Módulo 18.1 - Introdução à refrigeração por compressão de vapor PDF

Climatização e Refrigeração Sistemas de Climatização em Edifícios Adélio Rodrigues Gaspar Francisco Bispo Lamas Gonçalo Brites Marco Fernandes [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] ...

Climatização e Refrigeração Sistemas de Climatização em Edifícios Adélio Rodrigues Gaspar Francisco Bispo Lamas Gonçalo Brites Marco Fernandes [email protected] [email protected] [email protected] [email protected]  C l i m at i za ç ã o e Ref r i ge ra ç ã o / S i ste m a s d e C l i m at i za ç ã o e m Ed i f í c i o s Módulo 18.1 Introdução à refrigeração por compressão de vapor Adélio Rodrigues Gaspar [email protected] Francisco Bispo Lamas Adélio Rodrigues Gaspar Francisco Bispo Lamas Gonçalo Brites Marco Fernandes [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] M ó d u l18.1: Módulo o 1 5Refrigeração : Ref r i ge ra por ç ã ocompressão de vapor 1. Introdução 2. Máquinas frigoríficas 3. Ciclo básico de refrigeração 4. Componentes 4.1 Balanços energéticos 4.2 Evaporadores 4.2 Compressores 4.3 Condensadores 4.4 Dispositivos de expansão 4.5 Outros componentes  MIntrodução 1. ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Definições e âmbito de aplicação Refrigeração: - Processo utilizado para arrefecer ou reduzir a temperatura de um espaço, produto ou processo, deslocando o calor de um local para outro usando um refrigerante num ciclo fechado (na maioria das situações) ou sistema aberto (em sistemas de perda total de refrigerante). - Calor transferido de uma fonte de baixa temperatura para uma fonte de alta temperatura. - É um processo não espontâneo, contrariamente ao que pode acontecer com os processos de arrefecimento. - A temperatura final da fonte de calor (de baixa temperatura) deve ser sempre menor do que o seu ambiente. MIntrodução 1. ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Definições e âmbito de aplicação (cont.) A Refrigeração aplica-se em três grandes áreas: - Refrigeração Doméstica e Comercial: eletrodomésticos (frigoríficos e arcas congeladoras para uso doméstico) e equipamentos comerciais (armários e vitrines frigoríficas, câmaras de refrigeração e de congelação para fins comerciais). - Ar Condicionado: aplicações de conforto (para edifícios habitacionais, de serviços e comerciais) e aplicações industriais (grandes armazéns, oficinas, laboratórios, naves industriais, etc.). - Refrigeração Industrial: industria química, petroquímica e fibras; indústria alimentar (armazenamento e conservação); desportos (pistas de gelo, neve artificial); armazenamento de gases em estado líquido a baixa pressão (gás natural, hidrogénio, oxigénio, nitrogénio), separação de gases; e outras aplicações. 1. MIntrodução ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Definições e âmbito de aplicação (cont.) Refrigeração Doméstica e Comercial*: - Refrigeração doméstica: eletrodomésticos utilizando compressores herméticos com potências nominais reduzidas (de 40 a 400 W). 1) Frigoríficos com e sem congelador, combinados, etc.; 2) Arcas congeladoras verticais ou horizontais. - Refrigeração comercial: pode ser dividida em quatro grandes grupos: 1) Equipamentos hoteleiros de frio para alimentos e bebidas (e.g. abatedores de temperatura, arcas, expositores, gelados, minibar); 2) Câmaras frigoríficas (e.g. câmaras modulares, compactas, especiais); 3) Entrepostos frigoríficos comerciais (distribuição); 4) Aplicações especiais (câmaras de ambiente controlado, de maturação, etc.). *in Refrigeração II, Vitor Monteiro, ETEP, Lidel MIntrodução 1. ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Definições e âmbito de aplicação (cont.) Ar Condicionado: Quase todos os sistemas de AVAC (Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado) que fornecem arrefecimento dependem de um Sistema de Refrigeração para: - Fornecerem um líquido frio (água, solução glicolada, …) ou; - Extraírem calor sensível e latente diretamente de um caudal de ar. Os sistemas de climatização que, para além de funcionarem no modo de Arrefecimento, também fornecem calor aos sistemas de AVAC, no modo de Aquecimento, são denominados Bombas de Calor. MIntrodução 1. ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Definições e âmbito de aplicação (cont.) Refrigeração Industrial: - Indústria Química: são variados os processos industriais químicos que requerem a utilização de frio, por exemplo a separação de gases, a condensação de gases, a secagem de ar, a dissipação de calor de uma reação, a recuperação de dissolventes, controlo de processos de fermentação, etc. - Controlo de processos: a refrigeração é frequentemente utilizada para retardar determinados processos naturais cuja velocidade depende da temperatura. Quanto menor for a temperatura, mais lento será o processo (e.g.: controlo da fermentação nos processo de produção de vinho, produtos láteos ou inclusivamente fermentos naturais de aplicação médica ou biológica). - Separação de gases: destilação fracionada aplicada a uma mistura de gases. Ao converter o ar seco em ar líquido (-173˚C) e posteriormente ao controlar a sua ebulição numa coluna de fracionamento com compartimentos a diferentes temperaturas, onde cada componente é separado de acordo com a sua temperatura de ebulição. Deste modo, obtém-se oxigénio líquido, O₂ (𝑇𝑒𝑏𝑢𝑙𝑖çã𝑜 = -183˚C), árgon líquido, Ar (𝑇𝑒𝑏𝑢𝑙𝑖çã𝑜 = -186˚C) e azoto líquido, N₂ (𝑇𝑒𝑏𝑢𝑙𝑖çã𝑜 = -196˚C). Os gases obtidos têm aplicação nos mais variados sectores de atividade, desde da saúde à alimentação, passando pela eletrónica, metalurgia, química, petroquímica, pasta e papel, e ambiente. 