UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA CENTRO DE CINCIAS E TECNOLOGIA

SIMULAO DA PERFORMANCE DE UM REFRIGERADOR INDUSTRIAL FUNCIONANDO COM AMNIA (R717)

Aluno: Danilo Dantas Barros Matrcula: 200722891

NATAL-RN Decembro/2011

SIMULAO DA PERFORMANCE DE UM REFRIGERADOR INDUSTRIAL FUNCIONANDO COM AMNIA (R717)

Trabalho de Concluso de Curso apresentado a Universidade Federal do Rio Grande do Norte como requisito para obteno do titulo de graduao no curso de Engenharia Mecnica. Prof Orientador(a): Cleiton Rubens Formiga Barbosa

Aluno: Danilo Dantas Barros Matrcula: 200722891 Orientador: Prof. Dr. Cleiton Rubens Formiga Barbosa

NATAL-RN Dezembro/2011

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ResumoA amnia (R717) foi um dos primeiros fluidos refrigerantes a ser utilizados na rea de refrigerao, sendo empregado inicialmente em ciclos de absoro e logo em seguida, tambm nos ciclos de compresso a vapor. Com a chegada dos fluidos halogenados, reduziu-se a utilizao da amnia na rea comercial, mas na rea industrial o uso da amnia continuou se desenvolvendo. Em quase 150 anos de sua aplicao, houve grandes avanos na tecnologia desenvolvida, com nfase nos aspectos de segurana e eficincia energtica. Aps o protocolo de Montreal, a amnia passou a ser considerada como uma das mais importantes alternativas nas aplicaes de refrigerao e ar condicionado. Com essas oportunidades surgiram novos conceitos, entre os quais os sistemas extremamente compactos, com uma carga de refrigerante muito reduzida e dispositivos de segurana avanados, tornando vivel a utilizao da amnia em vrios tipos de aplicaes. Este trabalho tem como objetivos a familiarizao de um software comercial de anlise de ciclos de refrigerao por compresso de vapor e a simulao dos parmetros para diferentes condies operacionais de um refrigerador industrial funcionando com Amnia. A priori sero realizados testes de avaliao do coeficiente de performance do refrigerador para diferentes condies operacionais. Sua performance ser confrontada com a operao de fluidos sintticos tradicionais.

Palavras-chaves: Amnia(R717), refrigerador industrial, COP, fluidos sintticos, software.

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AbstractAmmonia (R717) was one of the first refrigerants to be used in refrigeration, being used initially in cycles of absorption and, shortly thereafter, also in the cycles of compression steam. The arrival of halogenated fluids reduced the use of ammonia in the commercial area, but in the industrial use of ammonia continued to develop. In almost 150 years of its application happened great advances in technology developed with emphasis on the safety and energy efficiency. After Montreal Protocol ammonia has been considered as one of the most important applications of alternatives in refrigeration and air conditioning. Through of these opportunities came new concepts, including the extremely compact systems with a very low refrigerant charge and advanced security devices, making possible the use of ammonia in various types of applications. This work aims to familiarize one commercial software for the analysis of refrigeration cycles vapor compression and simulation parameters for different operating conditions of an industrial refrigerator working ammonia. First tests will be performed to measure the coefficient of performance of a refrigerator for different operating conditions. Their performance will be confronted with the operation of traditional synthetic fluids.

Key words: Ammonia(R717), industrial refrigerator, coefficient of performance, synthetic fluids, software.

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Sumrio1. 2. Introduo ........................................................................................................................ 6 Problemas Ambientais ...................................................................................................... 8 Protocolo de Montreal .......................................................................................... 11

2.1. Camada de oznio ............................................................................................................ 8 2.2 3. Refrigerantes ................................................................................................................ 13 3.2 Fluidos refrigerantes alternativos............................................................................. 16 Conceitos Bsicos .................................................................................................. 18 Primeira Lei da Termodinmica .......................................................................... 18 Segunda Lei da Termodinmica ........................................................................... 19 Propriedades Termodinmicas............................................................................. 20

3.1 Noes Gerais ............................................................................................................... 13 3.3 Amnia .......................................................................................................................... 17 4. 4.1 4.2 4.3 5.

Sistemas de refrigerao ................................................................................................. 21

5.1 Classificao da Refrigerao ......................................................................................... 21 5.2 Sistema de Compresso Mecnico de Vapor (CMV) ....................................................... 22 5.3 Sistema de Refrigerao por Absoro ............................................................................ 23 6. Refrigerao Industrial ................................................................................................... 24 Compressores ......................................................................................................... 25 Trocadores de Calor ................................................................................................ 29 Condensadores ........................................................................................................ 29 Processo de Condensao .................................................................................... 30 Evaporadores .......................................................................................................... 30 Processo de Evaporao ...................................................................................... 31 Dispositivo de Expanso ......................................................................................... 33 Vlvula de Expanso Termosttica .......................................................................... 33 6.1 Componentes de um Sistema de Refrigerao ................................................................. 24 6.1.1 6.1.2 6.1.2.1 6.1.2.1.1 6.1.2.2 6.1.2.2.1 6.1.3 6.1.3.1

Parmetros que influenciam o COP ................................................................................ 35 Diferenas do ciclo ideal para o real ................................................................................ 37 Bibliografia ............................................................................................................................ 39

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SIMULAO DA PERFORMANCE DE UM REFRIGERADOR INDUSTRIAL FUNCIONANDO COM AMNIA (R717)Danilo Dantas Barros Concluinte do curso de Engenharia Mecnica da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, danilo_dantas8@hotmail.com Cleiton Rubens Formiga Barbosa Professor orientador, graduado em Engenharia Mecnica, Especialista em Segurana do Trabalho, Mestrado em Engenharia Mecnica, Doutor em Engenharia Mecnica. Professor de Refrigerao e Ar Condicionado. E-mail: cleiton@ufrnet.br

1. IntroduoDurante toda a sua histria o homem se apegou muito a o seu bem estar, isso foi uma das razes para a criao de equipamentos com finalidade de reduzir a temperatura do ambiente ou de alimentes e bebidas, para a sua conservao ou seu consumo. Nos dias atuais, principalmente com o aumento da temperatura global devido a diversas causas como o efeito estufa, os aparelhos condicionadores, j no esto mais como um aparelho de bem estar, mas sim virou uma necessidade principalmente nos ambientes de trabalho, que percebemos um aumento na produtividade nesses ambientes diferentemente se no o tivessem. Uns dos principais elementos constituintes dos aparelhos de refrigerao so os refrigerantes, fluidos que roubam calor e consequentemente reduzem a temperatura do objetivo em questo. A refrigerao do conhecimento humano desde a antiguidade que aproveitavam o gelo das montanhas para refrigerar bebidas e servi-las, e no Egito devido ao clima e sem a presena de gelo, refrescavam a gua por evaporao, utilizando vasos de barro, que sendo poroso, deixa passar um pouco da gua contida no

