Documentos do Projecto Redução do consumo energético de um equipamento de frio

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1 Dcument nº: 03 Infrmações d dcument Ttul: Elements d crcut de refrgeraçã Descrçã: Descrçã funcnal ds elements de refrgeraçã, tas cm, cmpressr, cndensadr, válvula de expansã e evapradr. Versã Data Autr Descrçã da alteraçã /03/09 Nun Mesquta Versã draft /07/09 Nun Mesquta Revsã Cnteúds 1. Cmpressres Cmpressres alternatvs/pstã Cmpressres de parafus Evapradres e Cndensadres Cefcente geral de transferênca de calr Quedas de pressões, cefcente de transferênca de calr dentr ds tubs Quedas de pressões, cefcente de transferênca de calr dentr da cncha Cndensadres Capacdade d cndensadr Cefcente de cndensaçã Factr de entupment Desuperheatng Desempenh d cndensadr Ar e nã cndensáves Evapradres Ferver dentr da shell Ferver dentr ds tubs Perfrmance d evapradr Queda de pressã ns tubs Dspstvs de Expansã Tubs caplares Válvulas de expansã de pressã cnstante Válvulas de nível Válvulas de expansã termestátca Válvulas electrónca de expansã...21 Págna 1 de 23

2 1. Cmpressres Exstem bascamente 4 tps de cmpressres de refrgeraçã sã: alternatvs, parafus, centrífug e axas. Outra característca usada habtualmente é serem hermetcamente fechads, sem-hermetcs u aberts. E as duas grandezas mas mprtantes para caracterzaçã d seu desempenh sã a capacdade de refrgeraçã e a ptênca 1.1. Cmpressres alternatvs/pstã Neste tp de cmpressres, a cmpressã d gás é feta numa câmara de vlume varável pr um pstã, cm as válvulas de sucçã e descarga, rganzadas de frma a bmbear refrgerante. O ccl de cmpressã é caracterzad em três fases. A fase da sucçã, fase em que mvment d pstã aumenta vlume ntern d clndr, aqu gás refrgerante a baxa pressã é sugada pela válvula de admssã preenchend vlume da câmara. A fase da cmpressã quand mvment d pstã dmnu vlume ntern da câmara, crand um aument de pressã n gás dentr da câmara que prvca fech da válvula de admssã e aument de temperatura d gás. Quand a pressã nterna é mar d que a das mlas da válvula de descarga, crre a fase da descarga, rgnand a abertura da válvula permtnd escament d gás (a alta pressã e temperatura). Na Fgura 1.1 encntra-se um esquema lustrad d funcnament d cmpressr e a caracterzaçã típca num dagrama PV. Fgura 1.1 Representaçã das três fases d ccl de cmpressã Onde Vn é vlume ncv u espaç ncv na câmara d pstã e Pd é a pressã de descarga. Vlume ncv é espaç entre a fase d pstã e a placa da válvula de descarga n pnt mrt superr d curs d pstã, esta flga deve ser menr pssível, de md a frçar a mar quantdade pssível de vapr d refrgerante cmprmd a passar pela válvula de descarga. Pde ser representad cm uma percentagem d vlume que é deslcad pel pstã. Vncv Percentage m de vlume ncv = m = 100 ( 1.1 ) Vttal Vncv A percentagem vlume ncv, (m), é uma característca de cnstante para um dad cmpressr Págna 2 de 23

