8.RESFRIAMENTO-1

SISTEMAS DE RESFRIAMENTO

Classificação dos Sistemas de

Resfriamento

• Sistemas Industriais :

Sistemas Abertos

Sistemas Semi-Abertos

Sistemas Fechados

Sistemas de Conforto

Componentes Principais dos

Sistemas de Troca Térmica

• _{Torres de Resfriamento;} • _{Trocadores de Calor.}

Torres com Tiragem Forçada

Contra corrente

Torres com Tiragem Forçada

Corrente Cruzada

Torres com Tiragem Forçada

Corrente Cruzada

Torres com Tiragem Forçada

Corrente Cruzada

ÁGUA NO CASCO Água Fria Querozene Quente Querozene Frio Água Quente

Água Fria Querozene Quente Querozene Frio ÁGUA NO TUBO

Espelho Carretel DOIS PASSOS Feixe Tubular Casco Chicanas

Temperatura de Película

• A temperatura da água de resfriamento varia a medida que atravessa o trocador de calor. A temperatura da água de entrada é mais baixa do que a temperatura da água de saída. Chamamos “temperatura de película” à temperatura mais

elevada atingida pela superfície de troca térmica. • Áreas de troca térmica que possuem altas

temperaturas de película, estão mais sujeitas a sofrer corrosão e à formação de incrustações. Trocadores com alta temperatura de película são chamados “trocadores críticos”..

Velocidades de Água

• Para os trocadores do tipo “água no tubo” a velocidade da água, deverá estar sempre entre 0,6 m/s ( 2,0 ft/s ) e 1,5 m/s ( 5,0 ft/s ). Nesta faixa de velocidades há um maior grau natural de limpeza interna dos tubos.

• Velocidades próximas à 0,3 m/s ( 1,0 ft/s ) produzem

“fouling” (acumulação de sedimentos inorgânicos ), além de favorecer o desenvolvimento microbiológico.

Velocidades acima de 1,8 m/s ( 6,0 ft/s ) produzem “erosão-corrosão”.

• Para trocadores do tipo “água no casco”, as velocidades mínimas deverão estar na faixa de 0,9 m/s (3 ft/s) e a velocidade máxima, também ao redor de 1,8 m/s.

Metalurgia

• Normalmente os trocadores de calor são construídos em Aço Carbono. Podem no

entanto serem construídos com feixe tubular em cobre ou almirantado. Há também

trocadores de Monel, Alumínio e outros. • A metalurgia do trocador de calor,

influencia os potenciais de corrosão e incrustação.

Carretel de um Trocador de três

Passes.

Espelho e o Feixe Tubular, Sacado

do Casco do Trocador de Calor.

Chillers

• Chillers, são máquinas térmicas de

produção de frio. São sistemas destinados a refrigeração. Podem ser empregados em

Sistemas de Conforto Térmico ou mesmo para refrigeração em Indústrias diversas.

Condensadores Evaporativos

• Condensadores Evaporativos são

equipamentos parecidos com torres de

resfriamento, porém possuem trocadores de calor localizados dentro de seu interior.

Estes equipamentos, têm por função

condensar soluções criogênicas ou mesmo gases, para que os mesmos possam ser

TQ

TF

TQ

Condensadores de Superfície

• Condensadores de Superfície são trocadores de calor que condensam vapor. Possuem dois

grandes objetivos. O primeiro, é aliviar (reduzir) a contrapressão da turbina, de maneira a extrair a

máxima energia térmica contida no vapor e desta maneira aumentar a eficiência da turbina.

• O segundo, é recuperar um condensado dotado de temperatura, e livre de sais minerais e gases, para servir de água de alimentação às caldeiras.