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seu interior, a evaporao desta para o ambiente faz baixar a temperatura do sistema. Essa forma de refrigerao ainda utilizada no interior do nordeste. Com o avano dos estudos e principalmente com a criao do microscpio, passamos a utilizar novos mtodos para conseguir reduzir a temperatura, o principal equipamento e que at hoje utilizado o de compresso de um fluido e este sistema rouba calor, fazendo o efeito desejado. Aps esse grande avano, mais estudos foram direcionado a essa rea principalmente para aumentar a eficincia, sendo essa melhorando a compresso ou um estudo, mas elaborado dos fluidos refrigerantes utilizados e da transferncia de calor. A primeira mquina de refrigerao a operar de maneira cclica foi criada em 1834 pelo ingls Jacob Perkins na qual ele utilizava como refrigerante o ter. Vinte anos depois foi criado um novo equipamento que utilizou o princpio de refrigerao por compresso mecnica, e utilizou novamente o ter como fluido refrigerante. Durante o sculo XIX foram estudadas vrias alternativas para aumentar a eficincia e aperfeioar esse sistema de refrigerao, com o principal foco nos fluidos refrigerantes, dessa forma teve-se a utilizao do dixido de carbono testado com sucesso por Franz Windhausen, da amnia por Carl Von Linde e o dixido de enxofre por Raoult Pictet. Grande problema apresentado por esses fluidos que so txicos e qualquer vazamento pode causar srios problemas a sade causando at a morte, por esse motivo continuou os estudos para substituir os refrigerantes txicos. Em 1928 o cientista norteamericano Thomas Midgley descobriu um fluido no txico os clorofluorcarbonos (CFC). Um dos grandes problemas que foi observado, foi que os refrigerantes de base de CFC ataca a camada de oznio que com reaes qumicas perde o oznio dessa camada, aumentando a incidncia de raios ultra violetas na terra, esse aumento que cada vez mais foi se agravando ao longo do tempo, prejudica a sade dos seres humanos e do meio ambiente, seja esse com doenas como o cncer de pele. Devido a essa grande preocupao com o meio ambiente hoje em dia estudamos novas formas de substituir os refrigerantes existentes por outros similares que possua o mesmo efeito ou at melhor, mas que uma de suas principais caractersticas seja que no afetem o meio ambiente

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2. Problemas Ambientais 2.1. Camada de oznioUm dos grandes problemas na utilizao dos fluidos refrigerantes que boa parte que estava em uso possua algumas substancias que so danosas ao meio ambiente. Muitos dos aparelhos de refrigerao utilizavam o R12 e o R22 em larga escala e estes so de base CFC, ou seja, prejudicam a camada de oznio, alm de aumentar o efeito estufa. Ela fica situada na estratosfera, entre os quilmetros 20 e 35 de altitude, a camada de oznio tem cerca de 15 km de espessura. Sua constituio, h cerca de 400 milhes de anos, permitiu o desenvolvimento de vida na Terra, j que o oznio, um gs rarefeito cujas molculas se compem de trs tomos de oxignio, impede a passagem de grande parte da radiao ultravioleta emitida pelo Sol. Esses compostos so pertencentes aos derivados dos halogenados e so derivados dos hidrocarbonetos saturados obtidos mediante a substituio de tomos de hidrognio por tomos de cloro e flor. O freon, o mais conhecido CFC, parecia a soluo perfeita aos problemas da refrigerao, por no se dividir e no causar danos aos seres vivos, pois os primeiros fluidos refrigerantes descobertos eram bastante txicos e qualquer vazamento que ocorresse colocaria em risco as vidas das pessoas, muito melhor que o produto anteriormente utilizado, a amnia. Porm ao longo de estudos descobriu-se que os CFC sofrem fotlise quando submetidos radiao UV, ultravioleta, dividindo-se na altura da camada de oznio onde a presena desses raios constante, destruindo-a e consequentemente afetando o meio ambiente. A fotlise a dissociao de molculas orgnicas complexas por efeito da radiao eletromagntica:

F

F8

| | C em O2 e C O: C + O3

Luz U.V. |

|

C - C - C ---------> C - C - C C

O Radical Livre Cloro que se forma, logo reage com o Oznio, o decompondo O2 + C O

O C O ento pode reagir com outra molcula de O3, formando duas molculas de O2 e deixando o Radical Livre C pronto para repetir o ciclo reacional: C O + O3 2 O2 + C O Ciclo prossegue at que o cloro se ligue a uma substncia diferente de O3 que forme uma substncia resistente fotlise ou uma substncia mais densa (que leve o C da camada de oznio para uma mais baixa): Esse fenmeno causa a destruio na camada de oznio, o que aumenta a entrada de raios UV na atmosfera causando grandes problemas como o cncer de pele, catarata, diminuio do fitoplncton e reduo das colheitas.

Figura 1: Camada de oznio e efeito estufa

Em 1975, um cientista chamado Mike McElroy, ao estudar os efeitos que adviriam de uma destruio da camada de oznio, advertiu que isto poderia ser usado como uma nova arma de guerra. Um composto qumico como o bromo, se lanado deliberadamente na atmosfera, daria origem a um buraco na camada de oznio sobre o territrio inimigo, incapacitando pessoas desprotegidas e destruindo plantaes.

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Ns conseguimos perceber com os nossos sentidos uma parte da energia emitida pelo Sol, atravs da luz e do calor. Mas o Sol emite energia tambm fora da faixa que denominamos luz visvel, e que no portanto percebida pelos nossos olhos. A faixa "acima" da luz visvel chamada infravermelha e a faixa "abaixo" dela chamada ultravioleta. "Acima" e "abaixo" significam comprimentos de onda de irradiao maiores ou menores. irradiaes com comprimentos de onda menores contm muito mais energia concentrada, sendo portanto muito mais fortes, ou, em outras palavras, muito mais perigosas. A natureza protege a terra com um escudo. Esse escudo, a camada de oznio, absorve grande parte da radiao ultravioleta perigosa, impedindo que esta chegue at o solo. Toda a vida na Terra especialmente sensvel radiao ultravioleta com comprimento de onda entre 290 a 320 nanmetros. To sensvel, que essa radiao recebe um nome especial: UV-B, que significa "radiao biologicamente ativa". A maior parte da radiao UV-B , pois, absorvida pela camada de oznio, mas mesmo a pequena parte que chega at a superfcie perigosa para quem se expe a ela por perodos mais prolongados. A Agncia Norte-Americana de Proteo Ambiental estima que 1% de reduo da camada de oznio provocaria um aumento de 5% no nmero de pessoas que contraem cncer de pele. Em setembro de 1994 foi divulgado um estudo realizado por mdicos brasileiros e norte-americanos, onde se demonstrava que cada 1% de reduo da camada de oznio, desencadeava um crescimento especfico de 2,5% na incidncia de melanomas. A incidncia de melanoma, alis, j est aumentando de forma bastante acelerada. Entre 1980 e 1989, o nmero de novos casos anuais nos Estados Unidos praticamente dobrou; segundo a Fundao de Cncer de Pele, enquanto que em 1930 a probabilidade de as crianas americanas terem melanoma era de uma para 1.500, em 1988 essa chance era de uma para 135.Em 1995 j se observava um aumento nos casos de cncer de pele e catarata em regies do hemisfrio sul, como a Austrlia, Nova Zelndia, frica do Sul e Patagnia. Em Queensland, no nordeste da Austrlia, mais de 75% dos cidados acima de 65 anos apresentam alguma forma de cncer de pele, a lei local obriga as crianas a usarem grandes chapus e cachecis quando vo escola, para se protegerem das radiaes ultravioleta. Alm de tornar mais fceis as condies para que os tumores se desenvolvam sem que o corpo consiga combat-los, supe-se que haveria um aumento de infeces por herpes, hepatite e infeces dermatolgicas provocadas por parasitas.