3 O desempenh d cmpressr é defnd através da sua efcênca vlumétrca, esta é defnda pr ds tps, efcênca vlumétrca teórca, ( η v ),e efcênca vlumétrca real, ( η vr ). Vttal Vsucçã 3 1 V V 100 = v = 100 Vttal Vncv V3 Vn Pdems anda expressar em terms de m V3 V n + Vn V1 1 1 V Vn Vn V = 100 = = 100 v V3 Vn V3 Vn V3 Vn Vn V 1 = vc m Vc Se é assumd que a expansã entre Vn e V1 é sentrópca V v = suc V v η ( 1.2 ) η ( 1.3 ) η ( 1.4 ) 1 ( 1.5 ) nde, v suc crrespnde a vlume especfc d gás refrgerante na zna de sucçã d cmpressr, v des crrespnde a vlume especfc d gás refrgerante na zna de descarga. Passams a ter a efcênca vlumétrca lvre expressa pels vlumes de sucçã e descarga vs η = v m ( 1.6 ) vd A efcênca vlumétrca real é dferente da teórca, segund [5], devd à falta de cnsderaçã de efets, tas cm: Efets de varaçã de temperatura d refrgerante a entrar n clndr Varaçã de pressã que crre quand refrgerante passa através da válvula de admssã Fugas de refrgerante através das válvulas de admssã e descarga d cmpressr n Onde apresenta uma relaçã de η v cm η vr, apresentada em ( 1.7 ). 0,79η η 0, 90η ( 1.7 ) A efcênca vlumétrca real é defnda em [2] cm Caudal ( q) vr = Velcdade d deslcament ( VD ) Em que a velcdade de deslcament crrespnde a vlume pr undade de temp que é percrrd pel pstã, ns seus mvments de sucçã, ( V ). v vr des v η ( 1.8 ) D V D = V n ( 1.9 ) Um ds factres que nfluenca a efcênca vlumétrca teórca é caudal mássc que é bmbead pel cmpressr. O caudal mássc é análg a vlumétrc, mas mede a massa que atravessa uma área pr undade de temp. Pdems encara-l cm caudal medd na zna de sucçã d cmpressr a dvdr pel vlume específc d refrgerante nesse lcal. q m & = ( 1.10 ) Em que v s representa vlume específc d gás refrgerante na zna de sucçã d cmpressr. Utlzand a defnçã de efcênca vlumétrca ( 1.8 ) btems uma relaçã entre caudal mássc e a efcênca vlumétrca. ηvr m& = V ( 1.11 ) D v v s s Págna 3 de 23

4 O cmpressr pssu uma capacdade de refrgeraçã que é determnada pel prdut d caudal mássc cm efet de refrgeraçã C = m& h h ( 1.12 ) O efet de refrgeraçã, ( h1 h 4 ) Ref ( ), cnsste na varaçã na entalpa d refrgerante quand passa pel evapradr. O requst de ptênca para cmpressr cnsste n prdut d caudal mássc cm trabalh sentrópc da cmpressã: 1 h 4 P = m& ( 1.13 ) Cm rems verfcar, a capacdade de refrgeraçã e ptênca de cmpressã estã ntmamente relacnads cm as temperaturas (lhand para dagrama PH percebems que está asscad a uma pressã) d evapradr e cndensadr. Agra rems ver s efets que a nfluenca d evapradr e cndensadr tem para cmpressr. O efet que a temperatura d evapradr (pressã de sucçã d cmpressr) Fgura 1.2 Influenca que a temperatura d evapradr tem sbre cmpressr [3] A percentagem de vlume lvre f cnsderada de 4%. Págna 4 de 23

5 O mtr seleccnad para trabalhar num determnad pnt de funcnament, pde fcar em regme de sbrecarga se tver que perar pert d pc de ptênca. Pr vezes s mtres sã sbredmensnads de frma a pderem atravessar pc da curva de ptênca. Mas para evtar aumentar mtr, a pressã de sucçã é pr vezes dmnuída artfcalmente, quer pr estrangulament d gás de sucçã, u pr, retrar a carga a clndrs, enquant a temperatura d evapradr desce a um nível abax da curva de pc de ptênca. N cndensadr tems Fgura Influenca que a temperatura d cndensadr tem sbre cmpressr [3] A percentagem de vlume lvre f cnsderada de 4% Tant evapradr cm cndensadr na curva de ptênca requstada pel cmpressr, têm ds pnts nuls, nde as temperaturas d evapradr e d cndensadr sã guas e na casã nde caudal mássc é nul, também têm uma curva de pc. A mara ds sstemas de refrgeraçã pera n lad esquerd d pc de ptênca, para que um aument de temperatura d evapradr u cndensadr, resulte num aument de ptênca. A efcênca da cmpressã adabátca d cmpressr é defnda pr η = trabalh sentrpc de cmpressã ( 1.14 ) a trabalh actual de cmpressã Os factres que reduzem esta efcênca sã devda à frcçã mecânca entre as peças d cmpressr, à perda Págna 5 de 23

