Termografia de Infravermelhos Aplicada a Instalações de Refrigeração

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1 Avances em Ciências e Técnicas do Frio - IV Termografia de Infravermelhos Aplicada a Instalações de Refrigeração João Garcia 1*, Paulo Fontes 2 1 EST SETÚBAL, Campus do IPS, Estefanilha, Setúbal, Portugal. Tel.: , Fax: jgarcia@est.ips.pt 2 EST SETÚBAL, Campus do IPS, Estefanilha, Setúbal, Portugal. Tel.: , Fax: pfontes@est.ips.pt Resumo O presente trabalho, refere-se à descrição de algumas aplicações possíveis para a Termografia de Infravermelhos no que se refere a instalações de refrigeração. Assim, são descritas aplicações referentes à análise de isolamentos térmicos em câmaras frigoríficas e salas climatizadas, distribuições de temperaturas em expositores frigoríficos, evaporadores e condensadores, bem como sobreaquecimento de componentes frigoríficos. Palavras chave: Termografia de Infravermelhos, Instalações de Refrigeração, Isolamentos Térmicos. 1 Introdução O crescente desenvolvimento da termografia de Infravermelhos, bem como o aparecimento no mercado de equipamentos cada vez mais completos e versáteis, tem permitido um desenvolvimento crescente das aplicações da termografia de Infravermelhos. Nas suas inúmeras aplicações, uma das mais interessantes é sem duvida a sua possibilidade de aplicação no campo da refrigeração. Deste modo, recentemente tornou-se comum a sua aplicação na análise de sobreaquecimento de componentes eléctricos e mecânicos deste tipo de instalações. No entanto neste trabalho procura-se explorar de um modo mais exaustivo as possibilidades da termografia de Infravermelhos quando aplicada a instalações de refrigeração. São assim neste trabalho desenvolvidas aplicações termograficas na análise de isolamentos de câmaras frigoríficas de produtos refrigerados e salas climatizadas de trabalho e preparação de alimentos. São também descritas e desenvolvidas aplicações da termografia na análise da distribuição de temperatura e escoamento em equipamentos frigoríficos como evaporadores e condensadores. É feita uma descrição dos parâmetros a considerar, bem como princípios de operação, neste tipo de aplicações. 2 Termografía de Infravermelhos A termografia é uma técnica que permite determinar as temperaturas dos corpos com base na radiação electromagnética que emitem na gama do infravermelho, sendo proporcional à sua temperatura. A radiação electromagnética tem origem em campos eléctricos e magnéticos que se deslocam no espaço sob a forma de ondas electromagnéticas transportando energia à velocidade da luz. Uma parte da radiação electromagnética denominada radiação térmica, de interesse para a termografia, resulta do movimento dos electrões sendo proporcional à temperatura dos corpos. A radiação térmica é continuamente emitida por todas as substâncias que possuem uma temperatura acima do zero absoluto ( 0 K = -273,15 ºC ) pelo que todos os corpos emitem constantemente radiação térmica. No espectro electromagnético a radiação térmica engloba uma pequena parte da gama do ultravioleta e as gamas do visível e infravermelho, estendendo-se em termos de comprimento de onda λ dos 0,1 aos 100 µm. A energia emitida por um corpo sob a forma de radiação térmica em função do comprimento de onda é dada pela lei de distribuição de Planck: E bλ = λ 5 C 1 [ exp( C λt) 1] onde C1 = 3,742x10-8 (W µm4 / m2), C2 = 1,439x104 (µm K), T temperatura absoluta (K). Como a radiação térmica é proporcional à temperatura num determinado comprimento de onda é possível determinar a temperatura de um corpo se for medida a radiação térmica emitida por este. 2

