupo de refrigerantes naturais e são
uma alternativa para substituição do R22. Os hidrocarbonetos apresentam boas propriedades
termodinâmicas, no entanto, a sua inflamabilidade é um problema que deve ser superado. A
inflamabilidade de um fluido refrigerante é classificada segundo a norma ASHRAE 34 em três
classes: classe 1 - sem propagação de chama, 2 - baixa flamabilidade e 3 - alta flamabilidade.
Dentro dessa classificação os hidrocarbonetos são considerados como classe 3.
Nesse contexto, os HCFs podem ser uma boa alternativa uma vez que apresentam zero
ODP e baixo GWP e ainda apresentam menor tempo de vida útil na atmosfera.
O presente estudo tem como finalidade a análise experimental comparativa da perfor-
mance de um refrigerador funcionando o R-22 ou o R437a.
2 REVISÃO BIBLIOGRAFICA
Nascimento (2014), comparou a performance entre R134a e R437a, em uma bancada
que simula as condições térmicas em um condicionador de ar automotivo. Avaliou pressões de
alta e baixa, temperatura nas entradas e saídas de evaporador e condensador, bem como umi-
dade e temperatura do ambiente. Os testes foram realizados com compressor em 800, 1600 e
2400 RPM. Utilizou massa de fluído de 500 g, recomendado pelo fabricante. Verificou que com
o aumento da rotação do compressor o COP reduzia, para ambos os fluidos. Para rotação de
800 no refrigerante R437a obteve o maior COP, com valor de 6,5.
Duarte (2013) estudou a substituição do fluido R-409a pelo refrigerante R-437a em uma
unidade de refrigeração por compressão de vapor. Avaliou o comportamento de ambos os flui-
dos para perceber a relevância da substituição. Constatou que os refrigerantes, para as condições
ensaiadas, apresentavam desempenhos energéticos equivalentes, viabilizando tecnicamente a
substituição desses refrigerantes.
Nascimento (2014) avaliou as condições de utilização do gás R134a variando a veloci-
dade no eletro-ventilador do condensador na bancada de climatização automotiva ATR600.
Com os dados adquiridos de pressões de alta e baixa e temperaturas de entrada e saída do eva-
porador e condensador observou que na rotação de 800 RPM, obteve melhor desempenho em
seu sistema. Também realizou simulações com o fluido R437a, obtendo o melhores resultados
nas mesmas condições do R134a.
Almeida (2010) apud Maclaine-cross & Leonardi (1995) investigou a eficácia e segu-
rança do gás liquefeito de petróleo (GLP) como fluido refrigerante. Realizou um estudo sobre
refrigerantes alternativos e identificou que na Alemanha os refrigeradores que usavam GLP
tinham cerca de 20% de redução no consumo de energia, comparados ao R12, R22 ou R134a.
Nos Estados Unidos, o refrigerante GLP foi utilizado com sucesso em ar condicionado auto-
motivo, em substituição aos refrigerantes R12 e R134a.
Dern (2005) apud Paz Alegrias (2010) estudou na última década a explosão tecnológica
de computadores, acompanhando os microchips e controladores lógicos programáveis (PLC).
Ele observou que vários fabricantes de componentes de refrigeração introduziram uma alterna-
tiva para as válvulas de expansão termostáticas (TEV). As válvulas de expansão eletrônicas
(EEV) são versões elétricas das válvulas (TEV), pois a força motriz que abre ou fecha o orifício
de passagem é de natureza elétrica. As válvulas (EEV) permitem um controle eletrônico da
abertura de passagem e consequentemente do grau de superaquecimento na saída do evapora-
dor, o que reduz as instabilidades no controle dessa variável. Além disso, essas válvulas res-
pondem mais rapidamente a variações nas condições de operação do sistema.
Peixoto et al. (2000) estudaram o desempenho de um refrigerador trabalhando com
R600a como alternativa ao R134a. Foi relatado que teve uma redução de cerca de 13% em
energia de consumo e também uma melhoria correspondente no COP (coeficiente de perfor-
mance). A taxa de energia requerida para R600a foi cerca de 50% menor que o R134a.
Maclaine-cross, I.L., (2004) investigou o uso e o risco da mistura do refrigerante
R290/R600a para motor de carros na Austrália e Estados Unidos. Seus estudos relataram que a
mistura R290/R600a tem baixo impacto ambiental, mas misturado com o ar irá formar uma
mistura inflamável. Não se teve conhecimento de nenhum acidente desse tipo no período de
1993 até meados de 2003, nos dois países acima referidos.
Segundo Boeng (2012), a carga ótima de refrigerante não depende da temperatura
ambiente ou da fração de funcionamento do compressor, e mais, uma carga de refrigerante
insuficiente gera um grau de superaquecimento excessivo na entrada do compressor, o que
diminui o coeficiente de desempenho. Por outro lado, uma carga de refrigerante excessiva reduz
a área efetiva de condensação, o que eleva a pressão de condensação e também reduz o
coeficiente de desempenho.