Problemas Ocasionados pela Água

nos Sistemas de Resfriamento

• Um dos principais problemas identificados nos Circuitos de Água de Resfriamento, são causados pelas Incrustações e pelos

• As Incrustações têm sua origem em processos de

cristalização, decorrentes de saturação de determinados sais minerais presentes na água de recirculação dos

sistemas de ar condicionado. Estes sais minerais possuem solubilidade inversamente proporcional ao aumento da temperatura (com destaque especial para os sais de

Dureza, Sílica e Sólidos Totais Dissolvidos). Isto significa que ao sofrer elevação de temperatura, precipitam-se sobre as superfícies de troca térmica, na forma de crostas ou

• Os Depósitos são também normalmente encontrados nos trocadores de calor dos sistemas de refrigeração a água e são causados pela presença de óleos, argilas, ferro,

alumínio, turbidez, sólidos suspensos, matéria-orgânica, e de produtos de corrosão. São, portanto, materiais

sedimentáveis insolúveis, que são causados normalmente por contaminação dos sistemas de recirculação de águas. Este tipo de contaminação pode ter origem atmosférica (por exemplo através das torres de resfriamento), ou até mesmo adentrar o sistema através da própria água de reposição.

Temperaturade Saturação do Gásde Refrigeração= 34,9 o_C ÁguaFriade Condensação Gásde Condensação Comprimidoe Quente ÁguaQuentede Condensaçãoretornando àtorrede Resfriamento= 35,0 o_C CONDENSADOR LIMPO APPROACH = 35,0 o_{C – 34,9} o_C Temperaturade Saturação do Gásde RefrigeraçãoT_G= 39,5 o_C ÁguaFriade Condensação T_E= 30,0 o_C Gásde Condensação Comprimidoe Quente ÁguaQuentede Condensaçãoretornando àtorrede ResfriamentoT_S= 33,0 o_C CONDENSADOR SUJO APPROACH = 39,5 o_{C – 33,0} o_{C = 6,5} o_C T na condensação= 33,0 o_{C – 30,0} o_{C = 3,0} o_C Temperaturade Saturação do Gásde Refrigeração= 34,9 o_C ÁguaFriade Condensação Gásde Condensação Comprimidoe Quente ÁguaQuentede Condensaçãoretornando àtorrede Resfriamento= 35,0 o_C CONDENSADOR LIMPO APPROACH = 35,0 o_{C – 34,9} o_C Temperaturade Saturação do Gásde RefrigeraçãoT_G= 39,5 o_C ÁguaFriade Condensação T_E= 30,0 o_C Gásde Condensação Comprimidoe Quente ÁguaQuentede Condensaçãoretornando àtorrede ResfriamentoT_S= 33,0 o_C CONDENSADOR SUJO APPROACH = 39,5 o_{C – 33,0} o_{C = 6,5} o_C T na condensação= 33,0 o_{C – 30,0} o_{C = 3,0} o_C Material Isolante “Depósitos” Água Gás Gás Temperaturade Saturação do Gás de Refrigeração= 34,9 o_C ÁguaFriade Condensação Gásde Condensação Comprimidoe Quente ÁguaQuentede Condensaçãoretornando àtorrede Resfriamento= 35,0 o_C CONDENSADOR LIMPO APPROACH = 35,0 o_{C – 34,9} o_C Temperaturade Saturação do Gásde RefrigeraçãoT_G= 39,5 o_C ÁguaFriade Condensação T_E= 30,0 o_C Gásde Condensação Comprimidoe Quente ÁguaQuentede Condensaçãoretornando àtorrede ResfriamentoT_S= 33,0 o_C CONDENSADOR SUJO APPROACH = 39,5 o_{C – 33,0} o_{C = 6,5} o_C T na condensação= 33,0 o_{C – 30,0} o_{C = 3,0} o_C Temperaturade Saturação do Gás de Refrigeração= 34,9 o_C ÁguaFriade Condensação Gásde Condensação Comprimidoe Quente ÁguaQuentede Condensaçãoretornando àtorrede Resfriamento= 35,0 o_C CONDENSADOR LIMPO APPROACH = 35,0 o_{C – 34,9} o_C Temperaturade Saturação do Gásde RefrigeraçãoT_G= 39,5 o_C ÁguaFriade Condensação T_E= 30,0 o_C Gásde Condensação Comprimidoe Quente ÁguaQuentede Condensaçãoretornando àtorrede ResfriamentoT_S= 33,0 o_C CONDENSADOR SUJO APPROACH = 39,5 o_{C – 33,0} o_{C = 6,5} o_C T na condensação= 33,0 o_{C – 30,0} o_{C = 3,0} o_C Água Quente Gás_Frio Superfície Metálica Superfície Metálica

EFICIÊNCIA DE TROCA

TÉRMICA

• Quando a eficiência de troca térmica diminui, o perfil de temperatura do ar condicionado também se altera para maior. Ao subir a temperatura do ambiente climatizado, a lógica da máquina de fazer frio, envia um sinal ao motor do compressor, “instruindo-o” para trabalhar mais, com intuito de que seja comprimido mais gás refrigerante, a fim de se recuperar o conforto térmico do ambiente

climatizado. Quando o motor trabalha mais, significa dizer que seu consumo energético também aumenta,

aumentando-se desta maneira os custos com energia elétrica.

