Apontamentos de Psicometria e Refrigeração (2022-2023) PDF

Climatização e Refrigeração Apontamentos de Eduardo Rodrigues (Parte 2 – Refrigeração) 2022/2023 36 Psicometria A psicometria é o ramo da termodinâmica que estuda as propriedades do ar húmido. É muito importante...

Climatização e Refrigeração Apontamentos de Eduardo Rodrigues (Parte 2 – Refrigeração) 2022/2023 36 Psicometria A psicometria é o ramo da termodinâmica que estuda as propriedades do ar húmido. É muito importante em processos que envolvam secagem. A psicometria é avaliada através de um diagrama psicométrico que sintetiza as propriedades. Caraterização do Ar Húmido O ar atmosférico é constituído por uma mistura de gases ideais (o ar seco), vapor de água e alguns poluentes. A composição do ar seco é aproximadamente constante (com pequenas variações de sítio para sítio), enquanto o vapor de água e os poluentes podem mudar bastante. A definição de ar húmido implica a junção dos conceitos de ar seco e vapor de água. O ar húmido é uma mistura entre ar seco (os gases) e vapor de água. Quando a humidade (vapor de água) é nula, designa-se atmosfera seca e quando a humidade é máxima designa-se atmosfera saturada. A mistura é descrita pela Lei de Dalton: A atmosfera padrão é usada como referência para obter as propriedades do ar húmido. As condições referência são 15ºC e uma pressão de 101,325 kPa. Classificação das Grandezas Higrométricas As grandezas Higrométricas são grandezas que fornecem informação sobre o Ar Húmido. As grandezas específicas são dadas em função da massa de Ar Seco. Existem 3 grupos de grandezas:  Grandezas que caraterizam a humidade absoluta ou conteúdo de humidade no ar: o Humidade Específica, 𝑾 [𝐾𝑔 /𝐾𝑔 ] – razão entre a massa de vapor e massa de ar seco; o Pressão Parcial de Vapor de Água, 𝑷𝒗 – Pressão que o vapor teria se ocupasse todo o volume ocupado pelo ar. 𝑃 é a pressão de vapor de água no estado de saturação e apenas depende da temperatura;  Grandezas que relacionam o estado higrométrico com a saturação: o Humidade Relativa 𝝓 – razão entre a fração molar do vapor de água no ar húmido e a fração molar de vapor de água no estado de saturação à mesma pressão e temperatura; 37  o Grau de Saturação 𝝁 – razão entre a humidade específica existente no ar e que existiria no estado saturação à mesma pressão e temperatura. Não é muito usado;  Grandezas que caraterizam o estado de saturação: o Temperatura de Orvalho, 𝑻𝑷𝑶 – Temperatura de bolbo seco para a qual o ar húmido fica saturado (𝜙 = 100%), estando à mesma pressão e humidade específica da amostra de ar húmido; o Temperatura Termodinâmica de Bolbo Húmido 𝑻𝒕𝒃𝒉 – Temperatura do Ar para a qual uma quantidade de água, após evaporação, provoca a saturação do Ar Húmido, estando o Ar nas mesmas condições de Pressão e Temperatura; A temperatura de bolbo húmido pode ser medida através de um termómetro de bolo húmido: Existe um pequeno reservatório de água que humedece a mecha (algodão - lado direito). Quando passa uma corrente de ar (ventilação que transfere energia do ar para a água), provoca a evaporação desta água no reservatório. Como a água evapora, recriam-se as condições da temperatura de bolbo húmido. A temperatura de bolbo húmido é inferior à temperatura de bolbo seco, pois tem humidade. No limite, 𝑇 pode ser igual a 𝑇 , desde que o ar esteja saturado. As várias propriedades mencionadas podem ser consultadas através do diagrama psicométrico: 38 Propriedades do Ar Húmido e Sensores Algumas das propriedades do Ar podem ser medidas diretamente através de equipamentos correntes, sendo estas designadas Propriedades Mensuráveis. As restantes propriedades, que não podem ser calculadas por equipamentos simples, designam.se Propriedades Mensuráveis. As Propriedades Psicométricas Mensuráveis são: a Temperatura de Bolbo Seco, a Temperatura de Bolbo Húmido, a Temperatura de Orvalho, a Humidade Relativa e a Pressão Barométrica. As Propriedades Psicométricas Calculáveis são: a Entalpia Específica, o Volume Específico, a Humidade Específica e a Pressão Parcial de Vapor. Alguns dos sensores mais usados são os Termopares, Termoresistências, Psicómetros, Sensores ópticos Refrigerados (medem o ponto de orvalho) ou Barómetros. Processos de Aquecimento/Arrefecimento Sensível Um escoamento de ar húmido que tenhas apenas trocas de calor sensível terá variações na Temperatura de Bolbo Seco e terá um conteúdo de humidade constante. Ao operar um equipamento de arrefecimento (risco de condensação) a temperatura de funcionamento deve ser superior ao ponto de orvalho. Além disso, a temperatura de superfície de um equipamento deve ser superior/inferior à temperatura de saída do ar, caso o objetivo seja aquecer/arrefecer, de forma a que a temperatura à saída atinja o valor pretendido. Processos de Arrefecimento com Desumidificação A condensação do vapor presente no ar ocorre quando o ar é arrefecido até a uma temperatura inferior ao ponto de orvalho, ocorrendo transferência de calor sensível e calor latente. Nesta situação, a temperatura de bolbo seco e