3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Os dispositivos que promovem refrigeração são denominados de refrigeradores e eles
funcionam em ciclos de refrigeração. O ciclo de refrigeração mais comumente utilizado na atu-
alidade é o ciclo de refrigeração por compressão a vapor, no qual o fluido refrigerante é con-
densado e vaporizado alternadamente e é comprimido na fase de vapor.
Neste capítulo são apresentados os ciclos teóricos e práticos representativos do ciclo de
refrigeração por compressão de vapor, objeto da presente pesquisa. Na descrição de cada ciclo,
são apresentados os processos termodinâmicos, os diagramas (T-s) ou (P-h) e o coeficiente de
performance (COP).
3.1 Ciclo de refrigeração de Carnot reverso
O ciclo de refrigeração de Carnot reverso é constituindo por processos totalmente re-
versíveis, sendo considerado o ciclo de refrigeração mais eficiente entre dois níveis de tempe-
ratura. Esse ciclo é formado por quatro processos reversíveis, sendo dois isotérmicos e dois
adiabáticos. (Cengel e Boles, 2015).
Figura 2 - Diagramas frigorífico e T-s do ciclo de Carnot reverso
Fonte: Çengel e Boles (2015)
Processos do ciclo de Carnot reverso:
1-2 Absorção de calor a baixa temperatura (isotérmico);
2-3 Compressão (adiabática) sem fricção nem transferência de calor;
3-4 Rejeição de calor a alta temperatura (isotérmico);
4-1 Expansão (adiabática) sem fricção nem transferência de calor.
Os processos 2-3 e 4-1 são sem fricção, estes processos são termodinamicamente rever-
síveis, como não há transferência de calor, também são processos adiabáticos, e visto que são
realizados a temperatura constante, são também processos isentrópicos. (CENGEL E BOLES,
2015).
O COP de um refrigerador de Carnot é calculado somente em função das temperaturas
da fonte quente TH e da fonte fria TL, conforme a equação 1.
[1]
O COP do ciclo de Carnot reverso cresce quando TL aumenta ou TH diminui, ou ainda,
à medida que a diferença entre estas duas temperaturas diminui.
3.2 Ciclo ideal de refrigeração por compressão de vapor
Os problemas encontrados no ciclo de Carnot reverso podem ser eliminados pela vapo-
rização completa do refrigerante antes dele ser comprimido e pela substituição da turbina por
um dispositivo de estrangulamento como a válvula de expansão ou um tubo capilar. O ciclo
resultante é chamado de ciclo ideal de refrigeração por compressão de vapor que é mostrado a
seguir na forma de diagrama esquemático e diagrama T-s.
Figura 3 - Diagramas frigorífico e T-s do ciclo ideal de refrigeração
Fonte: Çengel e Boles (2015)
O ciclo de refrigeração por compressão de vapor é o mais frequentemente utilizado em
refrigeradores, condicionadores de ar e bombas de calor. Este ciclo termodinâmico é constituído
de 04 processos:
1 - 2 Compressão isentrópica no compressor;
2 - 3 Rejeição de calor a pressão constante no condensador;
3 - 4 Expansão isoentálpica em um dispositivo de expansão;
4 - 1 Absorção de calor a pressão constante no evaporador.
O processo 1-2 que ocorre no compressor é isentrópico, uma vez que a transformação é
considerada adiabática e reversível. O fluido refrigerante na condição de vapor saturado é suc-
cionado pelo compressor na pressão de evaporação e é então comprimido até atingir a pressão
de condensação. Ao sair do compressor o refrigerante está superaquecido com temperatura
maior que a de condensação.
O processo 2-3 que ocorre no condensador é um processo de rejeição de calor do fluido
refrigerante para o meio à pressão constante (isobárico). Neste processo, o fluido refrigerante
na condição de vapor superaquecido é resfriado até a temperatura de condensação (dessupera-
quecimento) tornando-se vapor saturado e na sequência, é condensado até se tornar líquido
saturado na temperatura de condensação.
O processo 3-4 que ocorre no dispositivo de expansão, é caracterizado por uma expan-
são irreversível a entalpia constante, desde a pressão de condensação até a pressão de vapori-
zação. O fluido refrigerante entra no dispositivo de expansão na condição de líquido saturado e
sai como uma mistura saturada de líquido mais vapor.
No processo 4-1 que ocorre no evaporador o processo de transferência de calor é a pres-
são constante, consequentemente, a temperatura do vapor úmido se mantem constante até atin-
gir o estado de vapor saturado seco. O calor latente que é absorvido pelo fluido refrigerante no
evaporador não altera a sua temperatura, ocorrendo apenas a mudança da fase líquida para fase
de vapor saturado.
Um outro diagrama termodinâmico frequentemente utilizado para analisar o ciclo de
refrigeração por compressão de vapor é o diagrama P-h (pressão versus entalpia). Nesse dia-
grama apresentado na figura 4, três dos quatro processos aparecem como linhas retas e as trans-
ferências de calor no condensador e evaporador são proporcionais aos comprimentos dos seg-
mentos de reta do processo.