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A maior parte das plantas ainda no foi testada quanto aos efeitos de um aumento da UV-B, mas das 200 espcies analisadas at 1988, dois teros manifestaram algum tipo de sensibilidade. A soja, por exemplo, apresenta uma reduo de 25% na produo quando h um aumento de 25% na concentrao de UV-B. O fitoplncton, base da cadeia alimentar marinha, assim como as larvas de alguns peixes, tambm sofrem efeitos negativos quando expostos a uma maior radiao UV-B. J se constatou tambm que rebanhos apresentam um aumento de enfermidades oculares, como conjuntivite e at cncer, quando expostos a uma incidncia maior de UV-B. Ressalte-se que todos esses efeitos so ocasionados por um ligeiro acrscimo da radiao UV-B. Existe, contudo, um outro tipo de radiao ainda mais temvel: a UV-C. A radiao UV-C apresenta comprimentos de onda entre 240 e 290 nanmetros e (at agora) completamente absorvida pelo oznio estratosfrico. Sabe-se que a UV-C capaz de destruir o DNA (cido desoxirribonuclico), a molcula bsica da vida, que contm toda a informao gentica dos seres vivos.

2.2 Protocolo de MontrealDevido a esses diversos problemas causados pelos refrigerantes de base CFC, a humanidade se preocupou com seu futuro, pois ao decorrer dos anos a situao cada vez mais se agravava. Desta forma vrios pases participaram de duas importantes conferncias a de Kyoto e a de Montreal. O Protocolo de Montreal teve o foco sobre Substncias que destroem a Camada de Oznio e um acordo internacional, criado no mbito da Conveno de Viena para a Proteo da Camada de Oznio de 1985 (onde os pases se comprometeram em trocar informaes, estudar e proteger a camada de oznio), ao qual o Brasil aderiu em 1990, por meio do Decreto n. 99.280 de 06/06/90, comprometendo-se a eliminar o CFC completamente at 2010. O Protocolo de Montreal composto por cinco acordos firmados em Montreal, Canad, em 16 de setembro de 1987. Durante dois anos o protocolo esteve aberto s assinaturas pelos pases, recebendo a adeso de 46 governos que se comprometeram em reduzir em 50% a produo e consumo de CFCs at o ano 2000 e o abandono total da produo e do consumo de halons at 1992.11

At 1999 o Protocolo de Montreal havia passado por cinco revises onde recebeu algumas emendas: em 1990 na reunio em Londres, Inglaterra, foi aceita a emenda (Emenda de Londres) pela qual as partes concordaram em abandonar totalmente a produo e consumo de CFCs at 2000 (at ento o acordo era de reduzir em 50%). Nesta reunio tambm foi criado um fundo para ajudar financeiramente a implementao do Protocolo pelas partes em 1992 na reunio em Copenhagen, Dinamarca, ficou acordado o banimento total da produo e utilizao dos HCFCs at 2030, que estavam sendo utilizados como substitutos dos CFCs, a meta do banimento dos CFCs foi antecipada para 1996 e, tambm, houve o congelamento da produo e consumo dos brometos de metila at 1995. Em 1997 em Montreal, ficou acordado atravs de uma nova emenda o banimento do brometo de metila pelos pases industrializados at 2005 e o mesmo para os pases em desenvolvimento at 2015. Como ainda era, utilizados os CFC, instituiu-se uma licena para fins de exportao e importao da substncia; em 1999 em Beijing, na China, foi feito o reabastecimento do Fundo Multilateral. No Brasil, a primeira ao para combater as Substncias Destruidoras da Camada de oznio (SDOs), antes mesmo da ratificao do Protocolo, foi a publicao da Portaria 01 de 10/08/88 pela ento Secretaria Nacional de Vigilncia Sanitria, mais tarde substituda pela Anvisa. Esta portaria regulamentou as embalagens de aerossis livres de CFC. No mesmo ano o Ministrio da Sade proibiu o uso de CFCs em produtos cosmticos, de higiene e perfumes. Em 1991, aps a ratificao do Protocolo foi criado o GTO, Grupo de Trabalho do Oznio, que estabeleceu diretrizes para eliminao dos CFC e criou o Programa Brasileiro para eliminao da Produo e Consumo das Substncias que Destroem a Camada de Oznio. Em 1995 foi aprovada a Resoluo CONAMA n. 13 que deu prioridade para a converso tecnolgica industrial na eliminao dos CFCs. Mais tarde a resoluo foi revogada e uma outra resoluo, a n. 267/00 proibiu definitivamente o uso de CFCs em novos produtos. Ainda em 1995, foi criado o PROZON, Comit-Executivo Interministerial para a Proteo da Camada de Oznio. Para banir de vez o uso de CFCs no Brasil, foi criado o Plano Nacional para Eliminao de CFCs em 2002. Desde ento, o uso de CFCs no Brasil caiu de 10 mil toneladas em 1995, para 480 toneladas em 2006, representando cerca de 90% de reduo.12

3. Refrigerantes 3.1 Noes GeraisA principal fonte de troca trmica numa mquina de refrigerao so os fluidos refrigerantes, que so compostos qumicos que por suas caractersticas de passar, reversivelmente, por uma mudana de fase de um gs para liquido ou vice-versa, desta forma eles possuem uma boa eficincia em roubar calor. Sua composio molecular varia, de acordo com a aplicao. Existem fluidos refrigerantes halogenados, de amnia, dixido de enxofre, dixido de carbono, e hidrocarbonetos no halogenados, tais como o metano. Os refrigerantes possuem diversas caractersticas e quanto mais as qualidades apresentarem melhor a eficincia da maquina refrigeradora. Dentre as principais qualidades esto: - Condensar-se a presses moderadas; - Evaporar-se a presses acima da atmosfrica; - Ter pequeno volume especfico (menor trabalho do compressor); - Ter elevado calor latente de vaporizao; - Ser quimicamente estvel (no se altera apesar de suas repetidas mudanas de estado no circuito de refrigerao); - No ser corrosivo; - No ser inflamvel; - No ser txico; - Ser inodoro; - Deve permitir fcil localizao de vazamentos; - Ter miscibilidade com leo lubrificante e no deve atac- lo ou ter qualquer efeito indesejvel sobre os outros materiais da unidade; - Em caso de vazamentos, no deve atacar ou deteriorar os alimentos, no deve contribuir para o aquecimento global e no deve atacar a camada de oznio.13