o conteúdo de humidade diminuem. Ao operar um equipamento deste tipo deve-se garantir que a temperatura de superfície é inferior à temperatura de saída do ar, de forma a que o ponto de saída seja alcançado. Além disso, deve-se garantir que a temperatura de funcionamento deve ser inferior ao ponto de orvalho do ar na entrada e na saída. Processos de Humidificação Em climas muito frios, o aquecimento do ar costuma levar a humidades muito baixas (climas frios e secos). Para aumentar o conteúdo de humidade no ar existem 2 soluções:  Injeção de Vapor de Água;  Pulverização de Água Líquida; 39  A injeção de vapor quente (vapor saturado a 100 ºC) implica um aumento de temperatura inferior a 1ºC, pelo que se considera a Humidificação com Injeção de Vapor de Água um processo quase isotérmico. Já a Humidificação com Injeção de Água Líquida consiste na injeção de gotas muito pequenas de água no escoamento, o que provoca a diminuição da temperatura do ar, uma vez que este perde energia para a vaporização da água. A água no estado no líquido pode ser assumida como: 1) 0 ºC em processo isentálpico; 2) 𝑇 e 3)100ºC. Evolução Vertical Os processos que envolvam aquecimento e humidificação devem ser analisados separadamente e sequencialmente (o que acontece em muitas unidades de climatização): Desumidificação por Adsorção – Leitos granulares exsicantes O escoamento de ar passa por um meio exsicante (material com capacidade para secar, sílica por exemplo) seco e quente, ficando com uma humidade muito baixa, o que leva a um ponto de orvalho muito inferior aos dos processos em baterias de arrefecimento. Uma particularidade deste processo, é que ao desumidificar o Ar, este aquece. Por isso, este processo é muito usado industrialmente em processos de secagem. U Quando ocorre adsorção, promove-se um processo exotérmico (temperatura do ar aumenta). Quando ocorre desadsorção, promove-se um processo endotérmico (temperatura do ar diminui). Ocorre Regeneração Cíclica 40 Desumidificação por adsorção – Matriz porosa exsicante Existe uma roda que contém uma substância exsicante de matriz porosa (a humidade é aprisionada nos poros). Esta funciona a baixa rotação. Uma metade da roda é atravessada por ar que se pretende desumidificar e a outra metade é regenerada por um escoamento de ar quente (volta a ganhar humidade). Regeneração Contínua Mistura Adiabática de 2 caudais de Ar Húmido A mistura de um caudal (1) e de um caudal (2), levará a existência de uma condição (3) que se situa num segmento de reta que une os pontos de cada condição no diagrama psicométrico. O ponto (3) ficará mais perto do ponto que tiver o maior caudal. Além disso, é possível aplicar a regra da alavanca para saber as condições dos pontos: 1 Factor de Calor Sensível , SHF O SHF correponde à razão entre o calor sensível e o calor total trocados. O SHF pode tomar valores positivos (e maior do que 1) e negativos. SHF para um espaço ou sala SHF para um processo de Ar Húmido 41  No canto superior esquerdo do diagrama psicométrico existem um conjunto de retas associadas a vários valores de SHF. Ao traçar uma paralela nas curvas do diagrama desde um ponto com condições conhecidas, é possível obter uma infinidade de pontos que satisfaçam as condições de projeto (reta de (d) para 2). No entanto, o ponto 1 (ponto escolhido) deve ser sempre ligeiramente superior a d (para evitar condensação). Quanto mais próximo o ponto 1 estiver de 2 maior será o caudal mássico utilizado, uma vez que a variação de entalpia será menor para o mesmo calor trocado. A reta do SHF também pode ser usada para conhecer a totalidade das propriedades de um ponto, desde que sejam conhecidas todas as propriedades de outro ponto do processo e pelo menos uma propriedade do ponto a determinar. Caso seja necessário ocorrer mistura de ares, por exemplo, com a introdução de ar recirculado no ar de insuflação será necessário analisar o SHF da sala e o SHF da UTA. 1- Traça-se a paralela com base no SHF da sala desde a linha de saturação até ao ponto das condições da sala (A); 2- Une-se o ponto (A) ao ponto das condições exteriores (O); 3- Traça-se uma nova paralela ao SHF da UTA desde o ponto das condições de saída do ar da UTA (B) (o ar à saída irá promover trocas térmicas que levarão ao ponto (A)), até à reta efetuada anteriormente. Obteve-se o ponto (C) que corresponde às condições da mistura de ares. O ponto X corresponde ao ponto ADP (Aparatus Dew Point), sendo este o ponto de funcionamento da bateria (para atingir o ponto B). Para não ocorrer condensação, costuma-se considerar este ponto 2 ou 3 graus acima do ADP. 42 By-Pass Factor, BPF - Fator que carateriza o afastamento das condições do ar de saída, em relação às condições ideais de saída. Quando o ar passa na UTA, o ar não é arrefecido uniformemente, uma vez que nem todo o volume contacta diretamente com a serpentina. Isto leva a que existam frações de ar com temperaturas diferentes, que após uma média, leva a uma temperatura global de saída. 