6 de pressã na passagem pelas válvulas e utras perdas devd a passagens estretas e a aquecment d gás durante a cmpressã (em vez de ser adabátc). O cefcente de perfrmance, depende da cmbnaçã das temperaturas d cndensadr e d evapradr,. capacdade refrgerante CRef Te COP = = = ( 1.15 ) ptênca de cmpressã P Tc Te A dferença exstente entre COPCarnt que é deal e COPactual, é devd à nefcênca da cmpressã adabátca, a utlzaçã de uma válvula de expansã em substtuçã de um mtr de expansã, e a cmpressã de em vez de ser líquda é seca. Mas a utldade d COPCarnt é que ns permte bter uma estmatva d COP, embra seja grssera. Segund [2] pdems utlzar para bter COPactual ( COP Carnt )( η a )( 0.85) ( 1.16 ) Pdems entã estmar a ptênca necessára Cref P = ( 1.17 ) COP Cntrl da capacdade Quase tds s sstemas de refrgeraçã têm que suprtar cargas térmcas varáves. Se um sstema de refrgeraçã está a funcnar em md de regme permanente e a carga de refrgeraçã dmnu, a respsta nerente a sstema é dmnur a temperatura e pressã d evapradr. Esta alteraçã de cndçã n evapradr resulta numa reduçã na capacdade d cmpressr, que a fm de algum temp rá gualar cm a dmnuçã de carga de refrgeraçã. Exstem dverss métds para reduzr a capacdade d cmpressr: O cmpressr arranca e pára em ccls cnfrme a necessdade, nrmalmente só utlzad em sstemas pequens. Regulaçã de cntra-pressã que estrangula gás de sucçã entre evapradr e cmpressr de frma a manter evapradr a pressã cnstante. Este métd permte um bm cntrl da temperatura d evapradr mas é nefcente. Utlzand um bypass para gás de descarga de vlta para a lnha de sucçã, nrmalmente permte uma reduçã precsa da capacdade, mas este métd é nefcente e cmpressr fca a trabalhar mut quente. É preferível crar bypass que leva gás de descarga para a entrada evapradr. Utlzand clndrs sem carga num cmpressr multclndrs, nde autmatcamente a válvula de sucçã é dexada aberta u gás de descarga é desvad d clndr de vlta para a lnha de sucçã antes da cmpressã. Regulaçã da velcdade d mtr, puc utlzad n passad, prncpalmente realzad pr cmutaçã de númer de póls d mtr, mas devd a estuds cm [10] e [11] actualmente (pel mens desde 2001) já exste n mercad cmpressres preparads para a varaçã de velcdade, cm exempl, a sére VCC (cmpressr de capacdade varável) da Embrac que já está na sua tercera geraçã u entã a sére VTZ da Danfss actual 1.2. Cmpressres de parafus Exstem duas categras de cmpressres de parafus, cmpressres de parafuss gémes e cmpressres de Págna 6 de 23

7 parafus smples. O mas cmum é cmpressr de parafuss gémes. O cmpressr de parafus tem algumas vantagens nerentes em relaçã a cmpressr de pstã, menr tamanh e mens peças mves. Mas nrmalmente é esclhd para capacdades acma ds 300kW nde é mas efcente que cmpressr de pstões. Fgura 1.4 Representaçã d cmpressr de parafus A mara ds cmpressres sã cnstruíds para que rtr mach transmte mvment a rtr fêmea. Mas alguns sã cnstruíds de frma que mtr seja lgad a rtr fêmea, que resulta num aument de 50% de velcdade d rtr para a mesma velcdade d mtr. O refrgerante entra pel tp à medda que rtr mach mpõe mvment e óle é njectad entre s rtres, espaç na engrenagem entre mach e a fêmea dmnuí de vlume, cmprmnd desta frma gás refrgerante, até que este descarregad é pel fund d cmpressr. Os rtres ds prmers cmpressres eram perads a uma alta velcdade para mnmzar as fugas. Os cmpressres de refrgeraçã sã agra tds vedads cm óle, que para além de mtvs de lubrfcaçã ds rtres também prevne as fugas de refrgerante. O crcut de óle é segunte Fgura 1.5 Representaçã de um crcut de óle d cmpressr O óle que sa d cmpressr tem que ser remvd para que nã passe para rest d sstema de refrgeraçã, st é efectuad n separadr de óle. E cm óle recebe calr d refrgerante que está a ser cmprmd n cmpressr, este necessta de ser arrefecd, está peraçã pde ser realzada num permutadr de calr u pr njecçã drecta d refrgerante (após este ter atravessad cndensadr) n cmpressr u na saída d cmpressr. Uma característca fundamental d cmpressr de parafus é a sua prprçã de vlume nerente a cmpressr, vlume da cavdade quand a prta de sucçã é fechada prprçã de vlume nerente = vlume da cavdade quand a prta de desc arg a é aberta Págna 7 de 23