Os fluidos refrigerantes possuem uma nomenclatura normalizada e esta composta por prefixo composto de letras e um sufixo composto de nmeros. O prefixo inicia pela letra R que indica refrigerante e em alguns casos usado letras para indicar os elementos que o fluido possui como o C para carbono, B para o bromo, F para o flor, um exemplo o R22 que tambm pode ser chamado de HCFC22, porm esses prefixos devem ser usados em publicaes no tcnicas. Quanto aos sufixos so direcionados aos hidrocarbonetos e seus derivados, os hidrocarbonetos halogenados so compostos formados por hidrognio, carbono e um ou mais dos seguintes elementos da famlia qumica dos holognicos: cloro, fluor ou bromo. o primeiro nmero direita (unidades) o nmero de flor presente no composto, j o segundo (dezenas) um nmero a mais que o nmero de hidrognios em tomos e o terceiro (centenas) um nmero a menos de carbonos presente (quando o dgito zero este omitido). Para os fluidos refrigerantes que contm bromo (Br), a letra B adicionado aps o nmero de identificao, seguido pelo nmero de tomos presentes. Estes refrigerantes no so mais fabricados nos pases desenvolvidos desde a aplicao do Protocolo de Montreal relativo s substncias que empobrecem a camada de oznio. O nmero de cloro (Cl) tomos encontrado subtraindo-se a soma de brometo de flor, e os tomos de hidrognio a partir do nmero total de tomos que podem ser ligados aos tomos de carbono: 4 para os derivados de metano (CH 4 ), 6 dos derivados de etano (C 2 H 6 ), Etc... Para os derivados cclicos, a letra C usada antes do nmero de identificao do refrigerante. Exemplo: RC318. No caso de ismeros na srie etano, cada um tem o mesmo nmero, o mais simtrico indicado pelo nmero sozinho. Com os ismeros cada vez mais assimtricos minsculos, sucessivos letras (isto , a, b ou c) so anexadas. Exemplo: R134 e R134a Existem vrias nomenclaturas e abreviaes nos refrigerantes como o CFC para o clorofluorcarbono o HCFC para HidroCloroFlorCarbono substncias menos agressivas do que CFCs em relao cada de oznio. No HCFC um tomo de cloro foi substitudo por um hidrognio, que inofensiva a camada de oznio, e o HFC que a abreviao de HidroFlorCarbono, e HC e a abreviao de HidroCarbono, ambas substncias inofensivas camada de oznio, porque no tema cloro nas suas composies.

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Alm dos hidrocarbonetos tambm temos os compostos inorgnicos como a amnia, CO2, esse grupo deve ser atribudo um nmero da srie 700, nmeros de identificao so formadas por adicionar a massa molecular relativa de componentes para 700. O outro grupo formado pelas misturas azeotrpicas so aquelas que no podem ser separadas em seus componentes por destilao. Um azeotropo evapora e condensa como uma substncia simples com propriedades diferentes das de cada um se seus constituintes. J as misturas no azeotrpicas ocorre durante a mudana de fase, quando as concentraes de lquido e vapor so diferentes da concentrao original da mistura. Alm da classificao normal dos compostos, eles tambm so classificados de acordo com o nvel de toxidade que apresentam. Classe A so os Compostos cuja toxicidade no foi identificada, j a Classe B Foram identificadas evidncias de toxicidade, temos tambm o grau de inflamabilidade na Classe 1 no se observa propagao de chama em ar a 18oC e 101,325 kPa. Classe 2 o Limite inferior de inflamabilidade (LII) superior a 0,10kg/m3 a 21 oC e 101,325kPa, Poder calorfico inferior a 19.0 kJ/kg. Classe 3 a Inflamabilidade elevada, caracterizando-se por LII inferior ou igual a 0,10 kg/m3 a 21 oC e 101,325 kPa, Poder calorfico superior a 19.0 kJ/kg.Tabela 1: Classificao de segurana dos grupos de refrigerantes

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Tabela 2: dados dos refrigerantes

3.2 Fluidos refrigerantes alternativosCerca de 50 substncias diferentes foram extensamente usadas ou pesquisadas como um fluido de trabalho ao longo da histria da refrigerao em um sculo de existncia. A maioria destes foi descartada por no serem adequados por diversas razes. Contudo, um nmero significativo de opes ainda permanece a ser adaptados em vrias condies e aplicaes. De acordo com Lorentzen (1995), praticamente todas as necessidades dos sistemas de refrigerao convencionais e bombas de calor so atendidas por trs refrigerantes naturais abundantemente disponveis: amnia, mistura de hidrocarbonetos (como o propano e butano), e o dixido de carbono. A utilizao da amnia como fluido de trabalho se estende por quase 120 anos, existindo uma experincia vasta na utilizao deste refrigerante. No se pode negar as excelentes propriedades termodinmicas e de transporte da amnia, alis, muito superior aos CFCs. Uma instalao contendo amnia ganha na economia e eficincia energticas em funo dos dimensionamentos e seleo dos equipamentos do projeto, por serem16

baseados no menor custo, peso, tamanho e simplicidade. No necessita, pois, um compressor de altas rotaes, tubulaes espessas e trocadores de calor de grande desempenho. Outra vantagem a sua tolerncia diante dos leos minerais, baixas sensibilidades a pequenas quantidades de gua no sistema, deteco simples de vazamento, disponibilidade ilimitada e baixo custo. Em uma instalao contendo amnia, o gs de trabalho mais leve que o ar facilitando sua remoo convectando-o para fora do recinto por meio de um sistema de ventilao, podendo ser controlado por um sensor que detecta a presena da amnia. Pode-se propor (e recomenda-se) um fluido secundrio para a devida refrigerao do compartimento a ser condicionado.

3.3 AmniaA amnia (R-717) um refrigerante sem impacto ambiental direto porque no destri o oznio atmosfrico, tem um potencial de destruio de oznio(ODP) zero, assim como no contribui para o aquecimento global, pois tem um potencial de aquecimento global (GWP) tambm zero. ;

Tabela 3: Propriedades da Amnia.

A amnia (na tabela 3), com smbolo qumico NH3, constituda de um tomo de nitrognio e trs de hidrognio, apresentando-se como gs temperatura e presso ambientes. Liquefaz-se sob presso atmosfrica a -33,35 C. altamente higroscpica e a reao com a gua forma NH4OH, hidrxido de amnia, lquido na temperatura ambiente, que possui as mesmas propriedades qumicas da soda custica. estvel