𝑇 − 𝐴𝐷𝑃 𝐵𝑃𝐹 = 𝑇 − 𝐴𝐷𝑃 Processos Comuns de Arrefecimento (Verão) À primeira vista, pode parecer estranho Arrefecer e Desumidificar o Ar, para depois o Aquecer e insuflar no espaço. Isto acontece por vários motivos:  Pode não ser possível ter uma bateria que arrefeça e desumidifique o ar diretamente do ponto (1) para o ponto (3);  Ao desumidificar o Ar (para além do arrefecimento sensível), ele atinge temperaturas tão baixas que se fosse injetado diretamente no espaço, haveria arrefecimento excessivo; Por estes motivos, é necessário aquecer ligeiramente o Ar antes de o insuflar no espaço. 43 Dissipadores de Calor: Torres de Arrefecimento e Condensadores Evaporativos Estes equipamentos são usados em processos industriais, refrigeração industrial e sistemas de climatização. O seu propósito é dissipar Calor para o meio ambiente. Tipos de Dissipadores de Calor Os equipamentos dissipadores de calor subdividem-se em 4 categorias:  Dissipação para o Ar (exemplo: frigorífico);  Dissipação para a Água (exemplo: trocas com um lago);  Evaporativos ou Ar-Água (exemplos: torres de arrefecimento ou condensadores evaporativos);  Seco ou Dry-Cooler (circuito de água fechado, sendo esta arrefecida por um condensador a ar. Não causa perigo de contágio de legionella, uma vez que a água está num circuito fechado); Ainda quanto ao sistema de condensação, o dissipador de calor pode ser do tipo Indireto/Torre de Arrefecimento ou Direto/Condensador Evaporativo. Quanto ao processo de dissipação de calor, o dissipador pode ser do tipo Contacto Direto/Torre de Arrefecimento Aberta ou do tipo Contacto Indireto/ Circuito Fechado. Torre de Arrefecimento Aberta (Condensador fora da Torre) Numa Torre de Arrefecimento Aberta, a água aquece no condensador (recebe energia do refrigerante de Fluido outro processo) e é posteriormente refrigerante pulverizada no topo da torre. O muito quente sistema de permuta (packing) auxilia as trocas de calor, através do aumento da área de contacto e do período de contacto entre a água e o ar. A água fornece energia ao Ar e condensa (na verdade uma pequena parte da água também evapora). Assim, reduz-se a temperatura da água (condensa) através do aquecimento da temperatura do ar. 44  Quando a temperatura da água é igual à temperatura de bolbo húmido do ar (𝑻𝒂𝒓 = 𝑻𝒕𝒃𝒉 ), provoca-se a saturação da água contida no ar. Assim, ocorre um processo de arrefecimento evaporativo do ar (a água não muda de temperatura). Quando a temperatura da água é superior à temperatura de bolbo húmido (𝑇á > 𝑇 ), a entalpia do ar húmido aumenta, sendo o aumento simétrico do calor perdido para a água. Análise dos Caudais nas Torres de Arrefecimento Nesta situação, a água que evaporou corresponde à diferença entre a quantidade de água que sai no ar, (B), e a quantidade de água que entra no ar, (A); A água que condensou corresponde à diferença entre a água quente pulverizada em (1) e a água que evaporou; 𝑚̇ = 𝑚̇ (𝑊 − 𝑊 ) 𝑚̇ = 𝑚̇ − 𝑚̇ Nesta situação, a água resposta em (3) tem de compensar a água que evaporou em (B); Em consequência da condição anterior, a água fria que sai em (2) tem de ser igual à água quente que entra em (1); 𝑚̇ = 𝑚̇ 𝑚̇ = 𝑚̇ 𝑚̇ = 𝑚̇ + 𝑚̇ Condensador Evaporativo (Condensador dentro da Torre) Este processo tem 2 estágios. Primeiramente, existe transferência de calor sensível a partir dos tubos da serpentina (no seu interior está um refrigerante quente usado num processo). Ao mesmo tempo, existe uma bomba que faz “chover” água a partir dos sprays, formando uma película de água em cima da serpentina. Promove-se a vaporização da água, através da transferência de calor latente do interior da serpentina para a película de água. 45  A relação entre a taxa de evaporação e a capacidade de refrigeração para o Condensador Evaporativo é semelhante à Torre de Arrefecimento Vantagens e Desvantagens face a Outros Dissipadores de Calor Vantagens da Torre de Vantagens do Condensador Evaporativo Arrefecimento Aberta  Mais compactos e atingem  𝑇 menor que os temperaturas de condensadores arrefecidos a condensação mais baixas ar, uma vez que a que os condensadores transferência de calor ocorre à arrefecidos a ar e as torres 𝑇 e não à 𝑇 ; de arrefecimento;  Necessitam de menos fluido  Muito usado na refrigeração refrigerante que o industrial, porque permitem Condensador Evaporativo; menos gastos de energia na  Desperdiçam menos água que compressão (temperatura os condensadores de condensação mais baixa); evaporativos; No entanto, ambos os processos implicam algumas desvantagens: 1) vigilância do aparecimento de Legionella, 2) tratamento dos sais na água e 3) risco de congelação da água de pulverização para temperaturas baixas. Ventilação das Torres de Arrefecimento e Condensadores Evaporativos O escoamento pode ser forçado (ventilador em baixo) ou induzido (ventilador em cima). As torres de arrefecimento usam escoamento induzido, enquanto os condensadores evaporativos usam escoamento forçado. 