7. ANEXOS
3.14 Estados termodinâmicos do R-134 no ciclo Ideal
Específico Entalpia Específica Entropia Específica Titulação (x) ºC MPa m3/kg kJ/kg kJ/kg·K 1 -5,0 0,24 0,0828 395,7 1,73 1 2 50,7 1,16 0,0181 428,2 1,73 – 3 45,0 1,16 0,0009 263,9 1,21 0 4 -5,0 0,24 0,0294 263,9 1,24 0,35
e 0ºC. O refrigerante R-134a é um HFC, sendo considerado por alguns setores da industria como o substituto ideal do R-12 (Stoecker e Jabardo, 2002). Os compressores que atuam com esses refrigerantes podem, em alguns casos, operar com fluidos alternativos como o R402B o R407c ou o blend R404a/R507. Porém, esses apresentam custos mais elevados que o R-134a.
O R-134a possui as seguintes classificações:
• ODP=0
• GWP=1430
• Classificação de segurança = A1
Usando o software “Computer-Aided Thermodaynamic Tables 3” (CATT-3 (1996)) é possível definir os principais estados do gás refrigerante ao longo do ciclo termodinâmico de compressão a vapor. Uma vez que em todos eles é possível saber pelo menos duas proprie- dades intensivas.
No ciclo ideal, a começar pelo ponto 1 onde se tem vapor saturado a -5ºC , e no ponto 3 onde há líquido saturado a 45ºC. Do estado 1 para o 2 ocorre a compressão isentrópica, no fim desse processo o fluido será um vapor superaquecido com a mesma entropia do estado 1, na pressão de condensação. Já na expansão de 3 para 4 processo é isoentálpico, isto é, a entalpia no estado 4 é igual a do estado 3, na pressão de evaporação.
A ASHRAE (ASHRAE, 2009) fornece o diagramas de Pressão-entalpia para o refrige- rante selecionado. O ciclo ideal está exposto na figura 3.9, onde mostra o caminho percorrido pelo fluido. O diagrama da figura 3.10 representa a configuração com dois evaporadores.
Fig. 3.9: Diagrama R-134a ciclo Ideal Fonte: ASHRAE 2009
Este capítulo descreverá os equipamentos envolvidos na refrigeração mecânica pro com- pressão a vapor e seu processo de seleção. São eles o compressor, condensador, dispositivo de expansão e evaporador.
4.1
COMPRESSOR
O compressor é um equipamento mecânico capaz de transferir a energia recebida do motor elétrico para o fluido refrigerante, e se caracteriza como um dos principais compo- nentes do sistema de refrigeração. Sua função é aumentar a pressão do fluido refrigerante e promover a circulação desse fluido no sistema (Tassini, 2012).
Os compressores para ciclo de refrigeração são classificados em dois grupos, de acordo com o método de compressão: Compressores de deslocamento positivo e compressores di- nâmicos. O único tipo de compressor Dinâmico utilizado na refrigeração industrial é o cen- trifugo. Nesse tipo de compressor o aumento da pressão depende da conversão de pressão dinâmica em pressão estática. O gás é acelerado pelas pás do rotor e sua velocidade é con- vertida em pressão. Os compressores de deslocamento positivo promovem o aumento da pressão do vapor pela redução do volume interno da câmara de compressão através de uma força mecânica aplicada ao compressor. Esse pode ser do tipo: alternativo ou rotativo. A figura 4.1 mostra a classificação dos compressores de acordo com o tipo de compressão.