APPROACH DE

TEMPERATURA

• O “approach de temperatura” nos revela a eficiência de troca de calor entre o gás

refrigerante e a água de condensação. Trata-se da diferença de temperatura de saturação do gás (TG) contido no condensador, e

entre a temperatura da água de resfriamento na saída do condensador (TS).

COEFICIENTE DE PERFORMANCE DE UM CHILLER – COP

• Onde:

• Qev = Calor Trocado no Evaporador • ρ = Potência consumida pelo motor do

compressor. • Sendo:

• Qev = m.cp.DT [ kcal / h ] e • ρ = em KW

Exemplo de cálculo do COP para

um Chiller de Baixa Eficiência

• Considerando-se que um trocador de calor (evaporador) de um Chiller registre uma vazão de água gelada em torno dos 120

m3/h. Também deveremos considerar que a temperatura de entrada de água gelada

(quente) no Evaporador é igual a Te = 16,5 oC e a temperatura de saída do Evaporador da água gelada fria é igual a Ts = 10,5 oC.

• Qev = m.cp.DT [ kcal / h ] = 120 x 103 [ kg/h ] x 1,0 [ kcal/kg ] x 6 →

Transformar esta medida energética

em KW utilizamos o seguinte

cálculo:

• Qev = 720.000 kcal / h x 1,6 x 10 – 3 [ KW / kcal . h ] = 1.152 KW

A potência consumida pelo motor do

compressor medida no mesmo

período foi igual à

• COP = 1.152 / 320,25 = 3,597

Exemplo de cálculo do COP para

um Chiller de boa Eficiência

• Considerando-se que um trocador de calor

(evaporador) de um Chiller registre uma vazão de água gelada em torno dos 140 m3/h.

• Considere ainda que a temperatura de entrada de água gelada quente no Evaporador seja igual a Te = 14 oC e que a temperatura de saída de água

• Desta maneira a quantidade de calor

trocado no evaporador deste Chiller é igual a:

• Qev = m.cp.DT [ kcal / h ] = 140 x 103 [ kg/h ] x 1,0 [ kcal/kg ] x 9,5 → Qev =

• para que possamos transformar esta medida energética em KW utilizamos o seguinte

cálculo:

• Qev = 1.330.000 kcal/h x 1,6 x 10 – 3 [ KW / kcal . h ] = 1.542,8 KW

A potência consumida pelo motor do compressor medida no mesmo período foi igual à ρ = 291,75 KW

Desta forma o COF para este

equipamento pode ser calculado:

• COP = 5,289

• Estes números devem ser interpretados da

seguinte maneira:

• Para o Chiller eficiente produzir 5,289 frigorias

no condensador, precisamos de 1 unidade de energia elétrica no motor do compressor.

2ª parte

MEDIDA DO CONSUMO DE

ENERGIA ELÉTRICA

Para calcular-se a Potência (consumo de energia elétrica) nos motores dos

compressores, e dos demais equipamentos elétricos do Sistema Central de Conforto Térmico, recomenda-se a seguinte

expressão: P [ KW ] =

Tensão Média (Volts) x Corrente Elétrica (Amperes) x √ 3 x cos φ 1.000

PROBLEMA

Considerando que as máquinas de

frio, tenham um regime de trabalho

equivalente à 15 horas por dia e 29

dias por mês, pede-se: Qual o

consumo mensal de energia elétrica

dos motores ?