2 João Garcia, Paulo Fontes Um equipamento de termografia efectua a conversão da radiação térmica captada num determinado comprimento de onda na zona do infravermelho, num mapa de temperaturas, que pode ser visualizado numa imagem denominada termograma. Figura 1 Principio de funcionamento da termografia O sistema de conversão da radiação térmica existente no interior de uma câmara é composto pelos seguintes elementos: Lente - capta e foca a radiação térmica Filtro - selecciona a radiação térmica de um determinado comprimento de onda do infravermelho Detector - converte a radiação térmica num sinal eléctrico Sistema de processamento - trata o sinal eléctrico e efectua a conversão para temperatura Saída/Visualização - apresenta um termograma com as temperaturas As grandes vantagens da termografia são: permitir conhecer as temperaturas de um corpo sem necessidade de contacto directo, só visual, e permitir obter um mapa de temperaturas do corpo comparando instantaneamente as temperaturas em diversos pontos do corpo. Outra vantagem da termografia é que podemos medir temperaturas numa faixa alargada dos -200 ºC até aos 2000 ºC A maior desvantagem para a determinação da temperatura exacta de um corpo é o facto de radiação infravermelha que chega ao equipamento depender das características do corpo, que têm de ser conhecidas, e poder ser afectada por atenuação no ar ou por reflexão no corpo de radiação com outras origens. 3 Aplicações analizadas As aplicações descritas neste trabalho são várias, referentes às instalações frigoríficas de um supermercado (câmaras frigoríficas, salas de preparação, expositores frigoríficos, evaporadores e condensadores). Deste modo, são analisadas as condições de isolamento de painéis sandwich de poliuretano que servem de estrutura a câmaras frigoríficas. São analisadas as pontes térmicas bem como as deficiências de isolamento. São também analisadas as distribuições de temperatura dos produtos à venda nos expositores frigoríficos refrigerados. Também as distribuições de temperatura e fluído nos evaporadores frigoríficos de varias câmaras e respectivos condensadores, fazem parte deste trabalho. A primeira imagem apresentada refere-se a um termograma de um expositor frigorífico vertical de lacticínios do tipo mural (figura 2). Neste equipamento o compressor frigorífico encontrava-se instalado na base do expositor e o evaporador encontrava-se directamente no interior do expositor nas costas do mesmo. O arrefecimento dos produtos é conseguido pela circulação de ar arrefecido que atravessa os produtos. Na imagem obtida identificam-se as zonas de exposição do produto (neste caso pacotes de leite) onde as embalagens de leite são armazenadas a temperaturas inferiores e superiores. Deste modo verifica-se que as embalagens colocadas no plano de exposição superior, junto à zona de insuflação de ar frio, encontram-se a temperaturas mais baixas. Do mesmo modo as embalagens colocadas no plano de fundo inferior, junto às grelhas de retorno do ar,

3 Avances em Ciências e Técnicas do Frio - IV também nesta zona a temperatura atingida pelas embalagens armazenadas à mais baixa. Pelo contrário as embalagens colocadas nos planos de exposição intermédios e especialmente junto às laterais do expositor encontram-se a temperaturas mais elevadas, sendo esta a zona de exposição mais desfavorável. Figura 2 Imagem termográfica de expositor frigorífico A segunda imagem apresentada (figura 3) refere-se a um termograma de um condensador frigorífico instalado no exterior de um grande supermercado. Este condensador é do tipo convecção forçada, sendo constituído por tubos de cobre e alhetas de alumínio. O arrefecimento e condensação do fluido frigorígeneo (neste caso R404A) é conseguido através da permuta térmica com o ar exterior. Pela análise da imagem é possível identificar a distribuição de temperaturas à superfície do condensador. Esta distribuição de temperaturas esta intimamente ligada à distribuição de fluido frigorígeneo (R404A) no interior dos tubos do mesmo condensador. Verifica-se assim que na zona superior do condensador (correspondente à zona de entrada do fluido) a temperatura superficial é mais elevada correspondendo ao facto do fluido frigorígeneo nesta zona se encontrar no estado de vapor sobreaquecido. Verifica-se ainda que à medida que vamos descendo para a zona inferior do condensador a temperatura superficial do condensador vais sendo reduzida. Figura 3 Imagem termográfica da superfície de um condensador frigorífico A figura 4 apresenta a imagem termográfica de um evaporador frigorífico de convecção forçada de tubos de cobre e alhetas de alumínio. Este equipamento é utilizado para fazer o arrefecimento do ar no interior da câmara frigorífica, mantendo deste modo a temperatura de conservação do produtos alimentares no interior da mesma. Nesta imagem é possível identificar as zonas de temperatura mais elevada correspondente aos motores eléctricos do ventiladores. È assim possível constatar que nesta zona o ar frio insuflado poderá sofrer um ligeiro aquecimento.