Fig. 4.1: Classificação dos Compressores
De acordo com suas características construtivas podem ser classificados em: abertos; semi-herméticos e herméticos. No compressor aberto o motor é externo e aciona o compres-
sor através de um eixo que atravessa a carcaça. No compressor semi-hermético, a carcaça envolve tanto o compressor propriamente dito quanto o motor. Nele é possível remover o cabeçote expondo válvulas e os pistões. O compressor do tipo hermético é semelhante ao semi-hermético, destes diferindo no fato da carcaça só apresentar entrada e saída do refri- gerante e conexões elétricas do motor. Tanto nos compressores herméticos quanto nos seu similares semi-herméticos elimina-se a necessidade de um selo de vedação para o eixo, como ocorre nos compressores abertos. Entretanto perde um pouco de sua eficiência em virtude do aquecimento do refrigerante promovido pelo enrolamento. Wang (2001)
A seleção do compressor leva em consideração diversos fatores como: a capacidade da instalação; limitações físicas; ruído; eficiência; custo; refrigerante empregado. A seguir serão descritos os princípios de funcionamento do compressores alternativos e rotativos.
Nesse projeto o compressor selecionado é hermético recíproco (alternativo) da linha Dan- foss Maneurop (figura 4.2). Eles são projetados para aplicações de médias e altas tempera- turas de evaporação para câmaras frigoríficas.
Fig. 4.2: Compressores Maneurop Fonte: Danfoss (2012)
4.1.1 Compressor Alternativo ou Recíproco
Os compressores alternativos baseiam-se no movimento de um pistão dentro de um cilin- dro. Quando o pistão desloca-se do ponto morto superior (PMS) para o ponto morto inferior (PMI), o vapor entra no cilindro através de uma válvula se sucção, que se abre automati- camente pela diferença de pressão. Nesse deslocamento, o volume do cilindro é quase que totalmente preenchido pelo vapor do refrigerante. No movimento ascendente, o pistão de movimenta desde o PMI até o PMS. Nesse momento a válvula de sucção encontra-se fe- chada pela ação de uma mola e a pressão no interior do cilindro aumenta pela diminuição do volume do cilindro. Esse processo continua até que a pressão no interior do cilindro consiga vencer a pressão da mola da válvula de descarga, próxima da pressão de condensação. Nesse processo, parte do vapor permanece dentro do cilindro, na pressão de descarga, uma vez que o pistão não consegue varrer todo o volume do cilindro. Esse volume residual, chamado de espaço nocivo, é necessário para acomodar as válvulas de sução e descarga e para permitir tolerâncias do processo de fabricação. A existência desse espaço faz com que, durante o processo de aspiração, a pressão dentro do cilindro não diminua imediatamente até a pressão de sucção, criando um processo chamado de reexpansão do vapor presente no espaço nocivo. Macagnan (2015)
4.1.2 Seleção do Compressor
Uma vez determinada todas as parcelas da carga térmica, conforme tabela 3.13, e os estados do fluido refrigerante ao longo do ciclo de refrigeração, conforme tabela 3.14, o passo seguinte será determinar a capacidade frigorífica do sistema, a potência de compressão, e o coeficiente de performance do ciclo ideal.
• Capacidade Frigorífica
As parcelas da carga térmica foram determinadas para um dia. Porém o compressor do sistema frigorífico não deve operar 24 horas por dia. O que exige uma fixação de seu tempo de operação para a determinação de sua capacidade frigorífica.
tempo de operação adotado serátop=20 h/dia.
A capacidade de refrigeração será dada por
˙ Qf r i g= ˙ Qt ot al top = 32607, 35kc al /d i a 20h/d i a = 1630, 35kcal/h= 1, 896kW (4.1) • Potência de compressão
Efeito de Refrigeração, a partir da equação (2.30) é dado por E R = 395,7 − 263,9 =
131, 8kJ/kg
A vazão em massa, a partir da equação 2.31, sendo Q˙e = ˙Qf r i g em kW, é dada por
˙
m = 0,0144kg/s
A Vazão volumétrica, na entrada do compressor, a partir da equação (2.32) é dada por
˙
V =0,0144·0,0828 = 0,00107 m3/s = 3,85 m3/h
A Potência de compressão, de acordo com a equação (2.33) é dada porW˙c p=0,0144
(428,2 - 395,7)=0,4675 kW
• Coeficiente de Performance ciclo ideal
Coeficiente de performance, pela equação (2.37) é dado porCOP =395,7−263,9428,2−395,7= 4, 05
Com a potência mínima requerida para o compressor é de 467,5 W para uma capacidade frigorífica de 1,896 kW (1630,35 kcal/h). De acordo com o catálogo da fabricante Danfoss (2012), Anexo IV, o compressor selecionado é o DANFOSS MTZ022-3VM.