46 Unidades de Tratamento de Ar, UTA Uma UTA é um equipamento que visa tratar o ar dos sistemas AVAC (filtração, mudanças de temperatura, humidade), antes de este ser distribuído pelos vários espaços, através de condutas. Caso este equipamento opere com 100% de Ar Novo, é designado UTAN. A UTA é essencialmente uma caixa metálica com vários painéis isolados termicamente (os isolantes mais usados são o poliuretano e a lã de rocha, sendo o primeiro melhor pois não liberta fibras). Esta divide-se em vários módulos, sendo que cada módulo tem um determinado objetivo. A UTA pode conter as seguintes secções/módulos: Útil para quando existem grandes diferenças entre a temperatura de entrada e saída, pois reaproveita-se 20/30 % do ar. Não é necessário gastar energia a tratar este ar Útil para reduzir o barulho da UTA (conforto acústico) Zona vazia que facilita a entrada dentro do equipamento para serviços de manutenção Exemplo de uma UTA com diferentes módulos: A UTA pode ser instalada em várias posições, conforme a disponibilidade do espaço. Alguns exemplos são a instalação em: Linha, L, 2 andares (quando há trocas de calor), entre outros. 47 Ventiladores Os ventiladores usados nas UTAs são do tipo centrífugo, podendo ter uma transmissão por correia ou então ter uma transmissão direta (diretamente acoplado ao motor). A diferença é que uma transmissão por correia implica filtragem das partículas emanadas pela borracha da correia. Baterias de Aquecimento e Arrefecimento As baterias são essencialmente um permutador ar/água que permite fazer as trocas de energia. As baterias de aquecimento são semelhantes ao radiador de um carro. Já as baterias de arrefecimento têm um tabuleiro inclinado, com o objetivo de captar os condensados e movê- los, retirando o perigo de ocorrer legionella. Módulo de Filtragem Os módulos de filtragem permitem melhorar a qualidade do ar, mas também evitam que as partículas se depositem em cima dos equipamentos. Podem ser usados filtros de: Planos, de Bolsas, Rígidos e Hepa. Registos de Caudal e Caixas de Mistura Os registos correspondem à zona da UTA onde entra o ar. Esta pode ter grelhas ajustáveis ou fixas. 48 Free-Cooling Existem estabelecimentos com grandes necessidades de arrefecimento (exemplo: Data Centers ou um edifício de serviços). Quando um destes edifícios necessita de um caudal superior a 10000 𝒎𝟑 /𝒉 e o ar exterior tem uma temperatura inferior ao do caudal de retorno, é obrigatório usar um equipamento que use o ar exterior mais frio para arrefecer. Assim, poupa- se energia. UTA – Evolução dos Processos Termodinâmicos  Bateria de Aquecimento – a humidade específica permanece constante, pois apenas há trocas de calor sensível;  Bateria de Arrefecimento – a humidade específica permanece constante, pois apenas há trocas de calor sensível;  Bateria de Arrefecimento com Desumidificação – A temperatura e a humidade específica diminuem; 49  Humidificador a Vapor – A temperatura, as humidades específicas e relativas aumentam;  Humidificador com Injeção de Água – A temperatura diminui, mas as humidades aumentam;  Desumidificação com Bateria de Arrefecimento + Reaquecimento – A temperatura diminui juntamente com a humidade específica e depois há um aumento de temperatura com humidade constante;  Humidificador com Injeção de Água e Reaquecimento – Existe uma diminuição de temperatura com aumento de humidade e depois um aumento de temperatura com humidade constante; 50   Caixa de Mistura – O ponto do ar misturado obtém-se ao fazer uma reta entre as condições do Ar Exterior e Ar Interior;  Recuperador de Placas – Ocorre transferências de calor a nível sensível;  Recuperador Rotativo – Existe variação de temperatura com variação de humidade; UTA – Comando e Controlo Os processos estão constantemente a ser avaliados através de dispositivos como: Sondas, Pressostatos, Fins de Curso e Detetores de Fumo/Fogo. A atuação no processo é efetuada pelos dispositivos que recebem o feedback dos anteriores, sendo os seguintes: Servomotores, Válvulas, Triac, Variadores de Frequência, Humidificadores, Recuperadores de Calor e Bombas. Desempenho Energético de uma UTA Os parâmetros mais influentes numa UTA são: Secção/Velocidade do Túnel, Eficiência do Conjunto Motor-Ventilador e Eficiência do Recuperador de Calor. Existem classes que classificam o desempenho da UTA em função de cada um destes parâmetros. 51 Introdução à Refrigeração por Compressão de Vapor A refrigeração é um processo que permite reduzir a temperatura de um espaço, produto ou processo, promovendo a transferência de calor de uma fonte de baixa temperatura para uma fonte de alta temperatura. A Refrigeração tem essencialmente 3 áreas de atuação: Refrigeração Doméstica e Comercial, Ar Condicionado e Refrigeração Industrial. Máquina Frigorífica Considerando uma máquina frigorífica reversível, com ∆𝑠 = 0, pode-se obter as seguintes equações: Trabalho (energia) gasta no processo Calor Extraído de um Espaço a Refrigerar COP, Coeficiente de Performance O COP é uma medida da “eficiência”. A eficiência é um conceito inerente às máquinas térmicas, sendo sempre inferior a 1. O COP é um conceito próprio das máquinas refrigeradoras, sendo a razão entre o output do sistema (calor extraído) e o input (trabalho fornecido). O COP, geralmente, tem valores acima de 1, sendo o COP máximo obtido através da seguinte equação: 𝑇 𝐶𝑂𝑃 á = (Temperaturas em Kelvin) 𝑇 − 𝑇 Este valor é irreal, uma vez que é obtido para um sistema sem irreversibilidades (∆𝑠 = 0 – impossível), mas serve para ter uma ideia do quanto ainda é possível melhorar a máquina e aproximá-la da perfeição. Ciclo de Carnot Invertido (Ciclo de Refrigeração Ideal) A análise deste ciclo é válida para qualquer máquina frigorífica, independentemente da configuração. Este ciclo considera processos reversíveis, tendo o seguinte aspeto: 52 O Ciclo Invertido de Carnot engloba 4 processos:  Compressão Isentrópica de (1) para (2) (adiabática e reversível), havendo adição de trabalho;  Rejeição de Calor de (2) para (3) a temperatura constante (Isotérmico);  Expansão Isentrópica de (3) para (4);  Adição de Calor de (4) para (1) a temperatura constante (Isotérmico); A eficiência de refrigeração baseia-se numa razão entre o COP real da máquina e o COP da máquina Invertida de Carnot. É uma medida da eficácia na utilização de energia. A eficiência de refrigeração depende da temperatura exterior e interior, pois existem várias trocas de calor no processo com o meio ambiente. É dada pela seguinte expressão: 𝑞 ℎ − ℎ 𝐶𝑂𝑃 = = 𝑤 ℎ − ℎ Ciclo de Compressão de Vapor Ideal A distância do ciclo de carnot invertido à realidade levou à necessidade de inventar um novo ciclo (enquanto conceito) de compressão. O ciclo ideal de compressão de vapor consiste no seguinte diagrama e esquema: A Turbina é substituída por uma Válvula de Expansão O ciclo engloba os seguintes processos:  Compressão Isentrópica de Vapor Saturado para Vapor Sobreaquecido de (1) para (2). Assim, aumenta-se o efeito da refrigeração e evitam-se problemas associados à presença de líquido no compressor;  Rejeição de Calor a Pressão Constante de (2) para (3) (Isobárico). Primeiramente, uma redução de temperatura sensível e posteriormente uma condensação a temperatura e pressão constantes;  Expansão Isentálpica de (3) para (4). Existe uma expansão do fluido associada a uma queda de pressão e diminuição de temperatura;  Adição de Calor a Temperatura Constante de (4) para (1) (Isotérmico). Ocorre vaporização completa a pressão e temperatura constantes; Nota: Compressores operam com Vapor e Bombas com Líquido 53 Principais Diferenças entre o Ciclo de Compressão de Vapor Ideal e Real As principais diferenças entre o Ciclo Ideal e o Real são:  Os permutadores de calor não têm superfícies infinitas, nem diferenças de temperatura infinitas, pelo que ocorrem processos irreversíveis;  Ocorre Subarrefecimento do Líquido (ponto (5)) e Sobreaquecimento do Vapor (ponto (7)). O Sobreaquecimento protege o compressor (deixa de haver mistura bi-fásica), mas o Subarrefecimento não é desejável pois a área total do condensador não é usada para a condensação. No entanto, o Subarrefecimento aumenta a capacidade de refrigeração, uma vez que existe mais líquido disponível para receber energia na mudança de fase (o vapor já mudou de fase);  O comportamento real de um compressor implica que haja diferenças entre o volume que entra e sai do compressor, bem como a diferença na relação de pressões e a existência de válvulas de descarga e de admissão, lubrificantes, resíduos não condensáveis, perdas de carga e fugas de refrigerante. Para além disto, ainda pode haver transferência de calor das paredes para o fluido no compressor, bem como perdas para a envolvente através das paredes; Existe ainda um conceito, designado eficiência isentrópica de um compressor, que visa relacionar o trabalho mínimo ideal requerido e o trabalho real gasto na compressão: (Valores na ordem dos 80 ou 90%) Tendo em conta todos os pontos mencionados anteriormente, é possível obter o seguinte diagrama P-h para o Ciclo de Compressão de Vapor Real: Todas as potências inerentes ao funcionamento dos ciclos podem ser obtidas através do balanço energético, sendo as variações de velocidade e altura geralmente desprezadas. Evaporadores O evaporador é um equipamento onde é transferido calor para o fluido de trabalho. Nos sistemas de refrigeração, o evaporador é o equipamento usado para diminuir a temperatura 54  do espaço a refrigerar, uma vez que esse espaço perde energia para o fluido que passa no evaporador. Esta energia trocada designa-se Capacidade de Refrigeração. A entalpia e a entropia à entrada do evaporador podem ser obtidas da seguinte forma: 𝑚 𝑥= 𝑚 Os evaporadores ainda podem ser classificados de acordo com a função, tipo de construção e técnica de arrefecimento: Os evaporadores subdividem-se, pelas seguintes funções:  Arrefecedores de Ar;  Arrefecedores de Líquidos; Os evaporadores subdividem-se, pelos seguintes tipos de construção:  Expansão Direta DX – existe um fornecimento de fluxo contínuo através do permutador de calor. São mais baratos que os sistemas inundados;  Sistemas Inundados – utiliza-se uma bomba para forçar a circulação do refrigerante, havendo um caudal maior do que o que se pode