Pode-se observar que, diferentemente dos ciclos ideais discutidos anteriormente, o ciclo
ideal de refrigeração por compressão a vapor não é internamente reversível, uma vez que en-
volve um processo irreversível que é a expansão.
Figura 4 - Diagrama P-h de um ciclo ideal de refrigeração
Fonte: Çengel e Boles (2015)
Todos os quatro componentes associados ao ciclo ideal de refrigeração por compressão
de vapor são dispositivos com escoamento permanente e, portanto, os quatro processos que
formam o ciclo podem ser analisados como processos com escoamento em regime permanente.
Assim, as variações de energia cinética e potencial do refrigerante são usualmente pequenas
relativamente à transferência de calor e ao trabalho, e portanto, podem ser desprezadas.
O condensador e o evaporador não envolvem nenhum tipo de trabalho e o compressor
pode ser considerado adiabático. Assim, a equação 2 da energia pode ser aplicada ao ciclo ideal
de refrigeração por compressão de vapor em regime permanente:
[2]
3.3 Ciclo real de refrigeração por compressão de vapor
O ciclo real de refrigeração por compressão difere do ideal em vários aspectos, princi-
palmente devido as irreversibilidades que ocorrem em diversos componentes.
Duas fontes comuns de irreversibilidades são o atrito fluido (que causa perdas de pres-
são) e a transferência de calor do ciclo de refrigeração para o ambiente. O diagrama T-s de um
ciclo de refrigeração real é apresentado na Figura 5.
Figura 5 - Diagramas frigorífico e T-s do ciclo real de refrigeração
Fonte: Çengel e Boles (2015)
No ciclo ideal, o refrigerante sai do evaporador e entra no compressor como vapor sa-
turado. Na prática, todavia, não é possível controlar com precisão o estado termodinâmico do
refrigerante. Em vez disso, deve-se projetar o sistema para que o refrigerante entre levemente
superaquecido no compressor.
A linha que conecta o evaporador ao compressor é, algumas vezes, muito longa. Desta
forma, a perda de pressão causada pelo atrito fluido e a transferência de calor para o ambiente
pelo fluido não podem ser desprezadas.
O resultado do superaquecimento, dos ganhos de calor nas linhas de conexão e das per-
das de pressão no evaporador e nas tubulações de sucção do compressor, ocasiona um aumento
no volume específico do refrigerante, resultando em um aumento nos requisitos de potência do
compressor.
O processo de compressão no ciclo ideal é adiabático e internamente reversível, logo,
isentrópico. No processo de compressão real, no entanto, os efeitos de fricção e transferência
de calor, dependendo da direção, podem aumentar ou diminuir a entropia.
Neste sentido, a entropia do refrigerante pode aumentar (processo 1-2) ou diminuir (pro-
cesso 1-2’) durante um processo de compressão real, dependendo dos efeitos dominantes.
No caso ideal, considera-se que o refrigerante sai do condensador como líquido saturado
à pressão de descarga do compressor. (Çengel e Boles, 2015).
3.4 Coeficiente de performance
A principal característica de um sistema de refrigeração é o seu coeficiente de perfor-
mance (COP), ele mede o grau de efetividade do sistema frigorifico. Embora o COP do ciclo
real seja sempre menor que o do ciclo teórico, para os mesmos parâmetros de operação, pode-
se, com o ciclo teórico, verificar quais parâmetros influenciam o desempenho do sistema. O
COP é definido como:
[3]
Da análise da equação (3) observa-se que o COP do ciclo teórico é em função das pro-
priedades dos fluidos refrigerantes, consequentemente ele depende das temperaturas de con-
densação e evaporação. Para o ciclo real, o coeficiente de desempenho do refrigerador é forte-
mente dependente das propriedades na sucção do compressor e das eficiências dos componentes
do sistema de refrigeração.
4 MATERIAIS E MÉTODOS
Neste capítulo é feita uma descrição da bancada experimental e da metodologia de testes
experimentais de abaixamento da temperatura da câmara frigorífica, com base na norma ABNT,
para avaliação termodinâmica do refrigerador funcionando com os refrigerantes sintéticos R22
ou R437a, empregando a estratégia drop in.
4.l Descrição da bancada experimental
Na Figura 6 é apresentada a câmara frigorífica e a representação esquemática do circuito
frigorífico utilizados para avaliação termodinâmica do refrigerador funcionando com diferentes
refrigerantes em estratégica drop in.
O refrigerador de teste é constituído basicamente de : evaporador, condensador, com-
pressor hermético, válvula manual de expansão com ajuste micrométrico e resistência de degelo
que simula a carga térmica. Sensores de temperatura, manômetros e medidores de vazão foram
inseridos estrategicamente ao longo do circuito frigorífico da bancada de testes de modo a pos-
sibilitar o mapeamento térmico e avaliação de desempenho do ciclo frigorífico.