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quando armazenada e utilizada em condies normais de estocagem e manuseio. Acima de 450C, pode se decompor, liberando nitrognio e hidrognio. facilmente detectada a partir de pequenssimas concentraes (5 ppm) no ar pelo seu cheiro "sui-generis". Apresenta risco moderado de fogo e exploso, quando exposta ao calor ou chama. A presena de leo e outros materiais combustveis aumenta o risco de fogo. Em contato com halognios, boro, 1.2 dicloroetano, xido de etileno, platina, triclorato de nitrognio e fortes oxidantes, pode causar reaes potencialmente violentas ou explosivas. Em contato com metais pesados e seus compostos, pode formar produtos explosivos. O contato com cloro e seus compostos, pode resultar na liberao de gs cloroamina. Produz mistura explosiva quando em contato com hidrocarbonetos, sendo tambm incompatvel com aldedo, actico, acrolena, dridrazina e ferrocianeto de potssio. Entre suas aplicaes, destacam-se seus usos como agente refrigerante e na fabricao da uria, um importante fertilizante. ainda utilizada na fabricao de txteis, na manufatura de Rayon, na indstria da borracha, na fotografia, na indstria farmacutica, na fabricao de cermicas, corantes e fitas para escrever ou imprimir, na saponificao de gorduras e leos, como agente neutralizador na indstria de petrleo e como preservativo do ltex, entre outras. O gs um irritante poderoso das vias respiratrias, olhos e pele. Dependendo do tempo e do nvel de exposio podem ocorrer efeitos q ue vo de irritaes leves a severas leses corporais. A inalao pode causar dificuldades respiratrias, broncoespasmo, queimadura da mucosa nasal, faringe e laringe, dor no peito e edema pulmonar. A ingesto causa nusea, vmitos e inchao nos lbios, boca e laringe. A amnia produz, em contato com a pele, dor, eritema e vesiculao. Em altas concentraes, pode haver necrose dos tecidos e queimaduras profundas. O contato com os olhos em baixas concentraes (10 ppm) resulta em irritao ocular e lacrimejamento. Em concentraes mais altas, pode haver conjuntivite, eroso na crnea e cegueira temporria ou permanente. Reaes tardias podem acontecer, como fibrose pulmonar, catarata e atrofia da retina. Vale salientar que a exposio a concentraes acima de 2500 ppm por aproximadamente 30 minutos pode ser fatal.

4.

Conceitos BsicosA primeira lei da termodinmica aquela que indica um aspecto fundamental do

4.1 Primeira Lei da Termodinmicaconceito de energia, energia se conserva. Durante o sculo XIX Joule estudou processos atravs dos quais um sistema fechado passe de um estado de equilbrio a18

outro. Seus trabalhos envolveram interaes de trabalho ao invs de trmicas entre o sistema e sua vizinhana. Com seus experimentos Joule deduziu que o valor do trabalho lquido o mesmo para todos os processos adiabticos entre dois estados de equilbrio. Se o trabalho lquido o mesmo para todos os processos adiabticos em sistemas fechados entre os estados inicial e final, ento definimos que o trabalho lquido para tais processos a variao da energia, ento com base nesse argumento:

4.2 Segunda Lei da TermodinmicaA segunda lei da termodinmica ou segundo princpio da termodinmica expressa a colocao que "A quantidade de entropia de qualquer sistema isolado termodinamicamente tende a incrementar-se com o tempo, at alcanar um valor mximo". Mais sensivelmente, quando uma parte de um sistema fechado interage com outra parte, a energia tende a dividir-se por igual, at que o sistema alcance um equilbrio trmico. A segunda lei da termodinmica afirma que as diferenas entre sistemas em contato tendem a se igualar, portanto dado qualquer mquina termodinmica requer uma diferena de temperatura se deriva, pois nenhum trabalho til pode se extrair de um sistema isolado em equilbrio trmico, ou seja, para isso ocorrer precisar de uma alimentao externa. Pela segunda lei podemos expressar que: - impossvel construir um dispositivo que opere, segundo um ciclo, e que no produza outros efeitos, alm da transferncia de calor de um corpo frio para um corpo quente. Enunciado de Clausius. - impossvel construir um dispositivo que opere num ciclo termodinmico e que no produza outros efeitos alm do levantamento de um peso e troca de calor com um nico reservatrio trmico. Enunciado de Kelvin-Planck.

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4.3 Propriedades TermodinmicasEntalpia- uma grandeza fsica que busca medir a energia em um sistema termodinmico que est disponvel na forma de calor, isso a presso constante. Uma vez que a suma de U + pV aparece to frequentemente em discusses que a combinao dessa soma deu o nome de entalpia, ou seja: H= U + pV Entropia- A entropia uma grandeza termodinmica que aparece geralmente associada ao que se denomina de "grau de desordem" de um sistema termodinmico. Em acordo com a segunda lei da termodinmica, trabalho pode ser completamente convertido em calor, mas calor no pode ser completamente convertido em trabalho. Com a entropia procura-se mensurar a parcela de energia que no pode mais ser transformada em trabalho em transformaes termodinmicas. A entropia uma grandeza que busca mensurar no a energia to pouco a matria totais encerrada pelas fronteiras do sistema termodinmico, mas sim como esta matria e esta energia encontram-se armazenadas e distribudas no sistema definido por tais fronteiras. Assim, embora uma grandeza bem distinta das grandezas massa, energia interna e quantidade de matria, a entropia de um sistema encontra-se certamente relacionada s grandezas citadas, sendo, da mesma forma que as anteriores, uma propriedade do sistema. Vapor Saturado- O vapor saturado a camada mais prxima da superfcie lquida, ou seja, encontra-se no limite entre os estados lquido e gasoso. Vapor Superaquecido- o vapor saturado s quem em temperaturas mais elevadas, ou seja, fora desse limiar entre lquido e gasoso. Lquido Saturado- Incio da vaporizao a uma determinada presso. gua totalmente no estado lquido, sendo que qualquer quantidade adicional de energia provocar mudana de fase.

20

Lquido Sub-resfriado- o lquido saturado s que em temperaturas menores, ou seja, fora do limiar entre lquido e gasoso. Ttulo- Quando uma substncia est presente mais de uma fase, ou seja, uma mistura entre lquido e gasoso ento teremos o ttulo que a relao entre a massa de vapor e a massa total - isto , massa de lquido mais massa de vapor - chamada de ttulo (x). Ento temos:

5. Sistemas de refrigerao 5.1 Classificao da Refrigerao

A rea de refrigerao cresceu de tal maneira no ltimo sculo que acabou por ocupar os mais diversos campos. Para convenincia de estudos, as aplicaes da refrigerao podem ser classificadas dentro das seguintes categorias: domstica, comercial, industrial, para transporte e para condicionamento de ar. A refrigerao domstica abrange principalmente a fabricao de refrigeradores de uso domstico e de freezers. A capacidade dos refrigeradores domsticos varia muito, com temperaturas na faixa de -8C a -18C (no compartimento de congelados) e +2C a +7C (no compartimento dos produtos resfriados). A refrigerao comercial abrange os refrigeradores especiais ou de grande porte usados em restaurantes, sorveterias, bares, aougues, laboratrios, etc. As temperaturas de congelamento e estocagem situam-se, geralmente, entre -5C a -30C. Como regra geral, os equipamentos industriais so maiores que os comerciais (em tamanho) e tm como caracterstica marcante o fato de requererem um operador de servio. So aplicaes tpicas industriais as fbricas de gelo, grandes instalaes de empacotamento de gneros alimentcios (carnes, peixes, aves), cervejarias, fbricas de laticnios, de processamento de bebidas concentradas e outras. A refrigerao martima refere-se refrigerao a bordo de embarcaes e inclui, por exemplo, a refrigerao para barcos de pesca e para embarcaes de transporte de cargas perecveis. A refrigerao de transporte relaciona-se com equipamentos de refrigerao em caminhes e vages ferrovirios refrigerados. Como podemos observar, as aplicaes da refrigerao so as mais variadas, sendo de certa forma bastante difcil estabelecer de forma precisa a fronteira de cada diviso.21