evaporar; Os evaporadores subdividem-se, pelas seguintes técnicas de arrefecimento:  Convecção Natural – permite maiores potências;  Convecção Forçada; Compressores O compressor é o equipamento responsável pela movimentação do fluido. Este suga o Gás Seco (Não pode ter humidade - 𝑥 = 0) a baixa pressão e eleva-a até à pressão do evaporador. O trabalho do compressor é dado pela seguinte equação: Tipo de atuação do compressor em que o gás é acelerado para depois passar num difusor, Tipo de atuação reduzindo a sua do compressor em velocidade e aumentando que o volume do a sua pressão; gás é reduzido mecanicamente; 55  Os compressores mais usados são os Alternativos (baixa potência), os Scroll (média/grande potência), os de Parafuso (média/grande potência) ou os Centrífugos (potência muito elevada. Construtivamente, os compressores subdividem-se em: Tipo Aberto (existe um veio estendido para fora do compressor para ser conectado ao motor ou Tipo Fechado. O Tipo Fechado ainda se subdivide em Hermeticamente Fechado (caixa soldada que não pode ser aberta) ou Semi-Hermético (caixa que pode ser aberta para manutenção). Condensadores O Condensador tem por objetivo a libertação de calor do fluido de trabalho. A capacidade de Condensação é dada por: O Condensador tem 3 fases distintas. A primeira corresponde ao Dessobreaquecimento, onde o gás arrefece desde as condições inicias até ao ponto de saturação. Depois, segue-se a Condensação onde ocorre mudança de fase a pressão constante. O Subarrefecimento é a fase final, onde ocorre um processo sensível promovido pela diferença entre a temperatura de saturação e a temperatura do fluxo de condensação que se encontra mais à frente. Os condensadores ainda podem ser classificados quanto ao modo como são arrefecidos (para onde a energia do fluido de trabalho vai). Podem ser: 1) Arrefecidos a Ar, 2) Arrefecidos a Água, 3) Evaporativos (Torre de Arrefecimento e o Condensador Evaporativo) ou 4) Dry-Cooler (semelhante ao arrefecido a ar, mas com um circuito de água fechado). Dispositivos de Expansão Neste equipamento ocorre um processo isentálpico. O dispositivo tem 2 funções: controlar o fluxo e reduzir a pressão. Geralmente, ocorre diminuição de temperatura à exceção dos fluido com um coeficiente de Joule-Thompson negativo (o coeficiente varia com a pressão, podendo ser positivo ou negativo). Nestes casos, uma expansão do fluido leva ao aumento da temperatura. A solução é efetuar o processo, debaixo da área da curva de inversão, ou seja, quando 𝜇 é positivo. Os Dispositivos de Expansão mais usados são: Dispositivos Manuais (válvulas manuais), Dispositivos de Área de Passagem Constante (Tubos Capilares), Dispositivos de Expansão Automáticos (Válvulvas Termostáicas, Eletrónicas, etc) ou Turbinas (para altas capacidades). 56 Fluidos Refrigerantes, COP e Compressão Multiestágio Fluidos Refrigerantes Um fluido refrigerante ou frigorigéneo é um fluido usado para transferir energia num sistema de refrigeração ou bomba de calor. Estes fluidos têm as seguintes propriedades:  Elevado Calor Latente de Vaporização (maximizar efeito de refrigeração – a Amónia é dos fluidos com maior Calor Latente);  Baixa Temperatura de Congelação (prevenir solidificação no funcionamento);  Temperatura Crítica Relativamente Elevada (maior temperatura em que pode existir líquido - minimiza a potência de compressão);  Pressão de Evaporação Positiva (evitar infiltrações no sistema – quase nenhum sistema é 100% estanque);  Pressão de Condensação relativamente baixa (para minimizar custos na tubagem e equipamentos); A maioria das máquinas operam com a pressão de condensação e evaporação na zona da mistura bifásica do fluido, de forma a emitir o calor latente a pressão constante, facilitando a maximização do efeito de refrigeração. Quase todos os fluidos refrigerantes têm potencial de destruição da Camada de Ozono (ODP – Ozone Depletion Potencial) e potencial de Aquecimento Global (GWP – Global Warming Potential). Os CFCs combinam ambos os efeitos, pelo que foi proibida a sua utilização. A destruição da camada de Ozono está relacionada com o elemento Cloro, pelo que a sua utilização em fluidos refrigerantes pode ser prejudicial. Existe uma exceção, a Amónia, que não tem efeito ODP ou GWP (no entanto é tóxica). Devido a estes fatores, é necessário evitar as fugas dos fluidos refrigerantes. Além disso, estes fluidos podem ser tóxicos e inflamáveis (existem classificações quanto a estes parâmetros). Classificação de Fluidos Refrigerantes Os fluidos podem ser classificados nas seguintes categorias:  Composição (elementos presentes) – CFCs, HCFCs, HFCs, PFCs, HCs, Orgânicos e Inorgânicos;  Classes/Famílias – Fluidos Puros, Misturas Zeotrópica (os componentes para a mesma pressão têm temperaturas de condensação e evaporação diferentes), Misturas Azeotrópicas (os componentes para a mesma pressão têm a mesma temperatura de condensação e evaporação), Substância Orgânicas e Substância Inorgânicas; 57 Parâmetros que Influenciam o COP  Pressão/Temperatura de Condensação/Evaporação – A redução da temperatura ou pressão de condensação (diminuição do trabalho de compressão e aumento da capacidade de refrigeração) aumenta a eficiência do sistema. O aumento da temperatura ou pressão de evaporação (diminui o trabalho de compressão) aumenta a eficiência do sistema.  