Figura 6 - Câmara Frigorifica Didática
Fonte: Fabricante Autômatos
Fonte: Autor
Destinada à montagem de sistemas convencionais de refrigeração, a bancada é composta
por uma câmara frigorífica e um balcão de trabalho. A descrição mais detalhada dos principais
componentes da bancada de teste compreende:
Painel de controle - Contém a chave liga/desliga, CLP para ajuste do set-point e moni-
toramento da temperatura na câmara fria e o botão de emergência;
Figura 7 - Painel de controle
Compressor hermético 220V - Responsável pela compressão do fluido circulação do fluido
refrigerante no sistema, fabricante Elgin, modelo TCM-2038-E, faixa de aplicação de média tempe-
ratura de evaporação de - 15 °C a 0 °C , fluido refrigerante R22, óleo alkybenzeno, capacidade
nominal 3800 BTU/h, alimentação elétrica 220v e frequência de 60Hz;
Figura 8 - Compressor
Condensador - Um trocador de calor com a função de dissipar para o ambiente externo ao
sistema de refrigeração o calor absorvido no evaporador e gerado pelo processo de compressão,
fabricante Elgin, modelo TUM-2038-E, faixa de aplicação de media temperatura de evaporação de
- 15 °C a 0 °C , fluido refrigerante R22, óleo alkybenzeno, alimentação elétrica 220v e frequência
de 60Hz, consumo 776W, corrente 4,1A;
Figura 9 - Condensador
Tanque de Liquido - O tanque de liquido tem como objetivo evitar mistura de liquido e vapor
na linha de liquido, separando o vapor do fluido refrigerante garantindo só a passagem do liquido
sobe diferentes condições de variação de carga de fluido refrigerante;
Figura 10 - Reservatório de liquido
Filtro secador ou desidratador – É instalado na linha de líquido e especificado para fluidos
refrigerantes HCFC ou HFC e que tem como função eliminar vapores de água (umidade) e/ou
partículas sólidas no circuito frigorífico, evitando a formação de ácidos indesejáveis e/ou obstrução
do dispositivo de expansão;
Figura 11 - Filtro secador
Visor de líquido – É instalado na linha de líquido depois do filtro secador e antes da válvula
de expansão tem diversas funções tais como: verificar a carga do fluido refrigerante, se não tiver
sub-resfriamento antes da válvula de expansão, ou seja, se o fluido refrigerante contiver vapor, isso
pode ser identificado se tiver bolhas o visor de liquido, caso o visor de líquido esteja preto por dentro
é um sinal de deterioração do lubrificante devido a altas temperaturas de operação;
Figura 12 - Visor de líquido
Pressostato de alta e baixa - É um elemento de controle e proteção, ele é um dispositivo
eletromecânico que recebe um sinal de pressão e o compara com sua escala interna, depois desta
comparação, efetua a ação de ligar ou desligar o seu relê interno;
Figura 13 - Pressostato de alta e baixa
Manômetros de alta e de baixa pressão – São instrumentos destinados à medição das pres-
sões de condensação e evaporação;
Figura 14 - Manômetros de alta e baixa
Válvula de expansão micrométrica - A válvula de expansão com ajuste micrométrico manual
foi instalada em um circuito by pass com a válvula de expansão termostática na linha de líquido,
permitindo controlar o superaquecimento mediante o ajuste do fluxo de refrigerante que alimenta o
evaporador.
Figura 15 - Válvula de expansão
Evaporador - É um trocador de calor tipo serpentina aletada e de circulação forçada de ar
através de uma ventoinha acionada por motor elétrico. Tem como função principal transferir o calor
do ambiente refrigerado para o fluido refrigerante que está circulando. Fabricante Delta Frio, mo-
delo DVC 14, alimentação elétrica 220v e frequência de 60Hz, potência elétrica total de 53W, cor-
rente 0,35A;
Figura 16 - Evaporador
Resistência de degêlo - No evaporador foi instalado uma resistência de degelo de 500 watts,
para simular as cargas térmicas típicas de funcionamento. A potência elétrica da resistência é ajus-
tada mediante ajuste de um potenciômetro de 220V;
Figura 17 - Resistência de degelo
Figura 18 – Potenciômetro de ajuste do degêlo
4.2 Instrumentação
Para analisar a performance da câmara frigorifica em diferentes condições de teste foi
necessário a instalação de sensores de temperatura, pressão vazão etc em pontos estratégicos
do circuito frigorífico.
Figura 19 - Termopar digital
Termopar digital – Destinado ao mapeamento térmico do circuito frigorífico e apresenta as
características técnicas: dimensões: 4,8 x 2,8 x 1,5cm, tamanho do cabo com o sensor: 1 metro, mede
temperaturas entre -50ºC a 110ºC, precisão +/- 1ºC, umidade 5% ~ 80%, variação do monitor
0,1ºC, alimentação por 2 baterias de 1,5V LR44.
Tabela 4 - Localização dos sensores de temperatura
Temperaturas Localização dos termopares
T1 Sucção do compressor
T2 Descarga do compressor
T3 Entrada do condensador
T4 Condensador
T5 Saída do condensador
T6 Entrada do evaporador
T7 Saída do evaporador
T8 Carcaça do compressor
T9 Temperatura ambiente
T10 Temperatura da câmara fria Fonte: Autor
Para medição da corrente elétrica consumida pelo compressor hermético durante os en-
saios foi utilizado um wattímetro de marca Minipa modelo ET-4090, como mostra a Figura 20.