1. MIntrodução ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Definições e âmbito de aplicação (cont.) Refrigeração Industrial: - Armazenamento de gases a baixa pressão: o armazenamento de gases liquefeitos (ocupando menos volume) poderá ser efetuado a alta pressão e à temperatura ambiente, ou a baixa pressão e baixa temperatura (devendo neste caso, o depósito estar devidamente isolado para evitar ganhos térmicos). - Conservação de produtos: o crescimento bacteriano é inibido a baixas temperaturas, impedindo a deterioração de produtos orgânicos, bem como as reações enzimáticas geradas pelos próprios microrganismos. A conservação de alimentos não está isenta de inconvenientes: o aspeto, a qualidade e composição de uma alimento conservado em frio são alterados, pelo que, um aspeto secundário mas não menos importante da refrigeração, é a incidência desta sobre os produtos refrigerados. - Tratamento de metais a frio: algumas propriedades mecânicas dos materiais melhoram quando sujeitos a baixas temperaturas, durante intervalos de tempo relativamente curtos (e.g.: a vida útil de gume aumenta substancialmente se a peça for submetida a um banho criogénico a -100˚C durante alguns minutos). MIntrodução 1. ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Definições e âmbito de aplicação (cont.) Refrigeração Industrial: - Produção de gelo e neve carbónica: utilização de gelo em grandes quantidades em mercados, peixarias e em barcos de pesca, para preservação do pescado. A neve carbónica tem uma aplicação bastante limitada na utilização em extintores de combate a incêndios. - Desportos: produção de neve artificial para pistas de esqui, ou de gelo artificial para rinques de patinagem ou de hóquei no gelo (fazendo circular uma solução de salmoura, a baixa temperatura por uma rede de tubagem situada sob a pista, coberta de água). M ó d u l18.1: Módulo o 1 5Refrigeração : Ref r i ge ra por ç ã ocompressão de vapor 1. Introdução 2. Máquinas frigoríficas 3. Ciclo básico de refrigeração 4. Componentes 4.1 Balanços energéticos 4.2 Evaporadores 4.2 Compressores 4.3 Condensadores 4.4 Dispositivos de expansão 4.5 Outros componentes MMáquinas 2. ó d u l o 1 5frigoríficas : Ref r i ge ra ç ã o Introdução: - Considere-se uma máquina frigorífica (R): 1) A operar em ciclo fechado reversível em regime estacionário; 2) Com transferência de calor entre duas fontes* (HS₁ e HS₂), a diferentes temperaturas absolutas, 𝑇2 > 𝑇1 ; 3) Uma entrada de energia mecânica externa, 𝑊. - Após um ciclo ou um intervalo de tempo, em que vários ciclos foram concluídos, a máquina térmica recebeu uma quantidade de trabalho externo e calor foi transferido de e para as fontes. * Na realidade, uma “fonte” e um “poço” MMáquinas 2. ó d u l o 1 5frigoríficas : Ref r i ge ra ç ã o Introdução: - A variação de entropia para a máquina frigorífica R e fontes de calor HS₁ e HS₂, são dadas por: ∆𝑆𝑅 = 0 (1) 𝑄1 ∆𝑆HS1 = − (2) 𝑇1 𝑄2 ∆𝑆HS2 = (3) 𝑇2 - A variação de entropia para todo o sistema: 𝑄1 𝑄2 ∆𝑆𝑠𝑦𝑠𝑡𝑒𝑚 =− + (4) 𝑇1 𝑇2 MMáquinas 2. ó d u l o 1 5frigoríficas : Ref r i ge ra ç ã o Introdução: - O princípio de conservação de energia aplicado a este sistema termodinâmico resulta na forma da Primeira Lei da Termodinâmica: 𝑊 + 𝑄1 − 𝑄2 = 0 (5) - Rearranjando as Eq. (4) e Eq. (5) é possível obter: 𝑇2 − 𝑇1 𝑊 − 𝑄1 × = 𝑇2 × ∆𝑆𝑠𝑦𝑠𝑡𝑒𝑚 𝑇1 (6) 𝑇2 − 𝑇1 𝑊 − 𝑄2 × = 𝑇1 × ∆𝑆𝑠𝑦𝑠𝑡𝑒𝑚 𝑇2 MMáquinas 2. ó d u l o 1 5frigoríficas : Ref r i ge ra ç ã o Eficiência de uma máquina frigorífica: - Para as máquinas frigoríficas, a energia útil (energia extraída) é dada por 𝑄1 enquanto que o consumo de energia para a finalidade (entrada de trabalho) é dado por 𝑊. 𝑇1 𝑄1 = × 𝑊 − 𝑇2 ∆𝑆𝑠𝑦𝑠𝑡𝑒𝑚 (7) 𝑇2 − 𝑇1 - A "eficiência" de refrigeração pode ser medida pela razão destas duas quantidades e é denominada por Coeficiente de Performance (𝑪𝑶𝑷 – Coefficient of Performance): 𝑄1 𝑇1 𝑇2 ∆𝑆𝑠𝑦𝑠𝑡𝑒𝑚 (8) 𝐶𝑂𝑃𝑅 = = × 1− 𝑊 𝑇2 − 𝑇1 𝑊 MMáquinas 2. ó d u l o 1 5frigoríficas : Ref r i ge ra ç ã o Eficiência de refrigeração máxima: - A partir da Eq. (8), verifica-se que o 𝐶𝑂𝑃 máximo é dado por 𝑇1 Τ 𝑇2 − 𝑇1. 𝑇1 𝐶𝑂𝑃𝑚𝑎𝑥 = (9) 𝑇2 − 𝑇1 - É um valor ideal, uma vez que o equipamento real tem sempre um certo nível de irreversibilidade; - Este 𝐶𝑂𝑃, nunca alcançável na prática, é útil para comparar o desempenho de sistemas reais e determinar o potencial de “melhoria” que estes ainda possam podem ter; - Pode ser deduzido a partir do ciclo de Carnot invertido (processo de refrigeração ideal), um ciclo de quatro processos, após o qual retorna para o estado original. Temperaturas em K MMáquinas 2. ó d u l o 1 5frigoríficas : Ref r i ge ra ç ã o Ciclo de Carnot Invertido: - Adição de trabalho ao sistema, resultando numa compressão isentrópica (adiabática e reversível), evolução vertical para cima na área bifásica de líquido-vapor (❶-❷); - Rejeição de calor para o “poço” de alta temperatura, com condensação completa, a uma temperatura constante (isotérmica) e pressão constante (isobárica), evolução horizontal (❷-❸); - Expansão isentrópica do ponto de líquido saturado para a pressão correspondente da temperatura da fonte fria, evoluindo para a mistura líquido-vapor, numa evolução vertical descendente (❸-❹); - Adição de calor, a partir da fonte de baixa temperatura, com vaporização parcial a temperatura e pressão constantes (isotérmica e isobárica), fechando o ciclo numa evolução horizontal (❹-❶). MMáquinas 2. ó d u l o 1 5frigoríficas : Ref r i ge ra ç ã o Ciclo de Carnot Invertido: - O calor transferido de fontes frias e quentes é, respetivamente: 𝑄1 = 𝑇1 × 𝑆1 − 𝑆4 = 𝑇1 × 𝑆2 − 𝑆3 ቐ (10) 𝑄2 = 𝑇2 × 𝑆2 − 𝑆3 - Aplicando a Primeira Lei da Termodinâmica: 𝑊 = 𝑄2 − 𝑄1 = 𝑇2 − 𝑇1 × 𝑆2 − 𝑆3 (11) - O 𝑪𝑶𝑷 de uma máquina frigorifica de Carnot resulta em: 𝑄1 𝑇1 1 𝐶𝑂𝑃𝑅,𝐶𝑎𝑟𝑛𝑜𝑡 = = = (12) Temperaturas em K 𝑊 𝑇2 − 𝑇1 𝑇2 Τ𝑇1 − 1 MMáquinas 2. ó d u l o 1 5frigoríficas : Ref r i ge ra ç ã o Eficiência de refrigeração ou Eficiência da Segunda Lei baseada no 𝑪𝑶𝑷: - O potencial de melhoria de um sistema real pode ser medido pela razão dos 𝐶𝑂𝑃s de um sistema de refrigeração real para um ciclo de Carnot (reversível) entre as temperaturas da fonte e do poço de calor; - Esta relação é conhecida como Eficiência de refrigeração ou Eficiência da Segunda Lei (da Termodinâmica) baseada no 𝑪𝑶𝑷; 𝐶𝑂𝑃 𝐶𝑂𝑃𝑅 𝜂𝐼𝐼 ou 𝐶𝑂𝑃𝐼𝐼 = = ≤1 (13) 𝐶𝑂𝑃𝑟𝑒𝑣 𝐶𝑂𝑃𝑅,𝐶𝑎𝑟𝑛𝑜𝑡 - Definida como a razão entre a entrada de energia mínima requerida para um sistema ideal e a entrada de energia real de um