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  • Refrigerao Captulo 9 Pg.

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    Captulo 9 - Evaporadores 9.1. Introduo Evaporadores so os componentes de um sistema de refrigerao responsveis pelo resfriamento de uma corrente de ar ou de um lquido que, posteriormente, ser responsvel pelo resfriamento ou congelamento de um produto qualquer. Eventualmente, o evaporador poder ser o responsvel pelo resfriamento direto do produto, sem um agente intermedirio, como o caso de evaporadores de contato. Evaporadores so trocadores de calor que se caracterizam por ter ao menos uma corrente (interna ou externa) onde o fluido, ou refrigerante, muda de estado (vaporizao) durante o processo de retirada de calor, atuando como a interface entre o processo e o sistema de refrigerao. 9.2. Tipos de evaporadores Podem ser classificados de diversas formas, dependendo do processo de transferncia de calor ou do escoamento do refrigerante ou ainda em funo da condio da superfcie de troca trmica. 9.2.1. Conveco natural ou forada No tipo conveco natural, o fluido que est sendo resfriado escoa devido s diferenas de massa especfica ocasionadas pelas diferenas de temperatura entre as correntes fria e quente. Atualmente so utilizados basicamente em refrigeradores domsticos, como mostrado na Fig. 9.1. So normalmente chamados de roll bond devido ao processo de fabricao onde as chapas de alumnio so conformadas com o desenho da serpentina e depois coladas, formando os canais por onde circula o refrigerante.

    Figura 9.1. Evaporadores tipo roll-bond. Conforme fulano (xxx), evaporadores com circulao natural tambm eram utilizados em cmaras frigorficas. Esses evaporadores eram montados nas paredes laterais e teto, como mostrado na Fig. 9.2 e utilizados em cmaras frigorficas que necessitavam baixas velocidades do ar e mnima desumidificao do produto. Alm do grande volume ocupado e da extrema dificuldade das operaes de degelo, caracterizavam-se pela elevada carga de refrigerante no seu interior.

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    Figura 9.2. Evaporadores tubulares, sem aletas, em cmaras frigorficas. No tipo conveco forada, um ventilador ou bomba utilizado para circular o fluido que est sendo resfriado, fazendo-o escoar sobre a superfcie de troca trmica que resfriada pela vaporizao do refrigerante. Na Fig. 9.3 mostrado um exemplo de evaporador para resfriamento de ar com circulao forada atravs de tubos e aletas.

    Figura 9.3. Exemplo de evaporador com circulao forada de ar. 9.2.2. Fluxo do refrigerante O escoamento do refrigerante no evaporador pode ser interno ou externo. Essa classificao importante, pois os processos de transferncia de calor so diferentes. No caso de escoamento interno, no interior dos tubos, o processo de transferncia de calor se d pela ebulio convectiva, como mostrado na Fig. 9.4. No caso do escoamento externo, o processo chamado de ebulio em piscina ou poll boiling, conforme mostrado na Fig. 9.5 e pode ser encontrada na maioria dos evaporadores resfriadores de lquido (ou chillers).

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    Figura 9.4. Processo de ebulio convectiva no interior de tubos.

    Figura 9.5. Processo de ebulio em piscina, no exterior de tubos. 9.2.3. Evaporadores de expanso direta (secos) ou inundados Os evaporadores de expanso direta, ou secos, so projetados para conter apenas a quantidade de refrigerante demandada pela carga trmica. O refrigerante alimentado no evaporador atravs de um dispositivo de expanso, na quantidade exata para que todo o lquido seja convertido em vapor antes do refrigerante chegar suco do compressor. Em geral, o controle da alimentao se d pelo superaquecimento do vapor na sada do evaporador. Na Fig. 9.6 mostrado um esquema simples de um evaporador de expanso direta onde a alimentao acontece atravs de uma vlvula de expanso termosttica. Esses dispositivos esto limitados a evaporadores onde o refrigerante vaporiza dentro de tubos.

