Tubos capilares

Os tubos capilares para aplicados em sistemas de refrigeração são fabricados normalmente em cobre ou alumínio, utilizando o processo de trefilação com tração através de uma matriz rígida que determina o diâmetro interno final da peça. Esse processo de fabricação permite uma grande variedade de diâmetros internos, tradicionalmente na faixa de 0,5mm a 2 mm e com tolerâncias dimensionais apertadas. O comprimento típico em sistema de refrigeração de pequeno e médio porte varia de 1 a 4 m (Stoecker e Jones, 1985).

Quando comparados a dispositivos de expansão variáveis, os tubos capilares apresentam baixo custo de fabricação e instalação, além de baixa susceptibilidade a vazamentos. Possuem risco de falha ou necessidade de manutenção muito baixos, se forem respeitadas condições mínimas como: afinidade química com o refrigerante, condições limite de operação e um certo cuidado relativo a partículas sólidas. Além disso os capilares permitem uma conexão entre o condensador e o evaporador durante os momentos em que o sistema está desligado, assegurando a equalização das pressões e, por sua vez, reduzindo o torque de partida do compressor (Ramgopal, 2012).

Em contrapartida, por não apresentarem partes móveis, os tubos capilares não permitem o ajuste da vazão mássica para variações nas condições de operação do sistema. Dentre essas variações pode-se destacar algumas situações muito comuns, como variação da carga térmica, oscilações na rotação do compressor ou variações na

temperatura ambiente. Sempre que o sistema operar fora das condições de projeto, observar-se-á uma redução na eficiência energética do ciclo. As condições de projeto, que determinam o ponto ótimo de operação, fundamentam-se em normas internacionais, que comumente fogem das condições de aplicação diárias em diferentes localidades.

O ponto de operação citado anteriormente é a condição de equilíbrio, em regime permanente, da vazão bombeada pelo compressor com a vazão admitida através do dispositivo de expansão. Quanto maior for a relação de compressão, observa-se tanto a redução do rendimento volumétrico do compressor quanto o incremento do gradiente de pressão entre a entrada e a saída do tubo capilar. Esse comportamento antagônico é ilustrado na Figura 1.11. A interseção das curvas de vazão para uma dada temperatura de evaporação e condensação é o chamado ponto de operação, ou de equilíbrio. Quaisquer variações nas pressões de evaporação ou condensação, para uma dada geometria de capilar, levam o sistema para uma condição instável, implicando na redução do COP do sistema.

Figura 1.11 - Variação da vazão mássica através do compressor e do tubo capilar com as temperaturas de evaporação e condensação; adaptada de

Ramgopal (2012)

Apesar da simplicidade física dos tubos capilares, o escoamento ao longo do seu comprimentoé bastante complexo. Ao se comparar, por exemplo, a queda teórica de pressão ao longo de um tubo capilar

adiabático com a situação real o que se observa é uma região com presença de metaestabilidade, segundo Gonçalves (1994) e Cunha (2001). Tal fenômeno será descrito em maiores detalhes no próximo capítulo.

Quando a geometria do sistema permite, normalmente os tubos capilares tem contato com a tubulação de sucção retornando do evaporador. Tal configuração é chamada de trocador de calor interno e representa um aumento de capacidade de refrigeração aliada a segurança de evitar retorno de líquido ao compresso

1.5.1.1 Tubos Capilares e Meso-Sistemas

Os meso-sistemas de refrigeração operando tanto com o compressor Aspen e Samsung, quanto o Embraco, tem características operacionais muito semelhantes, isto porquê os compressores têm capacidades semelhantes e operam em condições equivalentes.

Um meso-compressor operando sob condição LBP, 35°C/-20°C, fornece em torno de 20W/30W de capacidade de refrigeração e uma vazão mássica de 0,3 kg/h a 0,5 kg/h, dependendo do sub-resfriamento. Tal aplicação iria requerer uma enorme restrição que não poderia ser alcançada por capilares convencionais a não ser que fossem extremamente longos. A Tabela 1.1 mostra um resumo dos resultados obtidos com o programa de simulação que será apresentado no capítulo 4. A linha “b” indica que seriam necessários capilares de até 150 m de comprimento caso fossem utilizados diâmetros convencionais . Com a redução do diâmetro interno, linha “a”, é possível alcançar restrições equivalentes e com apenas um metro de capilar e ainda assim atender as condições de operação.

Tabela 1.1: Comprimento de tubos capilares para diâmetros internos convencionais (b) e diâmetros especiais para meso-sistemas (a).

Outra consequência da construção de meso-sistemas de refrigeração é que devido ao volume reduzido, não é conveniente a construção de um trocador interno de calor tipo linha de sucção-capilar, fazendo com que na maior parte das aplicações o capilar seja praticamente adiabático. Um exemplo do volume para um meso-sistema de refrigeração pode ser visto no elaborado pela Embraco em parceria com a Intel, ilustrados nas Figuras 1.12a e 1.12b. O protótipo consiste em uma base refrigerada para laptops que conta com o diferencial de ter um compressor integrado, baixando para em torno de 15°C a temperatura do ar antes de ser soprado ao computador.

a) b)

Figura 12: Protótipo desenvolvido pela Embraco e Intel visando à aplicação de meso-sistemas para a refrigeração de laptops. a) um esquema dos

componentes do sistema de refrigeração e em b) o protótipo.

Assim, apesar das vantagens apresentadas quanto a utilização de tubos capilares, a imprevisibilidade imposta pela metaestabilidade somada às limitações de se manter a operação do ciclo constantemente no ponto de equilíbrio e ainda o fato de invadirmos uma nova faixa de diâmetros internos para capilares torna o seu dimensionamento, bem como a modelagem do escoamento, desafios tecnologicamente pertinentes.