Refrigeração e Ar Condicionado

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1 Refrigeração e Ar Condicionado Condensadores Filipe Fernandes de Paula Departamento de Engenharia de Produção e Mecânica Faculdade de Engenharia Universidade Federal de Juiz de Fora Engenharia Mecânica 1/42

2 Introdução 2/42

3 Introdução Os condensadores são trocadores de calor responsáveis pela rejeição de calor para o reservatório de alta temperatura a uma alta pressão; O processo de troca de calor no condensação é realizado a pressão constante e, em sua maior parte, temperatura constante; Como em todo trocador de calor, a troca de calor nos condensadores é influenciada por: Área de troca de calor; Fluido refrigerante; Temperatura de condensação; Temperatura de entrada do fluido externo. Podem ser classificados em: Condensadores a ar; Condensadores a água; Condensadores evaporativos. 2/42

4 Relação de Rejeição de Calor (HRR) 3/42

5 Relação de Rejeição de Calor (HRR) HRR (Heat-Rejection Ratio) é definido como o quociente entre o calor rejeitado no condensador e o calor absorvido no evaporador; HRR = Q c Q o (1) HHR é sempre maior que 1; Depende das temperaturas de condensação e evaporação. Um sistema frigorífico é normalmente definido pela sua capacidade frigorífica. Utilizando HRR é possível encontrar Q c ; HRR = Q o + Ẇ c Q o = COP (2) 3/42

6 Relação de Rejeição de Calor (HRR) Se não é possível a obtenção de Q o e Ẇ c, é possível utilizar a seguinte relação aproximada: HRR = ( Tc T o ) 1,7 (3) 4/42

7 Relação de Rejeição de Calor (HRR) 5/42

8 Troca de Calor no Condensador 6/42

9 Coeficiente Global de Troca de Calor De forma análoga aos evaporadores, para condensadores pode-se definir o coeficiente global de troca de calor: 1 UA = 1 + h ref A int t ka ml + 1 h aletas (A livre + ηa aletas ) (4) O coeficiente UA leva em conta: Resistência térmica de convecção proporcionada pelo refrigerante; Resistência térmica de condução no tubo; Resistência térmica relacinada às aletas. 6/42

10 Capacidade dos Condensadores 7/42

11 Capacidade dos Condensadores Pela primeira da termodinâmica aplicado ao fluido externo, pode-se escrever uma relação para o calor trocado no condensador: Q c = ṁ a c p (T sa T ea ) (5) 7/42

12 Capacidade dos Condensadores Analisando o condensador, pode-se expressar a taxa de calor trocado da segunte maneira: Q c = UA T ml (6) U é o coeficiente global de troca de calor; Tml é a temperatura média logarítmica, e é dada por; T ml = T sa T [ ea ] (7) (Tc T ea ) ln (T c T sa ) 8/42

13 Capacidade dos Condensadores Combinando as equações 5, 6 e 7, pode-se encontrar a seguinte relação, ( Q c = ṁ a c p [1 exp UA )] (T c T ea ) = F cond (T c T ea ) (8) ṁ a c p O termo F cond é chamdo de Fator de condensação, e costuma ser a informação dada em catálogos de condensadores; A unidade de Fcond é [W /K] ou [W / C]. 9/42

14 Capacidade dos Condensadores 10/42

15 Capacidade dos Condensadores Q o = F cond HRR (T c T ea ) (9) 11/42

16 Capacidade dos Condensadores 12/42

17 Ponto de Equiĺıbrio 13/42

18 Ponto de Equiĺıbrio Num dado conjunto de condições, as capacidades do compressor e do evaporador equilibram-se no mesmo ponto, onde ambos apresentam a mesma capacidade; Na figura ao lado são mostradas as curvas referentes a uma unidade condensadora com temperaturas de 40, 5 C e 46 C (B e A); Na mesma figura aparecem as curvas X e Y, representando as capacidades de dois evaporadores idênticos (6 filas, 762x1219mm) mas com vazões de 1, 89m 3 /s e 2, 36m 3 /s. 13/42

19 Ponto de Equiĺıbrio 14/42

20 Efeito da Mudança da Temperatura de Condensação A curva X da serpentina A 1, 89m 3 /s intercepta a curva da unidade condensadora a 46 C no ponto 1, com temperatura de sucção de 6, 2 C e capacidade de 59, 4kW ; Se a temperatura de condensação baixasse para 40, 6 C, o ponto de equiĺıbrio seria então o ponto 3, diminuindo a temperatura de sucção para 5, 4 C e aumentando a capacidade do sistema para 63kW. 15/42