5.2

Sistema de Compresso Mecnico de Vapor (CMV)

Pode-se entender a lgica de funcionamento dos principais sistemas de refrigerao atuais estudando o funcionamento de um refrigerador domstico comum, tambm conhecido como sistema de compresso mecnica de vapor (figura 1.2.2). Ele funciona a partir da aplicao dos conceitos de calor e trabalho, utilizando-se de um fluido refrigerante. O fluido refrigerante, como dito anteriormente, uma substncia que, circulando dentro de um circuito fechado, capaz de retirar calor de um meio enquanto se vaporiza a baixa presso. Este fluido entra no evaporador a baixa presso, na forma de mistura de lquido mais vapor, e retira energia do meio interno refrigerado (energia dos alimentos) enquanto passa para o estado de vapor. O vapor entra no compressor onde comprimido e bombeado, tornando-se vapor superaquecido e deslocando-se para o condensador, que tem a funo de liberar a energia retirada dos alimentos e a resultante do trabalho de compresso para o meio exterior. O fluido, ao liberar energia, passa do estado de vapor superaquecido para lquido (condensao) e finalmente entra no dispositivo de expanso, onde tem sua presso reduzida, para novamente ingressar no evaporador e repetir-se assim o ciclo. Esse processo ilustrado atravs das figuras 2 e 3.

22

Figura 2 Diagrama de refrigerao

Figura 3 Refrigerador domstico

5.3

Sistema de Refrigerao por Absoro

O funcionamento da refrigerao por absoro se baseia no fato de que os vapores de alguns fluidos refrigerantes conhecidos so absorvidos por certos lquidos ou solues salinas. Se esta soluo formada (vapor de refrigerante mais lquido absorvente) aquecida verifica-se uma separao entre o lquido e o vapor, onde o vapor pode ser condensado e aproveitado para produo de frio, como nas instalaes de compresso a vapor. Na figura a seguir, ilustra-se um sistema de absoro tpico. O sistema de refrigerao por absoro mais comum aquele que usa amnia (NH3) como fluido refrigerante, e a gua como absorvente. Estas mquinas tm a vantagem de utilizar energia trmica em lugares onde a energia eltrica no disponvel ou tem custo elevado. O sistema por absoro no apresenta partes internas mveis o que lhe garante um funcionamento silencioso e sem vibrao, reduzindo assim os gastos com a manuteno. Para que o sistema funcione, primeiro a soluo de amnia e gua existente no absorvedor absorve vapor de amnia a baixa presso vindo do evaporador. O passo seguinte elevar a presso do lquido com uma bomba e induzi-lo para o gerador, componente onde a aplicao de energia trmica garante a separao da gua e da amnia, que segue para o condensador. A gua retorna para o absorvedor aps ter sua presso reduzida. Ao passar pelo condensador a amnia transforma-se da fase de vapor para lquida, liberando energia para o meio externo. Logo aps sair do condensador a amnia tem sua presso reduzida para ingressar no evaporador e retirar energia do meio interno que desejamos resfriar. Neste processo a amnia passa do estado lquido para vapor, que ser absorvido pela soluo do absorvedor, reiniciando todo o ciclo.

5.4

Sistemas de refrigerao por Amnia

Os sistemas de refrigerao por amnia consistem de uma srie de vasos e tubulaes interconectados, que comprimem e bombeiam o refrigerante para um ou mais ambientes, com a finalidade de resfri-los ou congel-los a uma temperatura23

especfica. Sua complexidade varia tanto em funo do tamanho dos ambientes, quanto em funo das temperaturas a serem atingidas. Como se trata de sistemas fechados, a partir do carregamento inicial, o agente somente adicionado ao sistema quando da ocorrncia de vazamento ou drenagem. A quantidade de amnia nos sistemas varia de menos de 2000 kg a mais de 100.000 kg, sendo um desafio, porm, calcular a quantidade da substncia existente em sistemas antigos, mantidos em funcionamento, s vezes, h dcadas. As presses podem atingir nveis elevados, entre 10 a 15 kg/cm2 . A produo do frio em circuito fechado foi proposta por Oliver Evans em 1805 e sua aplicao indstria teve incio na segunda metade do sc. XIX. Os processos de refrigerao variam bastante, assim como os agentes refrigerantes. Porm, os princpios bsicos continuam sendo a compresso, liquefao e expanso de um gs em um sistema fechado. Ao se expandir, o gs retira o calor do ambiente e dos produtos que nele estiverem contidos.

6. Refrigerao IndustrialA refrigerao industrial apresenta uma srie de similaridades com o condicionamento de ar, mas tambm se distingue por diversos aspectos como componentes, procedimentos de projetos e mercadolgicos. Ela pode ser caracterizada pela faixa de temperatura de operao, no limite inferior as temperaturas podem atingir valores entre -60C a -70C e 15C no limite superior. Aplicaes em que se verifiquem temperaturas menores do que as citadas pertencem ao ramo da criogenia, ao qual se especializa na produo e utilizao de gs natural liquefeito, oxignio e nitrognio lquidos. Outra forma de se caracterizar a refrigerao industrial seria atravs das aplicaes, assim poderia ser descrita como sendo o processo utilizado nas indstrias qumicas, de alimentos e de processos (envolvendo dois teros das aplicaes), indstrias manufatureiras e de laboratrios.

6.1 Componentes de um Sistema de Refrigerao

24

Figura 4 Componentes bsicos de um sistema de refrigerao

Na figura 4 podemos visualizar um esquema simplificado de um sistema de compresso de vapor e seus componentes principais. Para um sistema completo deveriam ser includos os filtros, reservatrios, vlvulas e equipamentos de controle. Os componentes bsicos de condicionadores de ar, e refrigerao industrial no diferem os quais so: trocadores de calor, compressores volumtricos, dispositivos de expanso e ventiladores sendo que esses sistemas consistem em um ciclo frigorfico.

6.1.1

Compressores

Compressores podem ser considerados como os principais equipamentos que compem sistemas de compresso de vapor. Os principais tipos de compressores utilizados em sistemas frigorficos so: alternativo, parafuso, centrfugo e de palhetas. Os compressores alternativos consistem em um mbolo, o qual realiza um movimento alternativo no interior de uma cavidade cilndrica (cilindro) com vlvulas de admisso e descarga abrindo e fechando de maneira conveniente, de modo a permitir a compresso de gs refrigerante. J os outros tipos de compressores, valem-se de elementos rotativos para realizar a compresso do gs refrigerante.