sistema real; - O seu valor fornece uma importante indicação da eficácia na utilização de energia. M ó d u l18.1: Módulo o 1 5Refrigeração : Ref r i ge ra por ç ã ocompressão de vapor 1. Introdução 2. Máquinas frigoríficas 3. Ciclo de compressão de vapor ideal 4. Componentes 4.1 Balanços energéticos 4.2 Evaporadores 4.2 Compressores 4.3 Condensadores 4.4 Dispositivos de expansão 4.5 Outros componentes MCiclo 3. ó d u lde o 1compressão 5 : Ref r i gede ra çvapor ã o ideal Ciclo de compressão de vapor ideal: Apesar da máxima eficiência proporcionada pelo ciclo de Carnot invertido, este não é um modelo adequado para ciclos de refrigeração, nem pode ser aproximado em dispositivos reais; A inatingibilidade de tal princípio de funcionamento implica algumas modificações no ciclo de refrigeração, levando a outra definição conceitual: o ciclo ideal de compressão de vapor; As diferenças entre os dois ciclos podem ser observadas na figura: MCiclo 3. ó d u lde o 1compressão 5 : Ref r i gede ra çvapor ã o ideal Ciclo de compressão de vapor ideal (cont): As áreas sombreadas representam o calor (trabalho, no diag. P-h) extra que poderia ser evitado (região acima da temperatura de condensação, durante os processos de compressão e desuperaquecimento) e o calor (trabalho, no P-h) que poderia ser potencialmente recuperado (área abaixo da temperatura de evaporação durante a expansão); - A vaporização total do fluido antes da compressão e a substituição da turbina por um dispositivo de estrangulamento eliminam as impraticabilidades associadas ao ciclo de Carnot, tornando o ciclo de compressão de vapor o ciclo mais utilizado na refrigeração, em sistemas AVAC e bombas de calor. MCiclo 3. ó d u lde o 1compressão 5 : Ref r i gede ra çvapor ã o ideal Ciclo de compressão de vapor ideal (cont): O ciclo de compressão de vapor ideal é também um ciclo de quatro processos. As suas evoluções podem ser descritas da seguinte forma, e como representado na figura: - Compressão isentrópica (adiabática e reversível), começando de uma condição de vapor saturado para a área de vapor sobreaquecido (compressão seca em vez de húmida). Isto irá aumentar o efeito de refrigeração e evitar o golpes de líquido no compressor (❶-❷); - Rejeição de calor reversível (❷-❸). Primeiro com um arrefecimento sensível do vapor sobreaquecido (desuperaquecimento) e depois por uma condensação completa a temperatura e pressão constantes; - Nesta evolução, a temperatura do fluido deve ser maior do que o seu ambiente, mas preservando a hipótese de reversibilidade, a diferença de temperatura deve ser infinitesimal e não se consideram as perdas de pressão. MCiclo 3. ó d u lde o 1compressão 5 : Ref r i gede ra çvapor ã o ideal Ciclo de compressão de vapor ideal (cont): - Expansão isentálpica, sem aquecimento de absorção ou rejeição, e sem trabalho mecânico envolvido (❸- ❹). Em oposição à expansão do ciclo de Carnot invertido, este processo não é reversível; A redução da pressão provoca uma queda de temperatura correspondente, devido à quantidade de energia removida da vaporização parcial (ou instantânea) do fluido; A quantidade de gás instantâneo é responsável pelo aumento do volume do fluido de trabalho e, por conseguinte, a válvula de estrangulamento é designada como dispositivo de expansão. - Adição de calor reversível (❹-❶) com uma vaporização completa a temperatura e pressão constantes; - Como no processo de condensação, a hipótese de reversibilidade impõe uma diferença de temperatura infinitesimal, permutadores de calor infinitos e a inexistência de perdas de pressão. MCiclo 3. ó d u lde o 1compressão 5 : Ref r i gede ra çvapor ã o ideal Ciclo de compressão de vapor ideal versus real: As principais diferenças entre o ciclo de compressão de vapor ideal e real, são devidas a: I. Permutadores de calor (condensadores e evaporadores) sem superfícies infinitas de permuta de calor, nem diferenças de temperatura infinitesimais com as fontes de calor, dando origem a processos irreversíveis. II. Existência de subarrefecimento do líquido ou de sobreaquecimento de vapor, quer produzido no próprio permutador (condensador ou evaporador), ou num permutador de calor interno; a) Embora haja aumento do efeito de refrigeração, o subarrefecimento não é desejado, uma vez que a totalidade da área da permuta de calor do condensador não é usada para o processo de condensação; MCiclo 3. ó d u lde o 1compressão 5 : Ref r i gede ra çvapor ã o ideal Ciclo de compressão de vapor ideal versus real (cont): b) Por outro lado, a existência de vapor ligeiramente sobreaquecido na saída do evaporador é crucial para a proteção do compressor; c) Na presença de um permutador interno, e uma vez que a taxa de fluxo é a mesma, a relação de diferenças de entalpia (ou evoluções sensíveis, líquido e vapor) do subarrefecimento e do processo de sobreaquecimento, é dada pela eficácia do permutador. ∆ℎ1→7 ℎ7 − ℎ1 𝜀𝐻𝑋 = = (14) ∆ℎ3→5 ℎ3 − ℎ5 MCiclo 3. ó d u lde o 1compressão 5 : Ref r i gede ra çvapor ã o ideal Ciclo de compressão de vapor ideal versus real: III. Comportamento do compressor real, e subsequente redução da eficiência volumétrica real, 𝜂𝑣 (razão entre o caudal volumétrico que entra no compressor e a taxa de deslocamento do compressor), devido a: a) Aumento da relação de pressões, 𝑟𝑃 (rácio entre a pressão de descarga e a pressão de sucção), ou do volume nocivo ou morto (se a expansão for adiabática: 𝑃𝑉 𝛾 = constante); 𝑉ሶ 𝜂𝑣 = (15) 𝑉ሶ𝑑 𝑃𝑑𝑖𝑠𝑐 𝑟𝑝 = (16) 𝑃𝑠𝑢𝑐𝑡 b) Existência de válvulas de descarga e de admissão, aumentando a relação de pressões; MCiclo 3. ó d u lde o 1compressão 5 : Ref r i gede ra çvapor ã o ideal Ciclo de compressão de vapor ideal versus real (cont): c) Adição de calor a partir das paredes quentes do compressor para a o vapor de sucção, aumentando o seu volume específico e, consequentemente, diminuindo a taxa de fluxo de massa do refrigerante, ou perdas de calor através da envolvente do compressor, refutando os pressupostos de re-expansões isentrópicas e aproximando a evolução real a uma evolução politrópica (𝑃𝑉 𝑛 = constante), envolvendo algum arrefecimento; MCiclo 3. ó d u lideal o 1 5de : Ref r i ge ra ç ãde compressão o vapor Ciclo de compressão de vapor ideal versus real (cont): d) Presença de lubrificantes e matéria residual não condensável ​(outros fluidos presentes no sistema de refrigeração), ocupando volume destinado ao refrigerante; e) Fugas de refrigerante, reduzindo a eficiência volumétrica de forma proporcional à taxa de fluxo de massa perdida. Outra definição é utilizada para caracterizar a eficiência volumétrica, designando-se por eficiência volumétrica nociva, 𝜂𝑣𝑐 (razão entre o volume de sucção efetivo e o volume varrido). 