Resolução:

P₂[ KW ] ₌ 508 (Volts) x 381 (Amperes) x 01 (motor) x 3 x 0,75

1.000 .: PM2 = 251,43 KW

P₁ [ KW ] ₌ 513 (Volts) x 383 (Amperes) x 01 (motor) x 3 x 0,75

1.000 .: PM1 = 255,23 KW

P₃[ KW ] ₌ 501 (Volts) x 380 (Amperes) x 01 (motor) x 3 x 0,75

1.000 .: PM3 = 247,31 KW Podemos portanto considerar um consumo médio horário dos motores dos Chillers como sendo:

Consumo ao mês

P _{TOT (CI)} = (255,23 x 15 hs/dia x 29 dias/mês) = 111.025,05 KWh / mês

P _TOT = 306.341,5 KWh / mês

P _{TOT (CII)} = (251,43 x 14 hs/dia x 29 dias/mês) = 102.080,58 KWh / mês

A eficiência de Troca Térmica

• Fatores de Sujeira Elevados (incrustações ou deposições do lado água).

• Ausência de Fluxo (vazão) Suficiente de Água de Resfriamento.

• Ausência de quantidade suficiente de Gás Refrigerante.

• Envelhecimento do feixe tubular de troca térmica. • Vazamentos de Água de Condensação ou de Água

INCRUSTAÇÕES

As incrustações ou os depósitos são perfeitos isolantes térmicos!

Ao subir a temperatura um sinal ao motor do compressor, “instruindo-o” para

trabalhar mais seu consumo energético também aumenta aumentando-se desta maneira os custos com energia elétrica.

VAZÃO

q” = mgás . Cgás. Tgás = mágua . Cágua. Tágua

Se a vazão de água diminuir, o fluxo de calor também irá diminuir !

GÁS REFRIGERANTE

Nos automóveis que possuem ar

condicionado, o primeiro fator a ser

verificado quando o ar está aquecendo-se é o nível de gás. Costuma-se dizer que o gás vazou quando o ar condicionado do veículo para de funcionar. No caso dos chiller’s, a mesma noção comparativa deve prevalecer.

ENVELHECIMENTO DO FEIXE

TUBULAR

q = U . A. Tméd.

• U = Coeficiente Global de Troca de Calor em kcal / h

• A = Área de Troca Térmica em m2  Tméd = em oC

ÁREA

O Valor de A é obtido pela expressão: A = n . . . L

onde,

• n = número de tubos

  = diâmetro dos tubos

q = calor

O valor de q também pode ser obtido pela expressão: q = m . C. T

• m = em kg / h • C = em kcal / kg.oC  T = em oC

Perda Percentual de Eficiência de

Troca Térmica

Exercício acerca de Envelhecimento de

Feixe Tubular de Troca Térmica

Necessita-se projetar um permutador de calor capaz de condensar 500.000 kg / h de certo gás refrigerante de 44 oC para 34 oC,

utilizando água como fluído frio. Sabe-se que a temperatura média ambiente é de 28 oC, e que a temperatura na bacia da torre de

resfriamento ficará cerca de 2 oC inferior à temperatura de bulbo úmido. O gradiente de temperatura da torre de resfriamento será calculado para alcançar 6 oC. Sob estas circunstâncias, calcular o

trocador de calor, levando-se em conta que o espaço físico disponível para acomodar este equipamento é de no máximo 7,5 m e uma altura máxima de 3 metros. Calcular ainda a perda de eficiência do feixe tubular, levando-se em consideração que a Taxa de Corrosão

Generalizada provocada pela água no lado água do Trocador de Calor, será de aproximadamente 10 m.p.y (ou seja, 0,254 mm por ano de

Dados:

• Calor Específico do Gás Refrigerante = 0,48 kcal / kg . oC.

• Coeficiente Global de Transmissão de Calor: 25.000 kcal / h.m2.oC.

• Considerar tubos em aço carbono, padrão ASTM A 178 com diâmetro externo de 19 mm ( ¾”), e diâmetro interno = 13 mm.