Figura 5 Compressor alternativo

Figura 6 Compressor de parafuso

25

Figura 7 Compressor centrifugo

Figura 8 Compressor de palhetas

Por ser o mais utilizado em sistemas de refrigerao, o compressor alternativo foi o escolhido para ser abordado nos modelos a seguir. Um modelo simples, comumente observado na literatura, o modelo que supe a inexistncia na variao no fluxo de massa entre a entrada e a sada do compressor. Tal modelo permite computar o fluxo de massa e a entalpia na sada do compressor. A vazo mssica de refrigerante atravs do compressor pode ser calculada atravs da equao:

mf ! NVV f L vN a rotao do compressor em rps; V volume de deslocamento do pisto;

(6.1)

V f a densidade do refrigerante na entrada do compressor;v a eficincia volumtrica. Para a equao (6.1), a eficincia volumtrica pode ser obtida atravs da equao:

P nv ! 1 cr cr c P e Onde:

cv cp

(6.2)

Cr o fator de folga do compressor (razo entre volume morto e volume deslocado pelo pisto); Pc a presso de condensao do refrigerante;26

Pe a presso de evaporao do refrigerante; Cv o calor especfico para volume constante na entrada do compressor; Cp o calor especfico para presso constante na entrada do compressor. Em um primeiro momento, a entalpia na sada do compressor pode ser calculada levando se em considerao que o processo de compresso isoentrpico (s= cte). A diferena entra as entalpias encontradas na entrada e na sada do compressor (trabalho de compresso) dividido pela eficincia de compresso. O valor da eficincia de compresso pode ser adotado baseando-se em dados experimentais. Ento, as temperaturas e entalpias so recalculadas de maneira a representar o novo valor do trabalho de compresso. Os dados de entrada para este modelo podem ser obtidos de maneira semi-emprica. Outro tipo de modelo analisado na literatura o que leva em considerao o volume morto no interior do cilindro e algumas perdas. Tal modelo obtido atravs de um caminho semiemprico e ser descrito mais detalhadamente a seguir. A vazo mssica do refrigerante para este modelo pode ser calculada atravs da equao (6.1) A partir do clculo da vazo mssica, pode-se calcular a potncia atravs da seguinte equao:

Wcp ! Wio E is 1 W

(6.3)

Onde: Wcp a potncia do compressor; Wio so as perdas eletromagnticas do motor do compressor (consideradas constantes); o fator de perdas (experimental); Wis a potncia de compresso politrpica.

P Wis ! m f Pe v2 c P e

K 1 K

1

K K 1

(6.4)

K !Onde:

cv cp

(6.5)

27

v2 o volume especfico do gs refrigerante na sada do compressor;

Wcp ! h2 h1 f mOnde:

(6.6)

h2 e h1

so as entalpias do refrigerante na entrada e na sada do compressor,

respectivamente.

T 2 ! T 1 _ io Wis E A/ m f * c p12 a ? W 1

?

A

(6.7)

Onde: T2 a temperatura do refrigerante na sada do compressor; T2 a temperatura do refrigerante na entrada do compressor; cp12 o valor mdio do calor especfico a presso constante entre a entrada e a sada do compressor. Os parmetros N, cr, V, Wio e so caractersticos do compressor utilizado e

devem ser obtidos em catlogos de fabricantes ou por meio de resultados experimentais. importante observarmos que, para o modelo acima, a entalpia do refrigerante na sada do compressor pode ser calculada atravs da equao (6.6) e que a temperatura na sada do compressor pode ser calculada atravs da equao (6.7). Existem tambm modelos mais complexos para compressores alternativos, onde as cavidades de entrada e sada das vlvulas so modeladas de acordo com teorias de ondas planas acsticas. O processo de compresso modelado por equaes para escoamento compressvel unidimensional e as vlvulas so modeladas de acordo com equaes baseadas em teorias de vibraes. O modelo opera com um conjunto de equaes no-lineares. O princpio de funcionamento do modelo a obteno da oscilao das variveis envolvidas no estado de equilbrio, para uma dada configurao mecnica (tamanho do cilindro, dimetro das vlvulas, constantes de molas das vlvulas de admisso e descarga, etc.). A soluo resultante das equaes no lineares para o estado de equilbrio colocada como um valor do problema nas fronteiras e resolvida atravs de um algoritmo de Warner. Em tal algoritmo, o valor inicial do problema convertido em dois pontos nas fronteiras, os quais fornecem condies peridicas dos fenmenos que ocorrem nas fronteiras. importante ressaltar que a utilizao de tal modelamento depende de dados obtidos experimentalmente e dados obtidos de fabricantes de compressores.28

Figura 9 Compressor Bitzer

Figura 10 Detalhe interno do compressor

6.1.2

Trocadores de Calor

Os trocadores de calor (condensador e evaporador) so os componentes de um sistema de refrigerao que exercem maior influncia no desempenho das trocas trmicas exercidas pelo sistema.

6.1.2.1

Condensadores

Condensadores so os elementos do sistema de refrigerao que tm a funo de transformar o gs quente, que descarregado do compressor a alta presso, em lquido. Para isso, rejeita o calor contido no fluido refrigerante para alguma fonte de resfriamento.

Figura 11 Condensador

Figura 12 Arranjo esquemtico

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6.1.2.1.1 Processo de CondensaoAo ser admitido no condensador, o fluido refrigerante est no mesmo estado que na descarga do compressor, ou seja, gs quente a alta presso. Como em um sistema de refrigerao o objetivo evaporar o refrigerante (para resfriar), o refrigerante no estado gasoso deve ser condensado antes de retomar ao evaporador. O processo de condensao do fluido refrigerante se d ao longo de um trocador de calor, denominado condensador, em trs fases distintas que so: Dessuperaquecimento, Condensao e Sub-Resfriamento.

6.1.2.2

Evaporadores

O evaporador um dos componentes principais de um sistema de refrigerao, e tem a finalidade de extrair calor do meio a ser resfriado, isto , extrair calor do ar, gua ou outras substncias. a parte do sistema de refrigerao onde o fluido refrigerante sofre uma mudana de estado, saindo da fase lquida para a fase gasosa. chamado, s vezes, de serpentina de resfriamento, resfriador da unidade, serpentina de congelamento, congelador, etc. Embora o evaporador seja s vezes um dispositivo muito simples, ele realmente a parte mais importante do sistema. Qualquer sistema de refrigerao projetado, instalado e operado com o nico fim de retirar calor de alguma substncia.

30

Como esse calor tem que ser absorvido pelo evaporador, eficincia do sistema depende do projeto e da operao adequada do mesmo. A eficincia do evaporador em um sistema de refrigerao depende de trs principais requisitos, que devem ser considerados no projeto e seleo do mesmo: y Ter uma superfcie suficiente para absorver a carga de calor necessria, sem uma diferena excessiva de temperatura entre o refrigerante e a substncia a resfriar. y Deve apresentar espao suficiente para o refrigerante lquido e tambm espao adequado para que o vapor do refrigerante se separe do lquido. y Ter espao suficiente para a circulao do refrigerante sem queda de presso excessiva entre a entrada e a sada.

Figura 13 Evaporador

6.1.2.2.1 Processo de EvaporaoAps passar pela vlvula de expanso (ou tubo capilar), o fluido refrigerante admitido no evaporador na forma lquida. Como a presso no evaporador baixa, o fluido refrigerante se evapora com uma temperatura baixa. No lado externo do evaporador h um fluxo de fluido a ser refrigerado (gua, soluo de etileno-glicol, ar, etc.), ver figura a seguir. Como a temperatura desse fluido maior que a do refrigerante, este se evapora. Aps todo o refrigerante se evaporar, ele sofrer um acrscimo de temperatura denominado superaquecimento.