O wattímetro ET-4090 além de possuir uma indicação direta via LCD tem conexão usb ao com-
putador o que permite a gravação dos dados medidos utilizando um cabo, e um software de
dados BS15X, fornecido pelo fabricante Universal Datalogging Systems.
Figura 20 - Wattímetro Minipa ET-4090
Fonte: Autor
A monitoração das pressões de sucção e descarga do compressor foram obtidas a partir
da observação visual manômetros de alta pressão (vermelho) e de baixa pressão (azul) apresen-
tadas na Figura 14.
Depois de recolher o fluido refrigerante do sistema foi realizado o vácuo do sistema com
a finalidade de remover gases não condensáveis e umidade no sistema, com uma bomba de
vácuo de duplo estágio de 5,0 CFM (volume do ar em pés cúbicos por minutos) de capacidade.
Esta bomba possui uma válvula solenoide no lado da sucção, para evitar que no caso de falta
de energia durante a operação de vácuo, ocorra o retorno de ar para o sistema. A Figura 21
apresenta a bomba de vácuo e as suas características técnicas.
Figura 21 - Bomba de vácuo
Fonte: Autor
A bomba de vácuo tem as seguintes características técnicas: fabricante EOS, modelo VE
245D, deslocamento livre de ar 4,5 CFM@ 50HZ / 5,0 CFM@60HZ, vácuo final 0,3PA, volta-
gem 110-220 V/50-60 HZ, potência ½ HP, capacidade de óleo 330 ml.
A carga de refrigerante no refrigerador de teste foi realizada com auxílio de uma balança
digital de precisão e manômetros de alta e baixa pressão. A Figura 22 ilustra a balança digital
que tem como caraterísticas técnicas: fabricante MasterCool Inc., modelo 98210-A Accu Charge
II Electronic Refrigerant Scale, capacidade 243 lbs (110kg), precisão ± 0,01kg, resolução 0,01kg,
função desliga automaticamente em 3horas, temperatura de operação 0 a 49 °C, tempo de vida da
bateria aproximadamente 40 horas, dimensões da plataforma 22 x 22 cm funções: programação de
carga, pausa/carga, programação da capacidade do cilindro, repetição.
Figura 22 - Balança digital
Fonte: Autor
Para carga de gás refrigerante no sistema de refrigeração de teste, também foi utilizado
um conjunto manifold apresentado na Figura 23. Componentes: 1- suporte, 2-base do manifold,
3-válvula do manômetro de baixa pressão, 4-válvula do manômetro de alta pressão, 5- conexão man-
gueira de ¼.
Figura 23 - Conjunto manifold
Fonte: Autor
4.2.1 Procedimentos de medição
A Figura 24 apresenta o diagrama esquemático utilizado para medição das variáveis de inte-
resse durante a realização dos testes de abaixamento de temperatura com o refrigerador funcionando
com R22 ou R437a.
Figura 24 - Diagrama esquemático de medição
Fonte: Autor
Observa-se da Figura 24 que os dados experimentais foram obtidos de duas formas, manu-
almente através da observação visual e automaticamente usando software de aquisição de dados via
computador. Os dados adquiridos de forma manual foram anotados num intervalo de tempo para
posteriormente serem plotados em forma de gráfico usando a plataforma do Excel, que foi o caso
das pressões e das temperaturas.
As pressões de descarga e de sucção do compressor e as temperaturas dos termopares (T1,
T2...até T10) foram obtidas num intervalo de tempo de 4 minutos, durante as 2 horas de teste. Poste-
riormente, estes dados de temperatura e pressão inseridos no software Coolpack ou no software Du-
prex, para determinar os parâmetros de desempenho do ciclo de refrigeração: coeficiente e perfor-
mance, o calor absorvido no evaporador, calor dissipado no condensador, o trabalho do compressor
etc.
Os valores da corrente elétrica consumida pelo compressor hermétrico da câmara frigorífica
teste, foram registrados utilizando um wattímetro Minipa ET-4090. Os dados foram adquiridos com
o wattímetro conectado ao computador via cabo usb, utilizando o software fornecido pelo fabricante
BS15X Data Logging Systems para gravar esses dados.
O fio fase do compressor foi posicionado no interior da garra do wattímetro como mostra a
Figura 25, e usando a interface do software BS15X o sistema o potenciômetro foi configurado para
aquisição de dados da corrente elétrica, durante os ensaios, a uma taxa de 1 valor por minuto, no
decorrer das 2 horas de duração dos ensaios.
Figura 25 - Posicionamento do wattímetro
4.3 Procedimentos e normas dos ensaios
A norma NBR 12863 especifica os parâmetros básicos de câmaras climáticas destinadas à
realização de testes de performance em refrigeradores e similares. A temperatura e umidade câmara
climática de teste de performance de refrigeradores devem ser rigidamente controladas.