8 Prprções de vlume típcas nrmalmente encntradas na ndustra varam entre 2 a 5.5, dependend d desgn. A efcênca de um cmpressr de parafus depende frtemente da cmbnaçã entre a prprçã das pressões num pnt de funcnament e a prprçã de vlume nerente a cmpressr. Tpcamente pdems ver Fgura 1.6 Influênca que a prprçã de vlume nerente tem sbre a efcênca de cmpressã O pc da curva de efcênca é atngd quand a pressã na cavdade durante a cmpressã aumenta até a pnt em que é gual à pressã da lnha de descarga, e nesse mment a prta de descarga é aberta. As curvas de efcênca atngem seu máxm a valres de prprções de pressã lgeramente desfasads ds valres ndcads pelas prprções de vlume, st acntece devd: - é efectuad algum arrefecment durante a cmpressã, em vez da cmpressã ser adabátca. - cm exstem algumas fugas de refrgerante, a prprçã de pressã deal nunca é atngda. O efet das temperaturas d evapradr e d cndensadr na capacdade refrgerante e n requst de ptênca d cmpressr de parafus, é semelhante a ds cmpressres de pstã, mas cm dferenças que devem ser ntadas. A explcaçã cm mar pes para as dferenças é atrbuída à efcênca vlumétrca, cmpressr de parafus nã está a mesm nível sujet à re-expansã de gás lvre, entã caudal bmbead pel cmpressr de parafus é mens nfluencad pelas varações de prprções de pressões em cmparaçã cm cmpressr de pstã. Fgura 1.7- Influênca da temperatura d cndensadr e evapradr têm n cmpressr As drecções da varaçã de capacdade refrgerante e ptênca requstada sã as mesmas, quer ns cmpressres de parafus, quer ns cmpressres de pstã. Págna 8 de 23

9 Ns cmpressres de pstã a temperatura d cndensadr nfluenca mas requst de ptênca que a temperatura d evapradr, que é pst ds cmpressres recíprcs, nde a temperatura d evapradr tem mas nfluênca. Os cmpressres de parafus pdem perar cnfrtavelmente pr um nterval de velcdades de 1800 até 4500 rpm, que ndca que pdems utlzar faclmente cntrl pr varaçã de velcdade para regularms a capacdade de refrgeraçã. O mas usual é a utlzaçã de uma sluçã mas ecnómca, é a utlzaçã de uma válvula de deslzament que fca embutda dentr d capsulament d cmpressr, nde se mve axalmente. À medda que a válvula é aberta, ela ada a psçã nde a cmpressã é ncada. A desvantagem é que este métd só cnsegue mdular uma reduçã cerca de 10% da capacdade ttal, nde terems perda de efcênca quand a capacdade é reduzda. 2. Evapradres e Cndensadres Exstem númers trabalhs a estudar apenas cndensadr u evapradr, nde as dnâmcas físcas sã descrtas a prmenr. Mas nesta dssertaçã cndensadr e evapradr sã cmpnentes genércs, nã drectamente cntrláves e que pssuem uma capacdade de transferr calr que vara cnfrme determnadas cndções. Os tps de cndensadres e evapradres mas utlzads sã, s permutadres de calr shell-and-tube e s fnned-cl. Fgura 2.1 a,b,c representam permutadres shell-and-tube; d,e,f representam fnned-cl, [2]e [3] As les que regulam flux de água através da shell Fgura 2.1 b),e pr cma d tube bundle Fgura 2.1 c), sã as Págna 9 de 23