31

Figura 14 Processo no evaporador

Os modelos para simular o comportamento de evaporadores e condensadores podem ser classificados de uma maneira geral, em quatro diferentes categorias: y Modelos do tipo black box (caixa preta); y Modelos de zona nica; y Modelos de duas ou trs zonas; y Modelos distribudos. Os modelos do tipo black box so baseados em teorias para automao e controle de sistemas, sendo mais comumente utilizados para o modelamento de evaporadores. Neste tipo de modelo, o componente representado por um conjunto de funes de transferncia com diversas constantes, as quais so determinadas experimentalmente. A principal vantagem na utilizao de tal modelo a simplicidade do mesmo. No entanto, dados experimentais devem ser obtidos para garantir o bom funcionamento e a preciso na aplicao desse tipo de modelo. Os modelos de zona nica, duas zonas e distribudos so baseados em leis fsicas da conservao de massa, quantidade de movimento e energia. Nos modelos de zona nica, o trocador de calor analisado por meio de variveis que representam o componente de uma maneira generalizada. Nestes modelos, somente um valor utilizado para representar a entalpia do refrigerante contido no interior do trocador de calor. De maneira semelhante, apenas um valor utilizado para representar a densidade e temperatura do fluido secundrio (lado externo do trocador), entre outros. Os coeficientes de transferncia de calor entre o refrigerante, o fluido secundrio e a parede dos tubos suposto como sendo constante ao longo do trocador de calor. Um modelo de zona nica, simples, porm amplamente utilizado na literatura, o dado pela equao:

Q ! m f f i h fo h

(6.8)32

Onde: Q o calor trocado, mf a vazo mssica de refrigerante no interior do trocador de calor (constante). hfi e hfo so as entalpias do refrigerante na entrada e sada do trocador, respectivamente. Para aplicar tal modelo, deparamo-nos com a dificuldade prtica da obteno das entalpias na entrada e na sada do trocador de calor. Para obt-las, necessrio o conhecimento das temperaturas de entrada e sada do refrigerante no trocador de calor, o que, na prtica, torna-se uma dificuldade para a utilizao do modelo. Tal modelo, no entanto, pode ser considerado de grande utilidade para estimativas tericas do desempenho de sistemas de ar condicionado.

6.1.3

Dispositivo de ExpansoOs dispositivos de expanso so importantes componentes para o funcionamento

de sistemas de refrigerao. Tais dispositivos tm como principal funo reduzir a presso na entrada do evaporador e regular a vazo de refrigerante. Os dispositivos de expanso mais comumente utilizados so os tubos capilares e as vlvulas de expanso termosttica. Os tubos capilares consistem em tubos de pequeno dimetro que atuam como uma restrio ao fluxo, diminuindo a presso. J as vlvulas de expanso termosttica controlam a vazo de refrigerante, por meio de um sensor localizado na linha de descarga do evaporador mantendo constante o grau de superaquecimento na sada do evaporador.

6.1.3.1

Vlvula de Expanso Termosttica

Devido a sua alta eficincia e sua pronta adaptao a qualquer tipo de aplicao, as vlvulas de expanso termostticas (VET) so os dispositivos de expanso mais utilizados em sistemas de refrigerao de expanso direta. So usadas para regular o fluxo do refrigerante a fim de garantir que ele evapore totalmente na serpentina, para garantir a reduo da presso do sistema e a pulverizao do refrigerante.

33

Figura 15 Esquema da vlvula de expanso

A maioria dos modelos para dispositivos de expanso muito simples. Considera-se que a variao de entalpia em tais dispositivos nula, ou seja, h entrada = h sada. O fluxo de massa atravs de tais dispositivos pode ser modelado atravs da equao:

mf ! K (P * VOnde:

(6.9)

K uma constante caracterstica do dispositivo de expanso; P a diferena entra as presses de entrada e sada da vlvula; a densidade do refrigerante na entrada da vlvula.

Figura 16 - Vlvula de expanso

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Parmetros que influenciam o COPNum ciclo de refrigerao existem diversos fatores que influenciam num rendimento da mquina como a temperatura de evaporao quanto maior for essa temperatura maior ser o rendimento.

Figura 17: Influncia temperatura do evaporador

Outro

parmetro

considerado

a

temperatura

de condensao

que

diferentemente da do evaporador ela pouco se altera, mas quanto menor a temperatura maior o COP obtido.

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Figura 18: Influncia temperatura do condensador

Embora haja aumento no COP do ciclo com o aumento do sub-resfriamento, o que timo para o sistema, na prtica se utiliza um sub-resfriamento para garantir que se tenha somente lquido na entrada do dispositivo de expanso, o que mantm a capacidade frigorfica do sistema, e no para se obter ganho de eficincia.

Figura 19: Influncia do sub-resfriamento

Quando o superaquecimento do refrigerante ocorre retirando calor do meio que se quer resfriar, chama-se a este superaquecimento de superaquecimento til, esse superaquecimento quanto menor for geralmente maior o COP ter.

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Figura 20: Influncia do superaquecimento

Diferenas do ciclo ideal para o realO ciclo de Carnot considerado um ciclo ideal, porm a realidade bem diferente e uma das principais diferenas desse ciclo ideal para o real a queda de presso que ocorre nas linhas de descarga, lquido e de suco assim como no condensador e no evaporador. Essas perdas de cargas so bem presentes num ciclo de refrigerao esse um dos fatos para que a eficincia seja menor do que a do ideal. Outra grande diferena est presente no sub-resfriamento do refrigerante na sada do compressor, alm de ocorrer o superaquecimento do fluido para evitar a entrada de lquido no compressor. Outra diferena est presente no compressor, este que no ciclo real realiza um processo politrpico (S1 S2), diferentemente do ideal que um processo isoentrpico, alm dessas diferenas citadas existem outras, mostrando que em um ciclo real temos um rendimento inferior ao de Carnot.

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Figura 21: Diferenas entre o ciclo terico e o real de compresso a vapor

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Bibliografia-MORAN, Michael J.; SHAPIRO, Howard N.. Princpios da termodinmica. 6. ed. Rio de Janeiro: Ltc, 2009. 800 p. - Andrew D. Althouse, Carl H. Turnquist, Alfred F. Bracciano. Modern Refrigeration and Air Conditioning. 18th Edition ed. [S.l.]: Goodheart-Wilcox Publishing, 2003 - DESCONHECIDO. Refrigerao. Disponvel em: . Acesso em: 10 dez. 2011. - CALMA, James M.. A prxima gerao de refrigerantes R. Disponvel em: . Acesso em: 10 dez. 2011. - FERRAZ, Fbio; GOMES, Marcio. O HISTRICO DA REFRIGERAO FLUIDOS DE UM REFRIGERANTES SISTEMA DE OZNIO/PROCESSO REFRIGERAO. Disponvel DE em: FORMAO/DESTRUIO SISTEMAS DE REFRIGERAO COMPONENTES . Acesso em: 10 dez. 2011. - DESCONHECIDO. Fluidos refrigerantes: muitas mudanas ao longo dos anos. Disponvel em: . Acesso em: 10 dez jun. 2011.

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