Em razão da indisponibilidade na instituição (UFRN) de câmara climática para realização
dos testes de avaliação de desempenho do refrigerador, todos os ensaios de performance do refrige-
rador foram realizados em sala com as portas abertas e submetidas a temperatura e umidade relativa
do ar ambiente, que em Natal-RN tem média 320C de 65%, respectivamente.
A câmara frigorífica permaneceu desligada com todos a portas abertas, durante um período
superior a 16 horas, para que todos os seus componentes entrem em equilíbrio térmico com o ambi-
ente de ensaio conforme a NBR 12863.
Todos os ensaios foram de abaixamento de temperatura conforme estabelecido nas normas
da ABNT. A câmara frigorifica foi inicialmente carregada com 630 g de R22, para realização dos
ensaios de referência, com carga térmica (em vazio, 60 watts ou 110 watts) sendo ajustada manual-
mente a válvula de expansão micrométrica para manter o superaquecimento útil do refrigerante na
saída do evaporador de 6 a 8 0C.
A carga térmica em vazio corresponde ao ensaio do refrigerador com a resistência de degelo
desligada. Depois do ensaio sem carga térmica (em vazio) foram feitos mais dois ensaios com cargas
térmicas de 60 watts e 110 watts com o fim de simular cargas térmicas típicas de operação do sistema.
A regulagem das cargas térmicas foi feita usando um potenciômetro de ajuste manual.
Através do uso de um multímetro foram mensurados o valor da corrente e da tensão elétrica
para estimativa da carga térmica (em watts) fornecida à câmara frigorífica do refrigerador.
O superaquecimento na saída do evaporador também foi controlado para cada carga térmica
mediante o uso de uma válvula de expansão micrométrica com ajuste manual.
Todos os ensaios foram realizados com ajuste do set point do termostato em – 20 0C, e dessa
forma foi possível a realização dos testes de abaixamento de temperatura, durante as 2 horas de
operação contínua, sem o risco de desligamento (ou ciclagem) do refrigerador em razão da eventual
atuação do termostato.
Todos os dados experimentais para avaliação da performance do refrigerador foram aquisi-
tados em testes de abaixamento de temperatura, conforme norma ABNT, com 2 horas de funciona-
mento. Após cada teste de abaixamento de temperatura, a câmara frigorifica foi submetida a um
período de amaciamento de 24 horas, sem carga térmica e a temperatura ambiente conforme a NBR
12867.
Os mesmos procedimentos descritos neste item foram repetidos também nos ensaios de
abaixamento de temperatura do refrigerador de teste com carga térmica (em vazio, 60 watts ou 110
watts) funcionando com o refrigerante R437a.
Após a realização dos testes experimentais de abaixamento de temperatura do refrigerador
com R22 ou R437a, os dados de performance do ciclo de refrigeração por compressão de vapor,
obtidos com auxílio de softwares de refrigeração Coolpack e Duprex, foram analisados e comparados
através de gráficos e planilhas eletrônicas.
5 RESULTADOS OBTIDOS
Neste capítulo são apresentados o mapeamento térmico e a performance termodinâmica da
bancada experimental em testes de abaixamento de temperatura com R22 ou R437a e estratégia drop
in. Inicialmente, foi realizada a análise experimental do refrigerador funcionando com o refrigerante
de referência R22 e posteriormente com R437a para diferentes cargas térmicas. Os resultados do
desempenho experimental do refrigerador de teste, para os diferentes refrigerantes, são analisados e
comparados com auxílio de gráficos e planilhas eletrônicas.
5.1 Perfis de temperatura do refrigerador com carga térmica em vazio
Nas Figuras 26 e 27, são apresentados os perfis de temperatura do refrigerador experi-
mental submetido a ensaios de abaixamento de temperatura com R22 ou R437a em estratégia
drop in e com carga térmica em vazio, isto é, com a resistência de degelo desligada.
Figura 26 - Perfis de temperatura do refrigerador com R22 e sem carga térmica
Figura 27 - Perfis de temperatura do refrigerador com R437a e sem carga térmica
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Da análise dos perfis das figuras 26 e 27 observa-se que o refrigerador funcionando com
R22 e sem carga térmica, apresenta temperaturas de descarga do compressor mais altas e tem-
peraturas de evaporação mais baixas comparativamente ao R437a. Estes resultados estão con-
soantes com aqueles disponíveis na literatura.
A Figura 28 mostra os perfis de temperatura da câmara frigorífica do refrigerador fun-
cionando com R22 ou R437a e sem carga térmica.
Figura 28 – Perfis de temperatura da câmara fria sem carga térmica
Nos trinta minutos iniciais os perfis de temperatura são idênticos. Daí em diante, ob-
serva-se que o resfriamento da câmara frigorífica do refrigerador funcionando com R22 é ligei-
ramente mais eficiente do que com R437a, isto é, o perfil de temperatura da câmara fria com
R22 mostra temperaturas ligeiramente inferiores ao do R437a.