Influência do Grau de Subarrefecimento/Sobreaquecimento – O aumento do subarrefecimento aumenta a eficiência do sistema, uma vez que diminui o título. Quanto maior a % de líquido na mistura, maior será o calor absorvido, uma vez que existe a possibilidade de usar a entalpia de mudança de fase (o vapor já mudou de fase). O aumento do sobreaquecimento pode aumentar ou diminuir a eficiência, dependendo do fluido.  Influência do Efeito Combinado do Subarrefecimento e Sobreaquecimento – O resultado depende da relação criada entre a variação do volume específico e o efeito de refrigeração. A variação é maior para os fluidos halogenados e menor para o Amoníaco.  Influência das Perdas de Pressão – A perda de pressão leva ao aumento da taxa de pressão, o que se traduz num maior gasto de trabalho. Além disso, a perda de pressão resulta no aumento do volume específico, causando a diminuição da eficiência volumétrica e por fim, a redução no caudal mássico. 58 Compressão Multi-Estágio Um sistema de estágio simples acaba por não ser eficaz, uma vez que é gasto muito trabalho no processo de compressão. Além disso, a razão de pressões elevadas (e de temperaturas) levam ao acontecimento dos seguintes fenómenos:  Temperatura de descarga elevada (e deterioração do lubrificante);  Diminuição da Eficiência Volumétrica (diminuição do fluxo de refrigerante e capacidade de refrigeração);  Tensão excessiva nas peças do compressor;  Elevado consumo de trabalho; A minimização do trabalho de compressão pode ser conseguida através do uso de estágios de compressão, tentando aproximar estes a processos isentrópicos e tentando diminuir o volume específico (através da diminuição da temperatura). O processo de compressão pode ser isentrópico, politrópico ou isotérmico: Sendo a área debaixo da curva o trabalho gasto na compressão, facilmente se verifica que é o processo isotérmico que permite ter um menor gasto de trabalho. O processo de compressão ocorre com um primeiro estágio até a uma pressão intermédia, seguido de um arrefecimento a pressão constante e finalmente, um novo estágio de compressão até à pressão final. Esta área sombreada representa o trabalho poupado através do uso de 2 estágios de compressão O trabalho dos 2 estágios é dado pela próxima equação, sendo minimizado para uma pressão intermédia que se obtém através da derivação da equação em cima: 59  Existem várias possibilidades para um sistema de Compressão Multiestágio. Algumas hipóteses são:  Um ciclo de 2 estágios com 2 compressores;  Um ciclo com um único compressor, havendo válvulas de expansão que causam a pressão intermédia;  Um ciclo com 2 compressores e um Separador de Líquido e Gás;  Um ciclo com 2 compressores (um compressor só pode ter uma entrada e uma saída) compressor e um Economizador (Permutador) numa pressão intermédia (devido à válvula) Soluções de Compressão Multi-Estágio Direta  Injeção de Líquido após o 1ºCompressor (baixa pressão) – Solução de redução do sobreaquecimento simples, compacta e barata;  Subarrefecimento do Líquido – Permite aumentar a reversibilidade da expansão isentálpica, resultando num aumento da capacidade de refrigeração;  Injeção de Líquido com Subarrefecimento – É colocado um permutador à saída do condensador, evitando os problemas da evaporação parcial do líquido antes do 2º compressor. A maior parte do caudal segue para o compressor de baixa pressão. Este sistema é mais caro; 60   Arrefecimento Intermédio (Intercooling) – Como já mencionado, permite reduzir o sobreaquecimento entre 2 estágios. As poupanças causadas apenas pelo Intercooling não são significativas para a maioria dos gases, exceto a Amónia. As poupanças totais, devido aos 2 estágios, já são bastante significativas para todos os gases. Soluções de Compressão de Multi-Estágio Indiretas Em algumas situações, os requisitos de baixa temperatura podem provocar grandes amplitudes térmicas de operação, sendo preferível usar este tipo de Compressão Multi-Estágio. A temperatura baixa de fonte fria pode provocar:  Baixa pressão de evaporação, podendo ser inferior à atmosférica, facilitando a introdução de ar e humidade no sistema em caso de rotura;  Aumento do volume específico do fluido (baixa temperatura do espaço a refrigerar implica maior troca de calor para o fluido), levando a um maior consumo de trabalho e problemas de caudal;  Redução do efeito de refrigeração, devido ao título do fluido, após a receção do calor; A solução para estes problemas reside na aplicação de um ciclo de refrigeração em cascata, em que a “rejeição” de calor de um ciclo vai para outro ciclo. O ciclo em cascata permite ter infinitos estágios, o que é vantajoso para o COP, uma vez que o COP aumenta com o nível de estágios. No entanto, após 4 estágios deixam de