Pelo catálogo, para uma temperatura de evaporação de -5ºC e de condensação de 45ºC, usando o refrigerante R134A, a capacidade de refrigeração é de 2126 kcal/h e a potência consumida pelo compressor é de 1,2 kW. Segundo as especificações técnicas da Danfoss (2018), esse compressor tem vazão volumétrica é de 6,63 m3/h e possui apenas um cilindro. O óleo lubrificante no compressor é utilizados para reduzir o atrito, diminuir o desgaste das peças móveis e protegê-las contra corrosão. Para o compressor e refrigerante selecionado o óleo lubrificante indicado é o polioléster 160PZ.
Dessa maneira, para o ciclo real utilizando esse compressor selecionado a capacidade frigorífica e a potência de compressão estão descritas a seguir.
• Capacidade frigoríficaQf i g=2126 kcal/h= 2,47kW
• Potência de compressão
Vazão mássica para o compressor selecionado
˙
m =131,82,47kJ/kgkW =0,01876 kg/s
A vazão volumétrica na entrada desse compressor
˙
V =0,01876·0,0828 = 0,00155 m3/s = 5,59 m3/h
portanto atende a aplicação O trabalho no compressor
Wc p=0,01876 (428,2- 395,7)= 0,60969 kW
• Coeficiente de performance
COP =2,47/0,609= 4,05
• O rendimento do motor do compressor
Considerando o consumo especificado no catálogo e o potencia de compressão gerada.
ηmot or =0,60969/1,2=50,8%
O custo de aquisição compressor é de cerca de 2000,00 reais
4.2
CONDENSADOR
O condensador é um trocador de calor onde gás quente a alta pressão é condensado a líquido e o calor latente de condensação é rejeitado para o ar atmosférico ou água. Em um condensador, o vapor é primeiramente desuperaquecido, depois condensado a líquido e finalmente sub-resfriado (Wang e Lavan, 1999).
De acordo com a forma que o refrigerante é resfriado o condensador pode ser classificado em três tipos: condensadores a ar, a água e evaporativos.
O condensador mais utilizado nas aplicações de refrigeração de pequeno porte é com ventilação forçada de ar. Será esse tipo o aplicado nesse trabalho.
Condensadores a ar, geralmente são do tipo aletas e tubos onde no interior percorre o fluido refrigerante e o ar escoa externamente. A convecção do ar externo pode ser natural ou forçada. O uso de um ventilador aumenta a capacidade de resfriamento (Miller e Miller, 2006).
4.2.1 Capacidade do Condensador
É a quantidade de calor que a unidade deve transferir para o meio de condensação a temperatura de 45ºC.
Calor rejeitado no condensador pela equação 2.35
˙
Qc=0,0144 (428,9-263,9)=2,36 kW
˙
Qc=2032,7 kcal/h
O condensador selecionado para o sistema é o modelo CDE 2778 da fabricante Elgin, figura 4.3. Conforme é fornecido em seu catálogo, anexo V, o condensador é fabricado com tubos de cobre e aletas de alumínio. Possui 3 fileiras de 30 tubos, com 8 aletas por polegada, contando com uma área de troca de 3366m2. O condensador conta com apenas um ventilador para realizar a convecção forçada de ar. Sua capacidade de rejeição de calor é de 2385 kcal/h.
Fig. 4.3: Condensador Elgin Fonte: Elgin
O custo aproximado de aquisição desse condensador é 280,00 reais.