5.1.2 Perfis de temperatura do refrigerador com carga térmica de 60 watts
Nas Figuras 29 e 30 são apresentados os perfis de temperatura do refrigerador experi-
mental submetido a ensaios de abaixamento de temperatura com R22 ou R437a em estratégia
drop in e com carga térmica de 60 watts.
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R22 R437a
Figura 29 - Perfis de temperatura do refrigerador com R22 e carga térmica 60 watts
Figura 30 - Perfis de temperatura do refrigerador com R437a e carga térmica 60 watts
Analisando os perfis das figuras 29 e 30, verifica-se que o refrigerador funcionando com
R22 e carga térmica de 60 watts, apresenta temperaturas de descarga do compressor mais altas
e temperaturas de evaporação mais baixas comparativamente ao R437a.
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A Figura 31 mostra os perfis de temperatura da câmara frigorífica do refrigerador fun-
cionando com R22 ou R437a e carga térmica de 60 watts.
Figura 31 - Perfis de temperatura da câmara fria com carga térmica 60 watts
Nos trinta minutos iniciais os perfis de temperatura da câmara frigorífica do refrigerador
funcionando com R22 ou R347a são praticamente idênticos. Daí em diante, observa-se que o
resfriamento com R22 é ligeiramente mais eficiente, uma vez que as temperaturas são pouco
menores comparativamente àquelas do R437a.
5.1.3 Perfis de temperatura do refrigerador com carga térmica de 110 watts
Nas Figuras 32 e 33 são apresentados os perfis de temperatura do refrigerador experi-
mental submetido a ensaios de abaixamento de temperatura com R22 ou R437a em estratégia
drop in e com carga térmica de 110 watts.
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R22 R437a
Figura 32 - Perfis de temperatura do refrigerador com R22 e carga térmica 110 watts
Figura 33 - Perfis de temperatura do refrigerador com R437a e carga térmica 110 watts
De forma análoga as cargas térmicas anteriores, analisando os perfis das figuras 32 e 33,
observa-se que o refrigerador funcionando com R22 e carga térmica de 110 watts, apresenta
temperaturas de descarga do compressor mais altas e temperaturas de evaporação mais baixas
comparativamente ao R437a.
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Tempo [min]
Ensaio 3 R437a 110 watts
T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10
A Figura 34 apresenta os perfis de temperatura da câmara frigorífica do refrigerador
funcionando com R22 ou R437a e carga térmica de 110 watts.
Figure 34 - Perfis de temperatura da câmara fria com carga térmica 110 watts
Até os trinta e cinco minutos iniciais de teste do refrigerador, os perfis de temperatura
da câmara frigorífica funcionando com R22 ou R347a são praticamente idênticos.
Daí em diante, observa-se que o resfriamento com R22 é ligeiramente mais eficiente,
uma vez que as temperaturas são pouco menores quando comparadas àquelas do R437a.
Em síntese, pode-se inferir que em todos os testes de abaixamento de temperatura, para
todas as cargas térmicas (vazio, 60 ou 110 watts), os perfis de temperatura do refrigerador fun-
cionando com R22 ou R437a, em estratégia drop in, apresentam comportamento praticamente
idênticos nos 30 minutos iniciais, e que após este período de tempo, os perfis de temperatura
são ligeiramente diferentes para os dois refrigerantes, com o R22 tendo melhor desempenho.
Um parâmetro importante para analisar a partir dos perfis de temperatura são as tempe-
raturas de descarga do compressor, um parâmetro muito importante uma vez que baixas tempe-
raturas de descarga do compressor diminui a probabilidade de degradação do óleo e do fluido
refrigerante do sistema.
Por outro lado, altas temperaturas de descarga do compressor corroboram com o au-
mento o consumo de energia elétrica, contribuindo substancialmente para diminuição do tempo
de vida útil do compressor.
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]
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R22 T10
A Figura 35 apresenta o perfil de temperaturas de descarga do compressor em função
do tempo durante a realização dos ensaios do refrigerador sem carga térmica. Pode-se observar
claramente que o refrigerador de testes funcionando com o refrigerante R437a tem temperatura
média de descarga da ordem de 64 °C que é ligeiramente inferior a temperatura média de 80 °C
do equipamento funcionando com R22.
Figura 35 - Perfis de temperatura de descarga do compressor sem carga térmica
5.2 Corrente elétrica consumida pelo compressor hermético
Nas Figuras 36, 37 e 38 são apresentados os gráficos de consumos energia elétrica con-
sumida pelo compressor hermético durante a realização dos ensaios de abaixamento de tempe-
ratura do refrigerador de testes funcionando com R22 ou R437a em estratégia drop in, para
diferentes cargas térmicas.
Figura 36 - Corrente elétrica consumida sem carga térmica
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Tempo [min]
R22 R437a
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Co
rren
te [
A]
Tempo [min]
R22 R437a
Figura 37 - Corrente elétrica consumida com carga térmica 60 watts
Figura 38 - Corrente elétrica consumida durante com carga térmica 110 watts
Pelos gráficos das Figuras 37 a 38 pode-se observar que a câmara frigorifica funcio-
nando com cargas térmicas de 60 ou 110 watts e R437a apresentou menor consumo de energia
elétrica do que com o refrigerante R22.