1.As temperaturas médias

• _Gás:

Tméd. = [( 44 + 34 )] ÷ 2 = 39 oC

• _Água:

2.Cálculo da vazão de água

• Mgás . Cgás. Tgás = mágua . Cágua. Tágua

 500.000 x 0,48 x ( 44 - 34 ) = mágua x 1 x ( 36-30)

 mágua = 2.400.000 ÷ 6 = 400.667 kg / h  400 m3 / h de vazão de água de resfriamento

3. Cálculo do fluxo de calor

q = mgás . Cgás. Tgás = mágua . Cágua. Tágua

q = 500.000 x 0,48 x ( 44 - 34) = = 400.667 x 1 x ( 36 - 30 ) = = 2.404.000 kcal/h

4. Cálculo da área de troca

térmica necessária

 T

=

( T

) - ( T

)

ln

( T

)

área de troca

 Tméd. = ( 10 – 6 ) ÷ ln ( 10 ÷ 6 ) = 7,69 oC

Usando a equação  q = U . A. Tméd.  2.404.000 = 25.000 x A x 7,69 

5. Cálculo do comprimento dos

tubos

A = n . .  .L  L = A ÷ ( n . .  )

Tubos em carbono, do padrão ASTM A 178 Diâmetro externo de 19 mm ( ¾”),

Diâmetro interno = 13 mm (½”) .

Espessura de parede do tubo = 5 mm.

Iremos considerar ainda 200 tubos, os quais nos dão uma altura adequada para o trocador de calor.

COMPRIMENTO DOS TUBOS

6. Cálculo de perda de Eficiência após 05

(cinco) anos de uso do feixe Tubula

• Após 5 (cinco) anos de uso do feixe tubular, considerando-se que o metal sofreu uma

Taxa de Corrosão média de 10 m.p.y. (0,254 mm de corrosão por ano),

concluímos que haverá uma perda metálica do lado água equivalente a 1,27 mm na

parede do tubo. Iremos considerar que do lado gás, a corrosão sofrida pelo metal, foi desprezível.

Nova área de troca térmica

• A2 = n . .  .L  A2 = 200 x 3,1416 x (0,005-0,00127) x 3,97  A2 = 9,30 m2

Redução da Área = RUdução do

Fluxo de Calor

q2 = U . A. Tméd. 

25.000 kcal / h.m2.oC x 9,30 m2 x 7,69 oC 

EFICIÊNCIA

 % = [ 2.404.000 - 1.787.925 ] x 100  2.404.000

CONCLUSÕES

• O feixe tubular perdeu de parede cerca de 25%

• A corrosão causada pela água reduziu a parede do tubo de 5 mm para 3,73 mm

• A perda de 0,254 mm ao ano, durante 5 anos; • O desgaste igual a 1,27 mm, devido à corrosão

CONCLUSÕES

• 25% de perda de parede tubular é o máximo admissível para condenar-se um feixe.

• A área de troca térmica diminuída em função de desgaste, abrasão, corrosão, varetamentos, limpezas químicas, etc. • Uma taxa de corrosão na ordem de 10 m.p.y é muito alta. • O padrão internacional recomenda no máximo 5 m.p.y.

VAZAMENTOS

= perda de :

• eficiência no processo, • energia,

• produtos químicos de tratamento, • satisfação dos usuários.

I n c r u s t a ç õ e s V e r d a d e i r a s

• _{Carbonato de Cálcio  solubilidade}

diminui quando temperatur aumenta;

• _{Fosfato de Alumínio  Normalmente é}

encontrado em trocadores de calor com alta temperatura de película (acima de 60oC e dotados de baixa velocidade de água).

• _{Fosfato de Ferro, ocorre quando}

altos níveis de ferro solúvel;

• _{Fosfato de Cálcioapresenta uma}

redução de seu limite de solubilidade, à medida que se eleva a temperatura.

• _{Fosfato de Magnésiocontrolando-se a}

incrustação por Ca3(PO4)2 estaremos evitando que ocorra a incrustação por Mg3(PO4)2;

• _{Fosfato de Zincodeposição resultante}

• _{Hidróxido de Zincocurva de solubilidade}

inversa após alcançar 60ºC e é altamente instável quando o pH do sistema ultrapassa 7,5

• _{Silicato de Cálcio e de Magnésiodepósitos}

• _{Sílica altas concentrações, altas}

temperaturas de película, baixos

valores de pH = incrustações vítreas;

• _{Sulfato de CálcioA solubilidade é}

inversamente proporcional à elevação de temperatura

• Limite de Solubilidade do CaCO3Solubilidade em mg/lTemperatura em oCSolubilidade em mg/lTemperatura em oC810033060700102608065020190100560 25251805203014225440401126038050833 5