4 João Garcia, Paulo Fontes Figura 4 Imagem termográfica de evaporador das câmaras frigoríficas O temograma seguinte (figura 5) refere-se à imagem termográfica obtida de uma aresta interior e respectivo canto de uma câmara frigorífica de refrigerados de produtos de talho (carnes). Verifica-se que a temperatura no aresta de união vertical-tecto e do respectivo canto é mais elevada (zona a vermelho), existindo consideráveis deficiências a nível do isolamento nessas zonas. Figura 5 Imagem termográficas do canto de câmara frigorífica As figuras seguinte (figura 6 e 7) apresentam termogramas de portas isotérmicas de câmaras frigoríficas. Esta portas permitem o acesso ao interior das câmaras frigoríficas. Estas câmaras encontram-se em contacto com zonas não refrigeradas, pelo que o correcto funcionamento e isolamento das câmaras é fundamental para evitar infiltrações de ar quente no interior das mesmas, bem como percas de ar frio do interior para o exterior das câmaras. Pela analise das diversas imagens é possível constatar a existência de zonas de temperatura superior perto das zonas encosto das portas aos aros das mesmas. Deste modo que nas imagens obtidas pelo interior que nas imagens obtidas pelo exterior constata-se a existência de zonas avermelhadas correspondestes a infiltrações de ar quente do exterior para o interior das câmaras frigorificas. Constata-se também na imagem obtida da porta pelo lado exterior a existência de zonas azuladas junto ao aro pelo lado exterior correspondentes a fugas de ar frio do interior da câmara frigorífica para o exterior.

5 Avances em Ciências e Técnicas do Frio - IV Figura 6 Imagens termográficas da porta de câmara frigorífica Figura 7 Imagens termográficas da porta interior de câmara frigorífica Finalmente na figura 8, apresenta-se o termograma referente a um evaporador do tipo estático instalado no interior de uma câmara de gelo. Neste tipo de evaporadores, que funcionam por convecção natural do ar ao atravessar o equipamento, toma primordial importância a boa distribuição do fluido frigorígeneo a evaporar no interior do evaporador. Pela analise da imagem obtida, verificase um zona mais a direita do equipamento onde a temperatura é mais baixa do que na lateral esquerda do equipamento. Este aspecto deveria ser corrigido permitindo assim um mais correcto funcionamento de evaporador, com a consequente melhoria na distribuição de ar frio no interior da câmara frigorífica. Figura 8 Imagens termográficas de evaporador de câmara frigorífica

6 João Garcia, Paulo Fontes 4 Conclusões Do desenvolvimento do trabalho e após a análise das imagens obtidas, conclui-se que a utilização da termografia de infravermelhos pode ser uma ferramenta importante na análise de instalações frigoríficas. É possível verificar as condições de funcionamento de isolamentos térmicos, nomeadamente de tubagens e de painéis isotérmicos de poliuretano, nomeadamente no que se refere à qualidade do isolamento e existência de infiltrações. É possível identificar zonas de isolamento deficiente ou pontes térmicas significativas. Verificou-se das instalações analisadas que os isolamentos de câmaras frigoríficas são críticos nas uniões de painéis verticais com painéis tecto e nas uniões de painéis verticais com o solo. Quanto à utilização da termografia na analise do funcionamento de componentes e equipamentos frigoríficos, o trabalho desenvolvido permite concluir que é possível verificar a uniformidade ou a não uniformidade da distribuição do fluido frigorígeneo no interior de evaporadores e condensadores, o que permite concluir sobre o correcto ou deficiente funcionamento deste aparelhos. 5 Referências [1] P. J. Rapin; P. Jacquard, "Installations Frigorifiques", PYC Edition 1992 [2] Daniel Collin, "Applications Frigorifiques", Volume 1 e 2, PYC Edition 1975 [3] Coca, E.L. (2000), Poupanças energéticas em instalações frigoríficas. O Instalador. Nº48, pag [4] Garcia, J.M., Coelho, L.M.R. (2000), Refrigeration cycles characterisation parameters. ETHERACE As a result of the European project PHETRA. EC DG Enterprise/Innovation and services [5] THOMAS, Roderick A., (1999), The thermography monitoring handbook [6] Ramos J., Fontes P., (1994), Aplicação da termografia infravermelho na manutenção de fornos de cal, 4º Congresso de Manutenção Industrial