4.3
EVAPORADOR
O evaporador é um dispositivo trocador de calor no qual um líquido volátil pode vapori- zar, removendo calor de um espaço ou produto. Eles são fabricados em uma ampla variedade
de tipos, formas, tamanhos e projetos para atender às necessidades de diversas aplicações da refrigeração mecânica. Dossat e Horan (2002)
De acordo com Dossat e Horan (2002) o evaporador pode ser classificado segundo: 1. Tipo construtivo: tubo liso, de placas e tubos aletados.
2. Configuração do circuito:
No circuito simples o líquido entra no topo de um único tubo e sai na parte inferior. O circuito pode ser dividido na parte final do evaporador para diminuir a queda de pres- são. Um outro design é a divisão desde a entrada em mais de um circuito, colocando se escoamentos cruzado ou contrários.
3. Método de alimentação do refrigerante:
Trata-se da forma como o refrigerante é entregue ao evaporador, pode ser divido em expansão seca, inundado e recirculação de refrigerante.
4. Método de circulação do ar:
O ar pode circular sobre as superfícies de troca de calor do evaporador por convecção natural ou forçada. O ar no refrigerador é o meio que transporta o calor do produto para o trocador de calor.
5. Método de desgelo:
Em aplicações onde a temperatura da superfície permanece acima do ponto de orvalho da mistura do ar, um filme de líquido se forma na parede do trocador. Essa camada me- lhora a condução de calor do ar para o refrigerante. Nessa condição não ha formação de gelo, logo não carece de estratégias de descongelamento.
Em muitas aplicações a temperatura do ar é reduzida para valores abaixo do ponto de orvalho. Consequentemente, parte da mistura do ar condensa nas serpentinas do evaporador. Se a temperatura cair para valores abaixo do ponto de congelamento uma camada isolante de gelo se formara na parede do trocador, reduzindo as trocas de calor com o ar. Nesse tipo de aplicação diferente métodos podem ser empregados para
remover o gelo da superfície do evaporador, tais como: desgelo elétrico, gás quente, desgelo a ar e desgelo a água.
4.3.1 Seleção do Evaporador
O evaporador selecionado é de Tubos aletados, com circuito simples, expansão seca, circulaçção de ar forçada e desgelo elétrico.
Os Tubos aletados são serpentinas que atravessam placas perfuradas paralelas para au- mentar área da superfície transferência de calor. Parte do ar circulando nas proximidades do evaporador passa entre dois tubo adjacentes não entrando em contato direto com a superfí- cies resfriada. Quando as aletas são adicionadas elas se estendem para essa região agindo como uma superfície secundária. Esse design permite que o evaporador tenha dimensões menores enquanto providencia a mesma capacidade de troca de energia.
Na expansão seca o refrigerante entra como mistura de vapor e líquido ao sai pela válvula de expansão, normalmente termostática, numa quantidade que possa ser completamente va- porizado. Esse método garante o estado do de vapor superaquecido do refrigerante no final na linha, quando chega a sucção do compressor. É o mais aplicado na refrigeração mecânica pois são mais simples e compactos e requerem uma carga menor de refrigerante.
A convecção natural é utilizada em aplicações de baixa velocidade de circulação do ar ou quando a desidratação do produto é um problema. O coeficiente transmissão de calor desse tipo é menor o que exige grandes áreas de superfície de troca. Porém, tubos muito longos aumentam a perda de carga.
A convecção forçada é atualmente mais usada em câmaras frigorificas, a posição do ventilador em relação as serpentinas e aletas do trocador pode ser succionando ou soprando o ar. O aumento da velocidade de circulação do ar aumenta o coeficiente de transmissão de calor, permitindo o uso de evaporadores menores e promove uma melhor distribuição de temperaturas dentro da câmara. Porém, o motor do ventilador gera calor.
O processo de seleção do evaporador está descrito na seção de cálculo de carga térmica dos motores do ventilador do evaporador.
corrugadas autoespaçadas de alumínio e tubulação de cobre de 3/8”. Espaçamento entre aletas de 6 aletas por polegada. Motoventiladores para a circulação de ar de 65W de potência que permitem uma vazão de ar de 770 m3/h sua área de troca total é de 3,14 m2. Sua capacidade frigorífica é de 843 kcal/h. Dados do catálogo de produtos da Trineva (2015), Anexo III.