21 Efeito do Aumento da Vazão de Ar A curva Y da serpentina a 2, 36m 3 /s intercepta a curva A da unidade condensadora no ponto 2. As demais condições de entrada permanecem as mesmas; Em relação ao caso anterior, ponto 1, com o aumento da vazão de ar, aumentou a capacidade do evaporador, obrigando o compressor a operar com uma maior temperatura de sucção para equilibrar a carga. 16/42

22 Efeito da Redução da Superfície do Evaporador A curva Z do evaporador com vazão de ar de 1, 89m 3 /s possui com 4 fileiras em vez de 6; A capacidade do evaporador reduz significativamente com a redução da área. A curva da serpentina Z entra em equiĺıbrio com as curvas das unidades condensadoras nos pontos 5 ou 6; Notar que devido a redução da capacidade do evaporador, menos refrigerante evapora e o compressor opera com temperaturas de sucção mais baixas. 17/42

23 Classificação de Condensadores 18/42

24 Classificação de Condensadores Podem ser classificados em: Condensadores a ar; Condensadores a água; Condensadores evaporativos. 18/42

25 Condensadores Resfriados a Ar 19/42

26 Condensadores Resfriados a Ar Os condensadores resfriados a ar são normalmente utilizados em unidades de pequena ou média capacidade. Grandes condensadores a ar também podem ser aplicados onde não é econômica a utilização de sistemas resfriados a água. A faixa de capacidades mais comum destes condensadores, cobre a gama de valores de 1 a 100 TR (7 a 352kW). Porém é usual a sua montagem em paralelo, atingindo capacidades bastante superiores. 19/42

27 Condensadores Resfriados a Ar Podem ser classificados com base no mecanismo de convecção externa: Convecção natural - O coeficiente convectivo é pequeno e por este motivo, necessitam de grandes superfícies de troca de calor. 20/42

28 Condensadores Resfriados a Ar Convecção forçada - A circulação do ar através do trocador de calor se dá por um ventilador ou soprador; Devido à grande vazão de ar, eles geralmente são bastante barulhentos. 21/42

29 Condensadores Resfriados a Ar Recomenda-se que a temperatura de condensação nunca seja superior a 55 C; No entanto, para garantir a eficiência do sistema de compressão e, ao mesmo tempo, obter uma maior vida útil dos compressores, a temperatura de condensação não deve ser maior que: 48 C, quando a temperatura de evaporação do sistema frigorífico for maior ou igual a 0 C; 43 C, quando a temperatura de evaporação do sistema frigorífico for menor que 0 C. Devem ser instalados elevados, com relação ao nível do solo, para prevenir acumulação de sujeira; Deve-se garantir que existam aberturas adequadas e livres de qualquer obstrução para entrada de ar frio e para a saída do ar quente. 22/42

30 Condensadores Resfriados a Água 23/42

31 Condensadores Resfriados a Água Condensadores resfriados a água, quando limpos e corretamente dimensionados, operam de forma mais eficiente que os condensadores resfriados a ar, especialmente em períodos de elevada temperatura ambiente; 23/42

32 Condensadores Resfriados a Água Normalmente estes condensadores utilizam água proveniente de uma torre de resfriamento, sendo que usualmente utiliza-se, para a condição de projeto do sistema, o valor de 29, 5 C para a temperatura da água que deixa a torre; A temperatura de condensação, por sua vez, deve ser fixada em um valor entre 5, 0 C e 8, 0 C maior que a temperatura da água que entra no condensador, isto é, da água que deixa a torre; Existem quatro tipos principais de condensadores a água: Condensador duplo tubo; Condensador Carcaça e Serpentina (Shell and Coil); Condensador Casco-Tubo (Shell and Tube); Condensador de Placa. 24/42

33 Condensadores Duplo Tubo 25/42

34 Condensadores Duplo Tubo Estes condensadores são formados por dois tubos concêntricos ; O tubo por onde circula a água é montado dentro do tubo de maior diâmetro. O fluído frigorífico, por sua vez, circula em contracorrente no espaço anular formado pelos dois tubos. Sendo resfriado ao mesmo tempo pela água e pelo ar que está em contato com a superfície externa do tubo de maior diâmetro. 25/42

35 Condensadores Duplo Tubo Estes condensadores são normalmente utilizados em unidades de pequena capacidade, ou como condensadores auxiliares operando em paralelo com condensadores a ar, somente nos períodos de carga térmica muito elevada; Esses condensadoressão difíceis de se limpar e não fornecem espaço suficiente para a separação de gás e ĺıquido. 26/42

