Ciclo de refrigeração por compressão de vapor

Grande parte das câmaras frigoríficas domésticas e industriais existentes utiliza o ciclo de refrigeração por compressão de um fluido para gerar frio, por ser um método com um nível de eficiência adequado e um baixo custo inicial de aquisição.

Genericamente, um fluido refrigerante é submetido a uma sequência cíclica de transformações físicas que lhe permite absorver o calor do interior e transportá-lo para o exterior.

Os sistemas que operam segundo este ciclo integram um conjunto de 4 componentes básicos ligados entre si por tubulações nas quais o fluido circula, a saber: evaporador, compressor, condensador e válvula de expansão. Estes componentes, bem como o sentido do fluxo do fluido, são esquematizados na Figura 21.

Figura 21 - Componentes básicos num ciclo de refrigeração por compressão de vapor (fonte: elaboração própria).

Outros componentes adicionais de controlo ou de manutenção são também incluídos, desempenhando papéis secundários no sistema. Seguidamente se descrevem os componentes mais importantes:

fluido refrigerante: é responsável pelo transporte de calor do interior para o exterior, por via da alteração cíclica do seu estado físico. Um bom fluido deve possuir um conjunto de caraterísticas como um baixo volume específico, fraca interação com o óleo lubrificante, baixa pressão de vaporização e uma alta pressão de condensação para reduzir o trabalho de compressão.

O amoníaco (R717) é largamente utilizado na indústria devido à sua boa capacidade de absorção de calor, mas por ser tóxico e inflamável pode ser substituído por outras substâncias como o dióxido de carbono (R744) e diversos hidrofluorcarbonetos como o tetrafluoretano (R134a), frequentemente utilizado em aplicações domésticas;

compressor: eleva a pressão do fluido e fá-lo deslocar-se através do sistema, através da compressão e expansão alternada dentro de uma câmara estanque. Um óleo lubrificante é utilizado para reduzir o desgaste e o calor das partes móveis, melhorando a eficiência (Figura 22).

Figura 22 - Compressor hermético e respetiva constituição interna (fonte: [14]).

condensador: local onde o fluido liberta o calor absorvido para o exterior, passando por tubagens ligadas a alhetas metálicas com o propósito de facilitar essa transferência. Ao condensador podem ser acoplados ventiladores com o propósito de acelerar o fluxo de ar que passa pela tubulação (Figura 23).

Figura 23 - Condensador (fonte: [7]).

evaporador: com uma constituição semelhante ao condensador, efetua a transmissão do calor existente no interior da câmara para o fluido refrigerante, podendo ser igualmente melhorada com o acoplamento de ventiladores (Figura 24).

Figura 24 - Evaporador (fonte: [7]).

expansor: reduz a pressão do fluido que entra no evaporador para facilitar a sua vaporização, e controla o respetivo fluxo de modo a manter uma temperatura constante na câmara. O expansor pode assumir a forma prática de uma válvula de expansão ou de

Figura 25 - Válvula de expansão termostática e tubo capilar (fonte: [7]).

tubulações de interconexão: direciona o fluido para que passe pelos diversos componentes, sendo habitualmente fabricado numa liga de Cobre resistente à corrosão e com uma boa maleabilidade para facilitar a montagem (Figura 26).

Figura 26 - Tubo flexível em liga de Cobre (fonte: [7]).

filtro: permite remover as partículas sólidas resultantes do desgaste do compressor e qualquer vestígio de humidade, para não afetar o desempenho do ciclo (Figura 27).

Figura 27 - Filtro (fonte: [7]).

termóstato: controla o funcionamento do compressor, ligando-o e desligando-o de modo a que no interior a temperatura se mantenha dentro de valores limite (TON e TOFF) considerados adequados para a conservação do produto. Um sensor de temperatura instalado no espaço a refrigerar (baseado num tubo contendo um fluido de transmissão ou num fio elétrico cuja resistência varia) é utilizado para acionar um interruptor elétrico que ativa o compressor quando a temperatura atinge o mínimo (TON) e desativa-

o quando a temperatura é máxima (TOFF). Estas temperaturas de controlo podem ser reguladas conforme as necessidades, estando disponíveis termóstatos do tipo mecânico e digital, sendo este último mais preciso em termos de leitura e de acerto dos valores (Figura 28).