𝑉𝑎′ − 𝑉𝑑′ 𝜂𝑣𝑐 = (17) 𝑉𝑎′ − 𝑉𝑐′ MCiclo 3. ó d u lideal o 1 5de : Ref r i ge ra ç ãde compressão o vapor Ciclo de compressão de vapor ideal versus real (cont): - Dois compressores podem ser comparados pela eficiência de energia de compressão. - Este termo é definido pela razão entre a adição de trabalho mínimo requerido (trabalho isentrópico, 𝑤𝑠 ou 𝑤𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 ) para comprimir um gás a partir 𝑃1 , 𝑇1 até 𝑃2 , e a adição de trabalho real (𝑤𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙 , que inclui várias perdas). - É conhecida como a eficiência isentrópica de um compressor, 𝜂𝑠 , ou como eficiência de compressão adiabática. 𝑤𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 𝛥ℎ𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 ℎ8𝑠 −ℎ7 𝜂𝑠 = ≅ = (18) 𝑤𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙 𝛥ℎ𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙 ℎ8 −ℎ7 - Desprezando alterações da energia cinética e potencial durante a compressão, o trabalho fornecido a um compressor adiabático é igual à alteração de entalpia. MCiclo 3. ó d u lde o 1compressão 5 : Ref r i gede ra çvapor ã o ideal Ciclo de compressão de vapor ideal versus real (cont): IV. Existência de perdas de carga também aumenta a relação de pressões, e é dependente de: a) Tipos e dimensões dos permutadores de calor (condensador, evaporador); b) Dimensões da tubagem e existência de válvulas e acessórios; c) Propriedades físicas do refrigerante. Estas perdas de carga podem ser divididas em alta (∆𝑃2 ) e em baixa pressão (∆𝑃1 ). MCiclo 3. ó d u lde o 1compressão 5 : Ref r i gede ra çvapor ã o ideal Ciclo de compressão de vapor ideal versus real: Considerando todas as diferenças entre os ciclos de compressão de vapor ideais e reais anteriormente referidas e apresentados nas figuras, o ciclo real pode ser representado da seguinte forma: Reaquecimento na tubagem de sucção do compressor; Expansão do vapor na válvula de sucção; Reaquecimento do vapor que entram no cilindro; Compressão real (não-isentrópica); Expansão do gás na válvula de descarga; Dessobreaquecimento nos tubos de ligação; Dessobreaquecimento, condensação e subarrefecimento (subarrefecedor poderá não existir); Expansão isentálpica na válvula de expansão; Vaporização completa e sobreaquecimento. M ó d u l18.1: Módulo o 1 5Refrigeração : Ref r i ge ra por ç ã ocompressão de vapor 1. Introdução 2. Máquinas frigoríficas 3. Ciclo ideal de compressão de vapor 4. Componentes 4.1 Balanços energéticos 4.2 Evaporadores 4.2 Compressores 4.3 Condensadores 4.4 Dispositivos de expansão 4.5 Outros componentes MComponentes 4. ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Balanços energéticos Componentes utilizados em sistemas de compressão de vapor: - Componentes cruciais de um sistema de refrigeração por compressão de vapor: - Evaporadores; - Compressores; - Condensadores; - Dispositivos de expansão. - Serão delineadas as suas principais características, configurações e tipos, juntamente com uma breve análise termodinâmica e de transferência de calor das evoluções que ocorrem dentro de cada um deles. MComponentes 4. ó d u l o 1 5 : Ref dorciclo i ge ra ç ã o Balanços energéticos Componentes utilizados em sistemas de compressão de vapor: 1. Evaporador 2. Compressor Sistema de refrigeração cujos 3. Condensador componentes serão descritos, 4. Dispositivo a operar num ciclo de de Expansão compressão de vapor ideal: MComponentes 4. ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Balanços energéticos Componentes utilizados em sistemas de compressão de vapor: 1. Evaporador 2. Compressor Sistema de refrigeração cujos 3. Condensador componentes serão descritos, 4. Dispositivo a operar num ciclo de de Expansão compressão de vapor ideal: MComponentes 4. ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Balanços energéticos 𝑞𝑐𝑜𝑛𝑑 = ℎ3 − ℎ2 kJ/kg Líquido (saturado) Vapor (sobreaquecido) Condensador ℎ1 − ℎ4 𝐶𝑂𝑃c = Compressor ℎ2 − ℎ1 Válvula de Expansão ℎ4 = ℎ3 kJ/kg 𝑤𝑐𝑜𝑚𝑝 = ℎ2 − ℎ1 kJ/kg Mistura Evaporador Bifásica Vapor (saturado) 𝑞𝑒𝑣𝑎𝑝 = ℎ1 − ℎ4 kJ/kg Vapor (sobreaquecido) Líquido Líquido (saturado) (saturado) Mistura Mistura Líquido Vapor Líquido Vapor Bifásica Bifásica Vapor Vapor Mistura Bifásica (saturado) (saturado) Mistura Bifásica MComponentes 4. ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Balanços energéticos Formulário: Líquido (saturado) Vapor (sobreaquecido) Condensador Trabalho específico de compressão: Compressor 𝑤𝑐𝑜𝑚𝑝 = ℎ2 − ℎ1 kJ/kg Válvula de Expansão Efeito de refrigeração (ou energia específica absorvida no evaporador): Mistura Evaporador 𝐸𝑅 = 𝑞𝑒𝑣𝑎𝑝 = ℎ1 − ℎ4 kJ/kg Bifásica Vapor (saturado) Energia específica dissipada no condensador: 𝑞𝑐𝑜𝑛𝑑 = ℎ3 − ℎ2 kJ/kg Vapor (sobreaquecido) Expansão adiabática: ℎ4 = ℎ3 kJ/kg Líquido Líquido (saturado) (saturado) 𝑞𝑒𝑣𝑎𝑝 ℎ1 −ℎ4 Mistura Eficiência do ciclo: 𝐶𝑂𝑃c = = Mistura Líquido Vapor 𝑤 ℎ2 −ℎ1 Líquido Vapor Bifásica Bifásica Vapor Vapor Mistura Bifásica (saturado) (saturado) Mistura Bifásica MComponentes 4. ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Balanços energéticos Formulário: Caudal mássico 𝑚ሶ kg/s Líquido (saturado) Vapor (sobreaquecido) Condensador Potência de Compressão: Compressor 𝑊ሶ 𝑐𝑜𝑚𝑝 = 𝑚ሶ × ℎ2 − ℎ1 kW Válvula de Expansão 𝑤𝑐𝑜𝑚𝑝 kJ/kg Capacidade de Refrigeração (ou Potência de Mistura Evaporador Refrigeração ou Potência absorvida no evaporador: Bifásica Vapor (saturado) 𝐶𝑅ሶ = 𝑄ሶ 𝑒𝑣𝑎𝑝 = 𝑚ሶ × ℎ1 − ℎ4 kW 𝐸𝑅 = q𝑒𝑣𝑎𝑝 kJ/kg Vapor (sobreaquecido) Líquido Potência dissipada no Condensador (ou Potência de Líquido (saturado) (saturado) Aquecimento, no caso de Bombas de Calor): Líquido Mistura Vapor Líquido Mistura Bifásica Vapor 𝑄ሶ 𝑐𝑜𝑛𝑑 = 𝑚ሶ × ℎ3 − ℎ2 kW Bifásica Vapor Vapor (saturado) Mistura Bifásica (saturado) 𝑞𝑐𝑜𝑛𝑑 kJ/kg Mistura Bifásica 𝑄ሶ 𝑒𝑣𝑎𝑝 ሶ ℎ1 −ℎ4 𝑚× Eficiência do ciclo: 𝐶𝑂𝑃c = = 𝑊ሶ 𝑐𝑜𝑚𝑝 𝑚×ሶ ℎ2 −ℎ1 MComponentes 4. ó d u l o 1 5 : Ref dorciclo i ge ra ç ã o Balanços energéticos Componentes utilizados em sistemas de compressão de vapor: Aplicando a Primeira Lei da Termodinâmica (princípio da conservação da energia), ao calor e aos processos termodinâmicos que ocorrem num sistema aberto (e.g. permutadores de calor - condensadores e evaporadores, compressores e dispositivos de expansão): - a variação da energia interna específica (com base unitária de massa), ∆𝑢, é dada pelo equilíbrio entre o calor específico, 𝑞, adicionado (+, ou removido de, -) e pelo trabalho específico, 𝑤, fornecido ao (+, ou cedido pelo, -) sistema. 𝛥𝑢 = 𝑢𝑜𝑢𝑡 − 𝑢𝑖𝑛 = 𝑞 + 𝑤 (19) Para um fluido de trabalho, a variação da energia total, com base unitária na massa, Δ𝜃, é dada pela soma das variações da energia específica do fluxo, Δ 𝑃𝑣 , energia interna específica, Δ𝑢, energia cinética, Δ v 2 /2 e energia potencial, Δ 𝑔𝑧. Considerando o calor específico, 𝑞, e o trabalho específico, 𝑤, adicionado ao sistema, o balanço energético resulta: 2 2 v𝑖𝑛 v𝑜𝑢𝑡 𝛥𝜃 = 𝑃𝑖𝑛 𝑣𝑖𝑛 + 𝑢𝑖𝑛 + + 𝑔𝑧𝑖𝑛 + 𝑞 + 𝑤 = 𝑃𝑜𝑢𝑡 𝑣𝑜𝑢𝑡 + 𝑢𝑜𝑢𝑡 + + 𝑔𝑧𝑜𝑢𝑡 (20) 2 2 MComponentes 4. ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Balanços energéticos Componentes utilizados em sistemas de compressão de vapor: Um dos potenciais termodinâmicos, a entalpia, ℎ, é por definição uma propriedade de combinação usada para caracterizar o estado de um sistema (como resulta de outras propriedades do estado, como: - Energia interna, 𝑢; - Pressão, 𝑃; - Volume específico, 𝑣. Podendo o balanço energético ser reescrito como: ℎ =𝑢+𝑃𝑣 (21) 2 2 v𝑖𝑛 v𝑜𝑢𝑡 ℎ𝑖𝑛 + + 𝑔𝑧𝑖𝑛 + 𝑞 + 𝑤 = ℎ𝑜𝑢𝑡 + + 𝑔𝑧𝑜𝑢𝑡 (22) 2 2 Desprezando as variações de velocidade (v) e alturas (𝑧), respetivamente em termos de energia cinética e potencial, o balanço energético genérico resulta: ℎ𝑖𝑛 + 𝑞 + 𝑤 = ℎ𝑜𝑢𝑡 (23) MComponentes 4. ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Evaporadores Componentes utilizados em sistemas de compressão de vapor: 1. Evaporadores - Componentes de sistemas de refrigeração "utilizados para refrigerar ar, gases, líquidos e sólidos, condensar substâncias voláteis e congelar produtos“. - Permutadores de calor que recebem o fluido a baixa pressão e temperatura, resultante do processo de expansão, trazendo-o em contato térmico próximo com a carga térmica. - A partir desta carga, e ao longo do evaporador, o fluido absorve o calor latente, terminando como um gás seco (normalmente). - Nos evaporadores, e nos permutadores de calor em geral, não há energia mecânica envolvida. Assim, 𝑤 = 0 e o balanço energético é: 𝑞 = Δℎ = ℎ𝑜𝑢𝑡 − ℎ𝑖𝑛 (24) MComponentes 4. ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Evaporadores Componentes utilizados em sistemas de compressão de vapor: 1. Evaporadores - A quantidade de calor absorvida no evaporador, ou o efeito de refrigeração: 𝐸𝑅 = 𝑞𝑒𝑣𝑎𝑝 = Δℎ𝑒𝑣𝑎𝑝 = ℎ1 − ℎ4 (25) - Em condições ideais, tendo vapor saturado à saída do evaporador, também pode ser obtido em função do título ou qualidade da mistura bifásica, 𝓍,(relação da massa de vapor para a massa total de uma mistura saturada) e do calor latente de vaporização, ℎ𝑓𝑔 : 𝐸𝑅 = 𝑞𝑒𝑣𝑎𝑝 = (1 − 𝓍) × ℎ𝑓𝑔 (26) - A capacidade de refrigeração, 𝑄ሶ 𝑒𝑣𝑎𝑝 , pode ser definida como o calor transferido através do evaporador, a partir da carga térmica para a massa de refrigerante, por unidade de tempo, (caudal mássico do refrigerante, 𝑚̇ሶ , multiplicado pelo efeito de refrigeração): 𝐶𝑅ሶ = 𝑄ሶ 𝑒𝑣𝑎𝑝 = 𝑚ሶ × 𝑞𝑒𝑣𝑎𝑝 = 𝑚ሶ × ℎ1 − ℎ4 (27) MComponentes 4. ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Evaporadores Componentes utilizados em sistemas de compressão de vapor: 1. Evaporadores - A correlação entre a Eq. (25) e a Eq. (26) pode ser extremamente útil para obter o valor correspondente do ponto ❹, 𝑠4 , no diagrama 𝑇-𝑠, ou qualquer outra propriedade para esse ponto. - A qualidade da mistura, 𝓍, resulta como a razão das distâncias f4 ഥ Τfg ഥ no diagrama 𝑃-ℎ ou 𝑇-𝑠 (propriedades de líquido saturado 𝑓 e vapor saturado 𝑔, e evolução total de vaporização 𝑓𝑔): ഥ Τfg 𝓍 = 1 − ℎ1 − ℎ4 Τℎ𝑓𝑔 = ℎ4 − ℎ𝑓 ൗℎ𝑓𝑔 = f4 ഥ (28) - O valor de entalpia e da entropia para o ponto ❹ pode ser obtido por: ℎ4 = ℎ𝑓 + 𝓍 × ℎ𝑓𝑔 (29) 𝑠4 = 𝑠𝑓 + 𝓍 × 𝑠𝑓𝑔 (30) MComponentes 4. ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Evaporadores Componentes utilizados em sistemas de compressão de vapor: 1. Evaporadores - Os evaporadores podem ser classificados de acordo com sua função (em relação ao meio de arrefecimento), tipo de construção e pelas técnicas de fornecimento de fluido refrigerante. - Começando com funcionalidade, eles são divididos em: 1. Arrefecedores de ar (air-coils); - Nos arrefecedores de ar, o fluxo de ar é arrefecido pelo refrigerante que circula dentro de tubos alhetados, e o método de fornecimento de refrigerante é por expansão direta. 2. Arrefecedores de líquidos (liquid chillers). - Podem ter muitas configurações, tais como : 1. Evaporadores de tanque de imersão (com permutadores convencionais ou em espinha, totalmente imersas no líquido); 2. Evaporadores de carcaça e tubos (líquido em tubos, carcaça, ¾ cheia de líquido refrigerante); MComponentes 4. ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Evaporadores Componentes utilizados em sistemas de compressão de vapor: 1. Evaporadores 3. Evaporadores de carcaça e serpentina (água na carcaça defletora e refrigerante dentro da serpentina); 4. Chillers de pulverização (os pulverizadores asseguram uma película líquida de evaporação sobre os tubos de água ou salmoura, usando muito menos carga de refrigeração do que o evaporador convencional inundado); 5. Permutadores de placas (amplamente utilizado em sistemas de refrigeração atuais, mas somente para pequenas potências; 6. Permutadores de calor de carcaça e placas (para instalações maiores, princípio semelhante ao de placas); 7. Congeladores de placas (tipos horizontais ou verticais, utilizados para congelamento de produtos de contacto direto); 8. Evaporadores tipo Baudelot (usados ​quando a água está perto do seu ponto de congelamento). MComponentes 4. ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Evaporadores Componentes utilizados em sistemas de compressão de vapor: 1. Evaporadores - O método de fornecimento de refrigerante pode ser por expansão direta ou inundada. Expansão Direta DX Sistemas inundados MComponentes 4. ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Evaporadores Componentes utilizados em sistemas de compressão de vapor: 1. Evaporadores Fornecimento de refrigerante - Expansão Direta DX - Os evaporadores de expansão direta têm um fluxo contínuo através do permutador de calor e a regulação da válvula de expansão é feita de forma que todo o líquido é completamente vaporizado e ligeiramente sobreaquecido (também chamado de “expansão seca”), de 4 a 7 °C. - É muito usado com refrigerantes halocarbonados (CFCs), para temperaturas de refrigeração moderadas. Para sistemas com NH₃ e aplicações de baixa temperatura, o seu uso é limitado. - Fornecimento de refrigerante - Sistemas inundados - O método de alimentação inundada é desejável para pequenas diferenças de temperatura entre o fluido e o refrigerante, 𝐷𝑇1 e para aplicações de baixa temperatura. - Baseia-se na circulação do refrigerante líquido, através do evaporador (por gravidade e um efeito de termossifão ou por convecção forçada, utilizando uma bomba - também chamada “recirculação de líquido” ou método “líquido sobrealimentado”, numa quantidade maior do que o evaporador pode evaporar. MComponentes 4. ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Evaporadores Componentes utilizados em sistemas de compressão de vapor: 1. Evaporadores Fornecimento de refrigerante - Sistemas inundados - O refrigerante é retido num recetor de baixa pressão, onde evapora ou é levado para evaporadores individuais, retornando como uma mistura líquido-vapor. - O nível de refrigerante é geralmente controlado por uma válvula de alta ou baixa pressão, admitindo o refrigerante líquido para substituir a quantidade vaporizada. MComponentes 4. ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Evaporadores Componentes utilizados em sistemas de compressão de vapor: 1. Evaporadores Fornecimento de refrigerante - DX versus Sistemas inundados - Quando comparados com os evaporadores de expansão direta, os evaporadores inundados: 1. Utilizam mais eficazmente a superfície de troca de calor, porque a superfície interna do tubo está completamente molhada; 2. Têm menos problemas graves na distribuição de refrigerante em evaporadores de circuitos paralelos 3. Induzem uma temperatura de descarga mais baixa no compressor, uma vez que a temperatura de entrada do gás de sucção também diminui, devido à entrada de vapor saturado em vez de vapor sobreaquecido no compressor. MComponentes 4. ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Evaporadores Componentes utilizados em sistemas de compressão de vapor: 1. Evaporadores Fornecimento de refrigerante - DX versus Sistemas inundados - Por oposição, evaporadores de expansão direta: 1. São menos dispendiosos e mais viáveis ​para pequenas aplicações; 2. Têm menos carga de refrigerante; 3. São menos complexos, requerem menos manutenção (os evaporadores inundados tendem a acumular óleo no depósito, exigindo a remoção de óleo periódica ou continuamente. MComponentes 4. ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Evaporadores Componentes utilizados em sistemas de compressão de vapor: 1. Evaporadores - Os evaporadores também podem ser classificados em convecção natural ou forçada, e pela configuração do escoamento de ar na serpentina, em condições de subpressão ou de sobrepressão. - Todas arrefecedores de ar funcionam normalmente abaixo das condições de ponto de orvalho dos espaços refrigerados (abaixo de 3.3 °C), aumentando a formação de gelo ao redor da serpentina, diminuindo sua eficiência de transferência de calor (aumentam a área de troca de calor e adicionam outra resistência térmica). - Para estes casos, a descongelação é necessária e o método utilizado depende da temperatura do ar, podendo ser efetuada através de: - Ar; - Água; - Gás quente; - Resistências elétricas, etc. MComponentes 4. ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Compressores Componentes utilizados em sistemas de compressão de vapor: 2. Compressores - Componentes de sistemas de refrigeração “responsáveis pela geração de movimento do fluido de trabalho, transportando-o o longo de todo o sistema”. - É por isso considerado o “coração” do sistema de refrigeração por compressão de vapor. - O compressor tem duas funções básicas: 1. Sucção do gás seco a baixa pressão proveniente do evaporador, removendo-o e evitando a sua acumulação, o que aumentaria a pressão de evaporação e consequentemente a temperatura correspondente; e 2. A função de compressão, elevando a pressão do gás seco a baixa pressão para um nível no qual possa condensar, de forma económica, através de um agente de arrefecimento externo. MComponentes 4. ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Compressores O ciclo de compressão de vapor (cont.) Componentes utilizados em sistemas de compressão de vapor: 2. Compressores - Considerando-se um compressor adiabático, onde não há transferência de calor durante a compressão, 𝑞 = 0 e o balanço energético é: 𝑤 = ℎ𝑜𝑢𝑡 − ℎ𝑖𝑛 (32) - A quantidade de trabalho realizado no sistema, ou o trabalho ideal de compressão, 𝑤𝑐𝑜𝑚𝑝 : 𝑤𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 = Δℎ𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 = ℎ2 − ℎ1 (33) - A potência necessária, se a compressão é adiabática e sem fricção, 𝑊ሶ 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 , , é o resultado do fluxo de massa de refrigerante, 𝑚,ሶ multiplicado pelo trabalho ideal de compressão: 𝑊ሶ 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 = 𝑚ሶ × 𝑤𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 = 𝑚ሶ × ℎ2 − ℎ1 (34) Métodos para obter o efeito de compressão: 1. Deslocamento volumétrico ou positivo, onde o volume discreto confinado de gás de baixa pressão é mecanicamente reduzido, causando um aumento de pressão; 2. Dinâmicos, na qual a elevação da pressão é obtida aumentando a velocidade do gás de baixa pressão e depois reduzindo-o num difusor, transformando a energia cinética num aumento de pressão. MComponentes 4. ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Compressores Componentes utilizados em sistemas de compressão de vapor: 2. Compressores Compressores Deslocamento Positivo ou Dinâmicos Volumétricos Alternativos Rotativos Ejetores Turbo Alhetas (ou de Espiral Anel de Lóbulos Parafuso Centrífugos Axiais palhetas) (Scroll) líquido (Roots) (Screw) MComponentes 4. ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Compressores Componentes utilizados em sistemas de compressão de vapor: 2. Compressores - Nos sistemas de refrigeração industrial, os tipos mais utilizados são os de parafuso e alternativos, mas também centrífugos (restritos a industrias de grande capacidade e industrias de processos ou utilizados em equipamentos de refrigeração de água para aplicações de AVAC). - Nos últimos anos, os compressores scroll ocuparam um lugar proeminente em equipamentos de AVAC, devido às suas vantagens singulares, mas ainda não estão disponíveis nas capacidade normais utilizadas na indústria Refrigeração. - Construtivamente, os compressores podem ser classificados em: 1. Tipo aberto, tendo um veio estendido para fora do compressor e ligado externamente ao motor de acionamento, evitando o sobreaquecimento do gás antes de entrar no cilindro, aumentando o risco de fuga de refrigerante através do acoplamento do eixo do motor e compressor. O tipo aberto é usado em sistemas de amoníaco, uma vez que este refrigerante reage, atacando os enrolamentos de cobre do motor (tal não acontece com os refrigerantes halocarbonados). MComponentes 4. ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Compressores Componentes utilizados em sistemas de compressão de vapor: 2. Compressores 2. Tipo fechado que, por sua vez, pode ser dividido em: a) Hermeticamente fechado, usado em pequenos aparelhos, como frigoríficos e congeladores domésticos, pequenos equipamentos de ar condicionado, e tem um uma carcaça completamente soldada, incapacitando a sua reparação ou manutenção, mas garantindo vários anos a operar sem fugas de refrigerante. Não têm sistema de bomba de lubrificação, uma vez que a lubrificação é feita por salpicos de óleo sobre as partes móveis. b) Semi-hermético é semelhante ao tipo de compressor totalmente hermético, com exceção da carcaça envolvendo tanto o motor como o compressor, que é acessível do exterior para manutenção e reparação. É normalmente limitado a uma capacidade máxima de refrigeração de cerca de 150 kW. Os enrolamentos do motor são refrigerados por gases de sucção, por fluxo de ar de convecção forçada ou “camisas” com água. 4. MComponentes ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Compressores Componentes utilizados em sistemas de compressão de vapor: 2. Compressores Ganho de calor não-útil devido ao arrefecimento dos 𝑉ሶ 𝜂𝑣 = (35) enrolamentos do motor com a 𝑉ሶ𝑑 entrada de gás a baixa pressão e temperatura. 𝑤𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 𝛥ℎ𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 ℎ8𝑠 −ℎ7 𝜂𝑠 = ≅ = (36) 𝑤𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙 𝛥ℎ𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙 ℎ8 −ℎ7 MComponentes 4. ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Condensadores Componentes utilizados em sistemas de compressão de vapor: 3. Condensadores - Usados para rejeitar o calor do sistema de refrigeração. - Permutadores que recebem o gás quente de alta pressão resultante do processo de compressão, arrefecendo-o, em primeiro lugar para remover o sobreaquecimento e depois o calor latente, promovendo a condensação do refrigerante. - Refrigerante volta estado líquido, com um ligeiro subarrefecimento, na maioria dos casos. - Como nos evaporadores (e permutadores de calor em geral), não há energia mecânica envolvida. Assim, 𝑤 = 0 e o balanço energético é: 𝑞 = Δℎ = ℎ𝑖𝑛 − ℎ𝑜𝑢𝑡 (37) MComponentes 4. ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Condensadores Componentes utilizados em sistemas de compressão de vapor: 3. Condensadores - A quantidade de rejeição de calor pelo condensador, ou o energia de aquecimento (no caso das bombas de calor): 𝑞𝑐𝑜𝑛𝑑 = Δℎ𝑐𝑜𝑛𝑑 = ℎ2 − ℎ3 (38) - A capacidade do condensador, 𝑄ሶ 𝑐𝑜𝑛𝑑 , pode ser definida como o calor transferido através do condensador, a partir da massa de refrigerante, por unidade de tempo, para o meio de condensação, (caudal mássico do refrigerante, 𝑚̇ሶ , multiplicado pela quantidade de calor rejeitado): 𝑄ሶ 𝑐𝑜𝑛𝑑 = 𝑚ሶ × 𝑞𝑐𝑜𝑛𝑑 = 𝑚ሶ × ℎ2 − ℎ3 (39) - Desprezando pequenos ganhos e/ou perdas, 𝑄ሶ 𝑐𝑜𝑛𝑑 pode ser definida em função da capacidade de refrigeração , 𝑄ሶ 𝑒𝑣𝑎𝑝 , e da potência térmica equivalente do compressor, 𝑊ሶ 𝑖𝑛 : 𝑄ሶ 𝑐𝑜𝑛𝑑 = 𝑄ሶ 𝑒𝑣𝑎𝑝 + 𝑊ሶ 𝑖𝑛 (40) 4. MComponentes ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Condensadores Componentes utilizados em sistemas de compressão de vapor: 3. Condensadores - O processo de condensação apresenta três fases distintas, desde a admissão do gás quente de alta pressão, descarregado pelo compressor, até o estágio final de subarrefecimento: 1. Dessobreaquecimento ❶: o gás quente, aproximadamente, às condições de descarga, é submetido a um arrefecimento sensível, até atingir a temperatura de saturação de alta pressão; 2. Condensação ❷: mudança de fase a pressão constante, representando quase 90% da permuta total de calor. 