Fig. 4.4: Evaporador FTH Trineva Fonte: Catálogo Trineva
O custo de aquisição do evaporador é de 500,00 reais
4.4
DISPOSITIVO DE EXPANSÃO
Em um sistema de refrigeração, o dispositivo de expansão tem a função de reduzir a pressão do refrigerante desde a pressão de condensação até a pressão de vaporização. Ao mesmo tempo, este dispositivo deve regular a vazão de refrigerante que chega ao evaporador de modo a satisfazer a carga térmica aplicada ao mesmo. Entre os principais tipos de disposi- tivos de expansão estão: válvula de expansão termostática, válvulas de expansão eletrônicas, válvulas de bóia, válvulas de expansão de pressão constante e tubos capilares. Venturini e Pirani (2005)
A dispositivo de expansão mais utilizada em câmaras frigoríficas é a válvula de expan- são termostática. O tipo de equalização (interna ou externa) deverá ser definido em função do evaporador selecionado. A seleção da válvula é função da capacidade requerida (carga térmica) e da temperatura de evaporação e de condensação em que deverá operar, além do tipo de refrigerante utilizado no sistema. A capacidade que aparece indicada na válvula é de- nominada de capacidade nominal, para definir a capacidade real da válvula é preciso definir
a pressão de evaporação e de condensação em que a válvula opera e consultar o catálogo da válvula. Vilain (2018)
A ASHRAE (2010) descreve o funcionamento do equipamento. Três pressões e suas forças equivalentes governam a operação da válvula de expansão termostática.
• P1 = A pressão do elemento termostático (Função da temperatura e carga do bulbo), aplicada no topo do diafragma e atua no sentido de abrir a válvula.
• P2 = Pressão do evaporador, que atua na parte inferior do diafragma através do equa- lizador (interno ou externo), no sentido de fechamento da válvula.
• P3 = Pressão equivalente a força da mola de superaquecimento, também aplicada no sentido de fechamento.
Sob qualquer condição operacional constante, o balanço das forças de pressão será dado por: P1=P2+P3.
Um aumento da carga de calor no evaporador aumenta a temperatura de gás refrigerante que sai do evaporador. O bulbo da válvula sente este aumento, e a pressão de carga termos- tática P1 aumenta fazendo com que a válvula abra mais. A vazão se eleva e resulta em uma pressão maior do evaporador P2, e o controle é novamente estabelecido. Por outro lado, a diminuição da carga de calor no evaporador diminui a temperatura do gás refrigerante que sai do evaporador ocasionado a diminuição da vazão pelo fechamento da válvula de expansão termostática.
A Equalização interna, figura 4.5, ocorre pela pressão de saída da válvula transmitida através de uma passagem interna para a parte inferior do diafragma, é a pressão de entrada do evaporador.É recomendada para evaporadores com pequena queda de pressão. Na equa- lização externa, figura 4.6, a parte debaixo do diafragma está isolada da pressão de saída da válvula. A pressão é transmitida ao diafragma por meio de uma conexão que ligada a saída o evaporador. As válvulas de equalização externa não são afetadas pela perda de carga no evaporador.
Fig. 4.5: Válvula de expansão de equalização interna Fonte: ASHRAE(2010)
Fig. 4.6: Válvula de expansão de equalização externa Fonte: ASHRAE(2010)
4.4.1 Seleção da válvula de expansão termostática
Serão utilizadas duas válvulas, uma para cada evaporador empregado. Como visto ante- riormente cada evaporador possui capacidade de 843 kcal/h, isto é, 0,98 kW.