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    Figura 9.6. Esquema de um evaporador seco. J o evaporador inundado projetado para conter um nvel constante de refrigerante lquido dentro do seu interior. A alimentao se d desde um tanque separador onde o nvel do lquido mantido constante atravs da ao de uma vlvula tipo boia ou outro controle de nvel adequado. A circulao do refrigerante acontece por conveco natural (termosifo), isto , pela diferena de massa especfica entre a fase lquida e a fase vapor. A mistura lquido+vapor sobe at o tanque separador de lquido onde o vapor formado no processo de retirada de calor separado, escoando da para a suco do compressor. A frao de refrigerante lquido permanece no tanque separador para da alimentar o evaporador outra vez. A diferena de presso esttica na perna de lquido que alimenta o evaporador maior do que na tubulao de sada, onde existem vapor e lquido, o que faz o refrigerante escoar. Toda a superfcie interna do evaporador permanece molhada pelo refrigerante lquido. Na Fig. 9.7 se apresenta um esquema de um evaporador inundado alimentao por gravidade.

    Figura 9.7. Exemplo de um evaporador inundado e alimentao por gravidade.

    As vantagens dos evaporadores inundados em relao aos secos, resumidamente, so:

    As superfcies do evaporador so melhor utilizadas pois esto completamente molhadas; Vapor saturado e no superaquecido entra na linha de suco do compressor (menor

    temperatura), reduzindo tambm a temperatura de descarga do compressor;

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    As vlvulas que regulam a vazo de refrigerante enviado ao evaporador recebem lquido a presso constante, ao invs da presso de condensao.

    Como desvantagens principais, cita-se:

    Custo inicial maior; Maior quantidade (inventrio) de refrigerante necessria para preencher os evaporadores e

    tanques separadores; Acmulo de leo lubrificante no tanque separador e evaporadores, necessitando remoo

    frequente.

    Uma variante dessa classificao o evaporador inundado com recirculao de lquido. Nesse caso, o evaporador alimentado atravs de uma bomba ou pela presso do vapor, atravs de um arranjo especial. Uma grande quantidade de lquido entra no evaporador, muito acima da parcela que vaporiza. Um esquema desse evaporador junto com o tanque separador apresentado na Fig. 9.8.

    Figura 9.8. Exemplo de um sistema de refrigerao com evaporador de circulao forada de lquido utilizando uma bomba centrfuga.

    Como regra geral, as vantagens apresentadas pelos evaporadores inundados em relao aos evaporadores secos so: Superalimentao de lquido em qualquer condio de carga trmica; Melhor aproveitamento das superfcies internas do evaporador pela ausncia de vapor de

    flash, maior velocidade de circulao do refrigerante lquido e, consequentemente, maiores coeficientes de transferncia de calor;

    Desacoplamento dos evaporadores do sistema de refrigerao, aumentando a flexibilidade e operao mais eficiente;

    Garantia de que o vapor aspirado pelo compressor esteja no estado de vapor saturado, permitindo que opere com temperaturas de aspirao e descarga reduzidas;

    Acmulo de leo apenas no tanque separador; Melhor controle durante o processo de degelo;

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    Menores custos de manuteno (na remoo do leo e nos controles); Xxxx atendimento de circuitos paralelos. A diferena de temperatura entre o ar e o refrigerante pequena, o que especialmente

    interessante em aplicaes de baixa temperatura. As desvantagens so idnticas as do evaporador inundado com recirculao natural:

    v Maior custo inicial; v Maior quantidade (inventrio) de refrigerante necessria para preencher os evaporadores

    e tanques separadores; v Acmulo de leo lubrificante no tanque separador e evaporadores, necessitando remoo

    frequente. Os evaporadores inundados podem ser alimentados por cima ou por baixo e cada opo apresenta vantagens e desvantagens. No caso de alimentao por cima, necessria uma menor carga de refrigerante e, consequentemente, de um separador de lquido menor. Acontece uma drenagem natural da serpentina antes do degelo (menos degelo a gs quente) e o transporte de leo de uma maneira contnua. Para a alimentao por baixo, h um melhor coeficiente de transferncia de calor no lado do refrigerante e uma melhor distribuio do refrigerante pelos circuitos da serpentina. Na Fig. 9.9 mostrado um exemplo de evaporador inundado com circulao natural, nesse caso um casco e tubos. Nestes evaporadores o refrigerante circula no casco enquanto o lquido (gua, soluo etlica, fluidos trmicos, etc.) circula nos tubos.

    Figura 9.9. Evaporador inundado tipo casco e tubos.

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