36 Condensadores Duplo Tubo 27/42

37 Condensador Carcaça e Serpentina (Shell and Coil) 28/42

38 Condensador Carcaça e Serpentina (Shell and Coil) São constituídos por um ou mais tubos, enrolados em forma de serpentina, que são montados dentro de uma carcaça fechada; A água de resfriamento flui por dentro dos tubos, enquanto o refrigerante a ser condensado escoa pela carcaça; São usados em unidades de pequena e média capacidade, tipicamente até 15 TR. 28/42

39 Condensador Carcaça e Serpentina (Shell and Coil) 29/42

40 Condensador Casco-Tubo (Shell and Tube) 30/42

41 Condensador Casco-Tubo (Shell and Tube) Os condensadores Shell and Tube são constituídos de uma carcaça ciĺındrica, na qual é instalada uma determinada quantidade de tubos horizontais e paralelos; A água de resfriamento circula por dentro dos tubos e o refrigerante escoa dentro da carcaça, em volta dos tubos; São de fácil limpeza (por varetamento) e manutenção; São fabricados para uma vasta gama de capacidades, sendo amplamente utilizados em pequenos e grandes sistemas de refrigeração. 30/42

42 Condensador Casco-Tubo (Shell and Tube) 31/42

43 Condensador Casco-Tubo (Shell and Tube) Alguns fatores influenciam nos custos iniciais e de operação do sistema: Aumentando o fluxo de água de resfriamento, aumenta-se a capacidade de condensador, porém também aumenta-se o custo de bombeamento da água e o seu consumo; Reduzindo-se o diâmetro da carcaça e aumentando-se o comprimento dos tubos reduz-se o custo inicial do condensador, mas aumenta-se a perda de carga no circuito de água; O fator incrustação, que está associado a uma resistência térmica adicional devido à formação de incrustações, depende da qualidade de água. Geralmente, para condensadores novos que operarão com água de boa qualidade, considera-se um fator de incrustação da ordem de 0, m 2 C/W ; 32/42

44 Condensador Casco-Tubo (Shell and Tube) 33/42

45 Condensadores de Placas 34/42

46 Condensadores de Placas Os condensadores de placas são geralmente constituídos de placas de aço inox de pequena espessura (0,4 a 0, 8mm); As placas são montadas paralelamente umas as outras, com um pequeno afastamento (1,5 a 3,0 mm); A água de resfriamento e o fluído frigorífico circulam entre espaços alternados, formados pelas placas; Possuem elevado coeficiente global de transferência de calor (2500 a 4500W /m 2 C); Apresentam ainda a vantagem da facilidade de aumento de sua capacidade, pela simples inclusão de placas. 34/42

47 Condensadores de Placas 35/42

48 Condensadores de Placas 36/42

49 Condensadores Evaporativos 37/42

50 Condensadores Evaporativos Os condensadores evaporativos são formados por uma espécie de torre, no interior da qual é instalada uma série de tubos, por onde escoa o fluído frigorífico; Geralmente existem ventiladores que circula o ar de baixo para cima; No topo do condensador são instalados bicos injetores que pulverizam água sobre a tubulação de refrigerante; A água escoa, em contracorrente com o ar, em direção a bacia do condensador. O contato da água com a tubulação por onde escoa o refrigerante provoca a sua condensação; 37/42

51 Condensadores Evaporativos Ao mesmo tempo uma parcela da água evapora e, num mecanismo combinado de transferência de calor e massa entre a água e o ar, esta última é também resfriada; A água que chega à bacia do condensador é recirculada por uma bomba. 38/42

52 Condensadores Evaporativos 39/42

53 Condensadores Evaporativos O contato da água com as regiões de elevada temperatura da serpentina, pode provocar a formação excessiva de incrustações sobre a superfície dos tubos; Assim, em alguns condensadores evaporativos, instala-se uma primeira serpentina, acima da região onde a água é borrifada. Esta serpentina é chamada de dessuperaquecedor, e tem a função de reduzir a temperatura do refrigerante, o que reduz a formação de incrustações na região onde há água. Em alguns condensadores evaporativos, é adicionada ainda uma serpentina para promover o subresfriamento do refrigerante ĺıquido, a uma temperatura inferior à temperatura de condensação; 40/42

54 Condensadores Evaporativos 41/42

55 Exemplo 42/42

56 Exemplo Exemplo 1 - Um ciclo padrão de compressão a vapor utilizando R-134a com uma vazão de 0, 5kg/s, trabalha com T o = 0C e T c = 50 C. Ar é soprado pelo condensador a 35 C e sai a 45 C. Determine: (a) A capacidade frigorífica do sistema; (b) O coeficiente UA do condensador; (c) A vazão em massa de ar que passa pelo condensador; (d) HRR; (e) F cond. 42/42

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