O dispositivo de expansão selecionado é a Válvula de expansão termostática de equaliza- ção externa T2/01 da Danfoss, figura 4.7. De acordo com o catálogo, anexo VI, ela permite aplicações em unidades com capacidade evaporativas de até 1,7 kW para as temperaturas de condensação e evaporação do projeto. Nesta válvula a injeção é controlada pelo superaque- cimento do refrigerante. Portanto, as válvulas são particularmente adequadas para a injeção de líquidos em evaporadores “secos”, nos quais o superaquecimento na saída do evaporador deve ser mantido constante.
Fig. 4.7: Válvula de expansão Danfoss Fonte: Catálogo Danfoss
Nesse trabalho foi detalhado o projeto de câmara compacta para resfriamento barris de chopp de cerveja artesanal, como alternativa para se disponibilizar uma maior quantidade de bebidas e melhor aproveitar o espaço disponível no local da instalação.
A câmara projetada tem capacidade para conter 20 barris de chopp de 30 litros. Dessa quantidade 12 são utilizados para servir a clientela de estabelecimento de pequeno porte, os demais são resfriados para melhor conservação e para que possam ser usado em caso de substituição. O formato e dimensões físicas da câmara são consequência da necessidade de armazenamento e influências das limitações espacias.
O sistema de refrigeração precisará resfriar os barris e manter a temperatura com valores ente 1 e 5ºC. A temperatura do ambiente de Niterói, local de aplicação do projeto, foi definida como 35ºC. As temperaturas de evaporação e condensação são definidas pela relação entre as temperaturas do reservatórios e do fluido de trabalho no ciclo. A temperatura de condensação é de 45ºC e a de evaporação -5ºC. O fluido refrigerante que será aplicado no ciclo será o R- 134a.
Com isso concluísse que:
• O design da câmara foi capaz de atender o objetivo do projeto e se adequar as ca- racterísticas do local de instalação. Com esse projeto garante-se o atendimento das necessidades do comércio e permite-se abandonar o uso de chopeiras a gelo e elétri- cas.
• O R134a possui ODP=0 e GWP=1430 e vida útil na atmosfera de 14 anos. Sua classi- ficação de toxicidade é A1, ou seja, não toxico e não inflamável.
• O ciclo de carnot fornece o coeficiente de performance máximo para um ciclo de refrigeração que opere entre dois reservatórios de energia. Cop carnot =5,36.
• O ciclo de refrigeração por compressão a vapor com R-134a como fluido de trabalho possui COP = 4,05. Ou seja, o ciclo de refrigeração se afasta em 24,38% do rendimento do ciclo ideal, para os mesmos reservatórios.
• Os painéis de poliuretano da linha Frigo da ISOESTE com a espessura de 70mm ga- rantem um isolamento entre bom e excelente. Além disso, a montagem esse tipo de parede é mais simples devido ao encaixe tipo macho e fêmea.
• A carga térmica total calculada foi de 32607,09 kcal/dia, ou seja, 1,89 kW.
• Constatou-se que a parcela que mais exerce influência na carga térmica total é a re- ferente a redução da temperatura do produto e suas embalagens, que corresponde a 64,64% do valor total.
• Diante da capacidade frigorífica foram selecionados os equipamentos desta câmara fria: compressor Danfoss MTZ022-3VM; condensador Elgin CDE 2778; válvula de expansão termostática Danfoss T2/01; Evaporador Trineva FTH(D)6611. Esses equi- pamentos, de acordo com os cálculos e informações dos fabricantes, são capazes de atender a capacidade que a câmara fria exige.
• O custo total de aquisição desse sistema de refrigeração é próximo a 3750,00 reais.
Propostas para Trabalhos Futuros
Como sugestões para trabalhos futuros, tem-se:
• Fazer a seleção dos dispositivos de controle da câmara, especificando acessórios como termostato e pressostato para controlar as condições do refrigerante com maior preci- são.
• A partir do projeto real avaliar as condições de operação, rendimentos térmicos, custos iniciais e operacionais. Para se fazer um comparativo com a câmara projetada neste trabalho.
• Realizar a comparação de custos entre o sistema de chopeiras e a câmara fria para avaliar a real melhoria do fornecimento do serviço a partir do sistema projetado.