existir grandes incrementos no COP. 61 Refrigeração por Sistemas Alternativos O dióxido de carbono é um gás com um comportamento particular, sendo as suas fases e comportamento descrito pelo seguinte diagrama. Este só pode ser usada entre -15 e 30 graus, o que restringe o seu uso. Para além disso, tem uma temperatura crítica baixa (31,06 graus), uma pressão crítica alta (7,38MPa) e leva a baixos COPs. Apesar dos contras, o CO2 liberta bastante calor latente, tem um coeficiente de transferência calor elevado, não é inflamável e é barato. Por esses motivos, o CO2 costuma ser usado em 2 ciclos: Ciclo Transcrítico (como fluido primário) e Ciclo em Cascata (como fluido do sistema secundário). Ciclo Transcrítico de Dióxido de Carbono Este ciclo tem 2 particularidades que levam a que não seja considerado como um siclo de Compressão de Vapor:  A rejeição de calor não implica uma mudança de fase, uma vez que a rejeição ocorre acima da temperatura crítica do refrigerante;  Apenas se forma líquido na fase de expansão, uma vez que o fluido entra na região de mistura bifásica; 62 A eficiência de sistemas transcríticos de CO2 aumenta:  Com a minimização das irreversibilidades;  Com a determinação de pressão de funcionamento ótima (depende da relação do efeito de arrefecimento e quantidade de entrada de energia);  Com o uso do arrefecedor de gás como um condensador; Sistemas de Circuito Secundário Estes ciclos usam 2 circuitos, sendo um comprimido e outro bombeado, estando acoplados por um permutador. Usam um fluido monofásico no circuito primário e um fluido bifásico no circuito secundário. Ciclo de Absorção Este ciclo trabalha com um par gerador/absorvedor em vez de um compressor. A sucção do fluido refrigerante à saída do evaporador ocorre devido à capacidade uma solução absorvente absorver o vapor que sai do evaporador. Este ciclo pode funcionar de 2 maneiras: usando água como refrigerante e brometo de lítio como absorvente ou usando amoníaco como refrigerante e água como absorvente. Passos: 1. O Vapor Saturado sai do Evaporador e entra no Absorvedor, ocorrendo mistura com a solução absorvente. Aqui liberta-se calor devido à existência de uma reação exotérmica. No absorvedor é necessário haver arrefecimento para que a concentração do fluido refrigerante se mantenha elevada na solução (a concentração diminui com o aumento de temperatura); 63  2. O líquido (mistura) rica em refrigerante é bombeada para o gerador. É poupada muita energia, uma vez que a bombagem de um líquido implica um menor gasto de trabalho em relação à compressão de vapor; 3. No gerador ocorre um aquecimento que resulta na separação da mistura. Uma das misturas corresponde à solução forte, sendo constituída pelo fluido refrigerante, seguindo para o condensador (após uma passagem num retificador). A outra mistura é a solução fraca (fraca concentração de refrigerante) que segue para uma válvula de expansão, retornando ao absorvedor; Este funcionamento resulta num COP (inferior ao da compressão por vapor) que pode ser determinado da seguinte maneira. Este sistema é bastante interessante para situações em que haja desperdício de calor, pois pode-se usar o mesmo para comprimir o vapor. Também pode ser usado em sítios que tenham problemas de energia elétrica. Sendo o COP máximo dado pela seguinte equação: Ciclo de Adsorção Este ciclo tem um processo de funcionamento semelhante ao anterior. Distingue-se, por o material absorvente (sílica gel por exemplo) ser um sólido e não um líquido. O fenómeno de adsorção pode ser físico ou químico. Este processo permite que um meio esteja a ser regenerado (produz líquido) e o outro está a ser saturado (absorve vapor).  O Adsorvente em contacto com a água (válvula aberta e vácuo) retira a energia à água (ao evaporador e consequentemente ao espaço a refrigerar) e produz calor (e este retirado pela água de arrefecimento). Este processo irá acontecer até o meio adsorvente ficar saturado;  Após o meio ficar saturado, aquece-se o Adsorvente (à direita), onde se liberta o vapor para o condensador, sendo que este condensa e desloca-se para o evaporador pela válvula à esquerda; O COP deste ciclo é dado pela seguinte equação: × 𝑚 64 Este ciclo é caraterizado por ter um COP baixo e por ter uma baixa potência de arrefecimento. A vantagem é que funciona para fontes de calor de baixo nível. Ciclo de Refrigeração Stirling Este ciclo é constituído por 4 ciclos reversíveis:  Expansão a Temperatura Constante (com transferência de calor de uma fonte externa);  Regeneração a Volume Constante;  Compressão a Temperatura Constante (com transferência de calor para uma fonte externa);  Regeneração a Volume Constante; O pistão comprime e expande o gás, enquanto o deslocador movimenta o gás para a zona de absorção. Este ciclo tem baixa capacidade de refrigeração, um COP baixo e maior custo que a compressão a vapor, mas opera na faixa de temperaturas criogénicas. Apesar de existirem vários ciclos alternativos, o ciclo de refrigeração mais comum, mais barato e com maior COP é o de Compressão a Vapor. 65