Por outro lado, o refrigerador operando sem carga térmica e com R22 (Figura 35) apre-
sentou consumo de energia elétrica ligeiramente inferior comparativamente ao funcionando
com R437a.
A Tabela 5 mostra os dados da pressão manométrica de condensação (pressão de alta) e
de evaporação (pressão de baixa) que foram registrados durante os testes de abaixamento de
temperatura do refrigerador funcionando com R22 ou R437a em estratégia drop in, para dife-
rentes cargas térmicas.
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73
79
85
91
97
10
3
10
9
11
5
12
1
Co
rren
te [
A]
Tempo [min]
R22 R437a
0
1
2
3
4
5
6
1 7
13
19
25
31
37
43
49
55
61
67
73
79
85
91
97
10
3
10
9
11
5
12
1
Co
rren
te [
A]
Tempo [min]
Consumo (R22 e R437a) carga 110 watts
R22 R437a
Tabela 5 - Pressão de condensação e evaporação do refrigerador
Teste com R22 Pressão de condensação
[psig]
Pressão de evaporação
[psig]
Sem carga térmica 187,0 26,0
Carga térmica - 60 watts 188,0 29,0
Carga térmica - 110 watts 188,0 31,0
Teste com R437a Pressão de Condensação
[psig]
Pressão de evaporação
[psig]
Sem carga térmica 130,0 12,5
Carga térmica - 60 watts 130,0 12,5
Carga térmica - 110 watts 130,0 12,5
A Tabela 5 mostra que não houve variação significativa da pressão de condensação ou
de pressão de evaporação com a carga térmica para o refrigerador funcionando com R22. Nos
ensaios com o R437a a pressão de condensação e a pressão de evaporação do refrigerador per-
maneceu constante com a variação da carga térmica.
5.3 Parâmetros de avaliação do desempenho do sistema de refrigeração
As variáveis de performance foram estimadas a partir do mapeamento térmico nos
ensaios de abaixamento de temperatura do refrigerador: o coeficiente e performance (COP), o
calor absorvido no evaporador (Qe) , calor dissipado no condensador (Qc) e o trabalho do
compressor (W).
Para estimativa do desempenho termodinâmico do refrigerador de teste com o
refrigerante R22 foi utilizado software CoolPack e para o R437a foi empregado o software
Duprex, considerando em ambos os casos, a eficiência isentrópica do compressor 0,45.
As Tabelas 6 e 7 apresentam a Performance do refrigerador com R22 ou R437a,
respectivamente. Pode-se observar que, para todas as cargas térmicas, o COP do refrigerador
de teste com R22 é muito superior daquele obtido com R437a.
As justificativas para essa performance estão associadas ao fato de que o refrigerante
R437a não é um substituto natural em estratégia drop in do R22 e ainda na diferença entre as
propriedades termodinâmicas dos dois refrigerantes, em especial o calor latente de
vaporização/condensação dos fluidos de trabalho.
Tabela 6 – Performance do refrigerador com R22
Teste com R22 COP
[Adm.]
Qe
[kJ/kg]
Qc
[kJ/kg]
W
[kJ/kg]
Sem carga térmica 3.03 208.363 277.133 68.770
Carga térmica - 60 watts 3.24 208.225 272.545 64.320
Carga térmica - 110 watts 3.54 207.369 265.887 58.518
Tabela 7 - Performance do refrigerador com R437a
Teste com R437a COP
[Adm.]
Qe
[kJ/kg]
Qc
[kJ/kg]
W
[kJ/kg]
Sem carga térmica 2.53 100 144.73 39.52
Carga térmica - 60 watts 2.77 100 140.69
36.05
Carga térmica - 110 watts
2.74
100 144.17 36.49
6 CONCLUSÕES
Após a análise dos resultados de performance dos ensaios de abaixamento de
temperatura do refrigerador de teste funcionando com os refrigerantes R22 ou R437a, pode
concluir que:
1) O refrigerante R437a não deve ser recomendado para aplicação em estratégia drop
in do R22 em refrigeradores uma vez que os valores de COPs são relativamente
menores;
2) Em todas as cargas térmicas, a temperatura de descarga do refrigerador de testes
com R437a foi menor comparativamente ao funcionamento com o R22;
3) O superaquecimento do refrigerante na saída do evaporador apresentou maior sen-
sibilidade à variação das condições de expansão do R437a do que o R22;
4) O ajuste do potenciômetro da resistência de degelo permitiu a simulação de diferentes
cargas térmicas no evaporador e ainda estabelecer a máxima capacidade de refrigeração da
bancada de teste;
5) O monitoramento das temperaturas de evaporação e condensação é mais simples e
confiável do que das pressões de saturação correspondentes. Além disso, os termo-
pares apresentam menor custo e são de fácil instalação no circuito frigorífico do que
os manômetros.
As sugestões do autor para trabalhos futuros consiste na investigação de novos
refrigerantes de baixo impacto ambiental para substituição do R22 em refrigeradores com
válvula de expansão eletrônica.
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