3. Subarrefecimento ❸: fase sensível final e refrigeração do refrigerante de estado líquido devido às diferenças entre a temperatura de saturação, 𝑇𝑐𝑜𝑛𝑑 , e a temperatura do fluxo de fluxo do agente de condensação de entrada. MComponentes 4. ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Condensadores Componentes utilizados em sistemas de compressão de vapor: 3. Condensadores - Os condensadores apresentam-se divididos em três tipos principais: 1. Arrefecidos a ar: 2. Arrefecidos a água: 4. MComponentes ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Condensadores Componentes utilizados em sistemas de compressão de vapor: 3. Condensadores 3. Evaporativos: Torre de arrefecimento Condensador evaporativo MComponentes 4. ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Condensadores Componentes utilizados em sistemas de compressão de vapor: 3. Condensadores - Outro tipo, o dry-cooler, tem uma construção semelhante aos condensadores arrefecidos ar, com um circuito de água fechado (descartando o tratamento de água, eliminando riscos relacionados (Legionella, deposições e risco de congelação), embora com algumas limitações ou desvantagens. 4. MComponentes ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Dispositivos de expansão Componentes utilizados em sistemas de compressão de vapor: 4. Dispositivos de expansão - Dupla função no ciclo de refrigeração por compressão de vapor: 1. Controlar o fluxo de refrigerante, necessário ao equipamento de evaporação para remover a carga de calor; 2. Reduzir a pressão do sistema, desde a alta pressão da condensação para a baixa pressão, essencial no processo de evaporação. Além destas duas funções essenciais, também podem ser usadas para controlar o nível de líquido em vasos ou depósitos, injeção de refrigerante de baixa pressão e temperatura nas sucção, etc. - O refrigerante sofre uma queda de pressão, e uma vez que a transferência de calor é desprezável, 𝑞 = 0 (assim como as energias cinética e potencial), e nenhum trabalho é feito sobre ou pelo sistema, 𝑤 = 0, o balanço de energia é: Δℎ = 0 ⟺ ℎ𝑖𝑛 = ℎ𝑜𝑢𝑡 (42) MComponentes 4. ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Dispositivos de expansão Componentes utilizados em sistemas de compressão de vapor: 4. Dispositivos de expansão - A expansão de um fluido de alta pressão é um fenómeno isentálpico seguido por uma redução de temperatura (ou, às vezes, por um aumento de temperatura). - Este fenómeno é conhecido como efeito Joule-Thompson. - Usando a mesma numeração utilizada na figura, o processo de expansão de um ciclo de compressão de vapor simples, é: ℎ3 = ℎ4 (43) - Durante uma expansão isentálpica, o comportamento da temperatura pode ser descrito pelo coeficiente Joule-Thompson, 𝜇𝐽𝑇 : 𝜕𝑇 1 𝜕𝑣 𝜇𝐽𝑇 = = 𝑇× −𝑣 (44) 𝜕𝑃 ℎ 𝑐𝑝 𝜕𝑇 𝑃 - Pode também ser analisado como uma medida da variação da temperatura com a pressão, durante um processo de entalpia constante. MComponentes 4. ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Dispositivos de expansão Componentes utilizados em sistemas de compressão de vapor: 4. Dispositivos de expansão - Se 𝜇𝐽𝑇 < 0 a temperatura aumenta, se 𝜇𝐽𝑇 = 0 a temperatura permanece constante, e se 𝜇𝐽𝑇 > 0 , a temperatura diminui, durante um processo de expansão. - O coeficiente de Joule-Thompson representa a inclinação das linhas isentálpicas no diagrama 𝑇- 𝑃. - A linha isentálpica apresenta um ponto de inversão (ponto de inclinação zero ou coeficiente de Joule-Thompson zero). - A curva que passa por todos esses pontos é chamada de linha de inversão, e a temperatura é denominada temperatura de inversão. - No arrefecimento de um gás, usando o método de expansão isentálpica, este processo tem que ocorrer, inevitavelmente, dentro da área da curva de inversão, onde 𝝁𝑱𝑻 > 0, abaixo de sua temperatura de inversão máxima. - Hidrogénio (H2): temperatura de inversão máxima é de -68 °C. Por conseguinte, deve ser arrefecido abaixo desta temperatura, para que se possa usar a expansão como método de arrefecimento. MComponentes 4. ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Dispositivos de expansão Componentes utilizados em sistemas de compressão de vapor: 4. Dispositivos de expansão - Os dispositivos de expansão podem ser classificados em três tipos principais: 1. Dispositivos manuais (e.g. válvulas manuais); 2. Dispositivos de área de passagem constante (e.g. tubos capilares, limitadores de caudal); 3. Dispositivos de expansão automáticos: 1. Válvulas de expansão termostáticas; 2. Válvulas de expansão eletrónicas; 3. Válvulas de boia de alta pressão; 4. Válvulas de boia de baixa pressão. MComponentes 4. ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Dispositivos de expansão Componentes utilizados em sistemas de compressão de vapor: 4. Dispositivos de expansão - Outros dispositivos de expansão: Turbinas: 𝑄ሶ 𝑒𝑣𝑎𝑝 + 𝑄ሶ 𝑒𝑥𝑝−𝑔𝑎𝑖𝑛 𝑄ሶ 𝑒𝑣𝑎𝑝 + 𝑚ሶ × ∆ℎ𝑒𝑥𝑝−𝑔𝑎𝑖𝑛 𝐶𝑂𝑃𝑒𝑥𝑝 = = (45) ሶ 𝑊𝑖𝑛 − 𝑊𝑒𝑥𝑝ሶ 𝑊ሶ 𝑖𝑛 − 𝑚ሶ × ∆ℎ𝑒𝑥𝑝 × 𝜂𝑒𝑥𝑝 MComponentes 4. ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Dispositivos de expansão Componentes utilizados em sistemas de compressão de vapor: 4. Dispositivos de expansão - Outros dispositivos de expansão: Ejetores: MComponentes 4. ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Outros componentes Componentes utilizados em sistemas de compressão de vapor: 5. Outros componentes - Separadores de óleo; - Reservatório de líquido; - Filtros-secadores; - Visor de humidade; - Válvulas solenóide; - Válvula de regulação de pressão de evaporação; - Depósito acumulador; Alta Pressão - Válvula de bypass de gás quente; - Válvulas de seccionamentos; - Permutadores liquido/gás; - Pressostatos e termostatos, etc. Baixa Pressão Questão M ó d u l o 1 5 : Ref r i ge ra ç ã o Um inventor afirma que desenvolveu uma máquina frigorífica que funciona com um ciclo termodinâmico inovador, diferente dos utilizados atualmente, e que tem um COP = 10 quando funciona com uma temperatura da fonte fria de 5⁰C e uma temperatura da fonte quente de 25⁰C. Esta afirmação poderá ser verdadeira? Justifique devidamente.