Figura 28 - Termóstato mecânico e controlador digital de temperatura (fonte: [7]).

Ao circular pelos vários componentes, o fluido é sujeito a um ciclo de transformações físicas que envolvem alterações de pressão, volume, temperatura, entalpia, entropia e, até, de fase. Assumindo uma situação próxima da ideal em que não se consideram perdas energéticas (e. g. atrito provocado pelo fluido e dissipação de calor no compressor, ...), o ciclo de transformações pode ser descrito pelos gráficos pressão (p) vs volume (V) e temperatura (T) vs entropia específica (s), cujas representações e descrições se efetuam na Figura 29 e na Tabela 3.

Tabela 3 - Etapas do ciclo de refrigeração por compressão (fonte: [15]).

Etapa Designação Descrição

1 - 2 Compressão _isentrópica

O fluido sofre um aumento de pressão proporcionado pelo compressor através da redução do volume. O processo dá-se a entropia constante, com o fluido no estado gasoso; existe uma pequena dissipação de calor para o exterior.

2 - 3 Condensação _isobárica

Ao passar pelo condensador, o fluido liberta calor para o exterior, reduzindo a sua temperatura e volume mas a uma pressão alta e constante. Simultaneamente, o fluido passa do estado gasoso para o líquido.

3 - 4 _adiabática Expansão

No expansor, ocorre uma redução na pressão e temperatura do fluido através de um ligeiro aumento do volume e entropia. As perdas de calor são negligenciáveis. Entretanto, o fluido muda do estado líquido para uma mistura líquido + vapor.

4 - 1 Evaporação _isobárica A uma pressão e temperatura baixas e constantes, o fluido absorve o calor da câmara ao passar pelo _{evaporador, vaporizando-se completamente.}

O rendimento do ciclo de refrigeração é medido pelo COP (coefficient of

performance), cuja expressão matemática é:

! (1)

A Figura 30 mostra a variação do COP para valores de Tevaporador entre -40 e 0 ºC (assumindo Tcondensador = 45 ºC).

Figura 30 - Variação do COP com a temperatura do evaporador (fonte: elaboração própria).

O gráfico evidencia a redução do COP à medida que a temperatura no interior da câmara baixa; note-se que a temperatura interior é proporcional à temperatura do evaporador.

Tipicamente podem ser obtidos resultados práticos para o COP entre 4 e 5. No entanto, para uma avaliação global do desempenho de toda a câmara é também necessário atender à eficiência na conversão entre a energia elétrica e a energia mecânica que ocorre

-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 Temperatura evaporador (ºC) 3 4 5 6 C O P

no compressor, algo que não pode ser desprezado devido ao elevado consumo por parte deste equipamento.

A obtenção de temperaturas muito baixas (na ordem de -70 ºC) torna-se inviável aplicando o ciclo de refrigeração descrito anteriormente, devido às altas taxas de compressão envolvidas e aos elevados custos associados. Nestas situações pode-se recorrer a ciclos com múltiplos estágios de compressão, como o que se representa na Figura 31.

Figura 31 - Ciclo de refrigeração com dois andares de compressão (fonte: elaboração própria).

Um permutador de calor é interposto entre dois ciclos de refrigeração simples, fazendo a transferência de energia térmica entre os estágios de baixa pressão (que absorve o calor da câmara) e de alta pressão (que liberta o calor para o exterior). Deste modo, a taxa de compressão exigida a cada compressor torna-se inferior, proporcionando um menor trabalho requerido e maior poupança energética, conforme se refere pela área a tracejado no gráfico pressão vs volume da Figura 32.