10 mesmas quer permutadr de calr seja um evapradr sejam um cndensadr. Mas é mprtante ter cnscênca que mecansm quand refrgerante evapra é mut dferente de quand refrgerante cndensa Cefcente geral de transferênca de calr O cefcente glbal de transferênca de calr para evapradr e cndensadr é uma cnstante de prprcnaldade, em que, quand multplcada pela área de transferênca de calr e a temperatura méda entre s fluds, dá rác de transferênca de calr. Fgura Ilustraçã em crte seccnal de um permutadr de calr refrgerad a água, [3] ( t t ) q = α A ( 2.18 ) s Págna 10 de 23 k q = Am ( ts ts ) ( 2.19 ) x q = α A t t ( 2.20 ) ( ) Onde q= rác de transferênca de calr, W α=cefcente de transferênca de calr n exterr d tub, W/m 2 *K A=área exterr d tub, m 2 t=temperatura refrgerante, ºC ts=temperatura da superfíce externa d tub, ºC k=cndutvdade d tub de metal, W/m*K x=espessura d tub, m ts=temperatura da superfíce nterna d tub, ºC Am=área meda da crcunferênca d tub, m 2 α=cefcente de transferênca de calr n nterr d tub, W/m 2 *K A=área nterna d tub, m 2 t=temperatura da água, ºC Para exprmr cefcente geral da transferênca de calr a área nde cefcente é basead tem de ser especfcada. Duas expressões acetáves para cefcente geral de transferênca de calr sã: q = U A t t ( 2.21 ) s ( ) ( t t ) q = U A ( 2.22 ) u seja, U A = U A ( 2.23 ) valr de U está sempre asscad a uma área. Pdems bter valr de U e U através q qx q + + = ( t ts ) + (( ts ts ) + ( ts t ) = t t ( 2.24 ) α A kam α A q q t t = = ( 2.25 ) U A U A

11 1 1 1 x 1 = = + + U A U A α A kam α A ( 2.26 ) 1 1 Uma nterpretaçã físca ds terms pde ser cnsderada que e sã s valres de resstênca ttal ds cefcentes de transferênca de calr entre a água e refrgerante. Esta resstênca ttal é a sma das dversas resstêncas ndvduas, nde 1 α A é a resstênca d refrgerante para exterr d tub x ka m é a resstênca d tub 1 α A é a resstênca da superfíce nterna d tub para a água Em determnads pnts n permutadr de calr, flux de calr pde ser express pela resstênca térmca e a dferença de temperatura entre fluds. q t = ( 2.27 ) 1 ln( r / r ) 1 Rtt = + + ( 2.28 ) α1a1 2πkl α 2 A2 Cntud cm a temperatura de um u ds fluds pde varar à medda que flu através d permutadr de calr, analse é dfícl a mens que se determne a dferença méda de temperatura, que caracterzará a perfrmance geral d permutadr de calr. A prátca mas usual é a utlzaçã da dferença méda-lgartmca de temperatura (LMDT) e um factr de cnfguraçã que depende cm a fludez permtda através d permutadr de calr. t A t B LMTD = ( 2.29 ) ln t / t Onde R tt ( ) t A = dferença de temperatura entre ds fluds na psçã A = dferença de temperatura entre ds fluds na psçã B t B A B 2.2. Quedas de pressões, cefcente de transferênca de calr dentr ds tubs A expressã para cefcente de transferênca térmca ds fluds que crculam dentr de tubs n m Nu C Re Pr = ( 2.30 ) nde, Nu é númer de Nusselt, Re é númer de Reynlds, Pr é númer de Prandtl, C é uma cnstante btda expermentalmente, m e n sã expnentes. Expandnd a expressã 0.8 hd VD c pµ = k µ k Págna 11 de ρ ( 2.31 ) nde h= cefcente de cnvençã u cefcente de transferênca de calr d lqud, W/m 2 *K D= dâmetr nterr d tub, m k= cndutvdade térmca d flud, W/m*K V= velcdade méda d fluíd, m/s ρ= densdade d fluíd, kg/m 3

12 µ= vscsdade d flud, Pa*s cp= calr especfc d fluíd, J/kg*K Esta equaçã é aplcável a fluxs turbulents, nde tpcamente juntamente cm as prpredades d fuíd e velcdade sã expermentadas na mara ds evapradres e cndensadres cmercas. O valr de f prpst pr McAdams, mas Katz descbru que valr verdader ns cndensadres é 15% mar prque s tubs sã relatvamente curts e s efets de mar turbulênca devd as efets da entrada aumenta a prprçã de transferênca de calr lgeramente. À medda que flud crcula dentr ds tubs, pr um cndensadr u evapradr, uma queda de pressã crre quer seja em tubs drets, quer em dbras em U u nas cabeças d permutadr de calr. Alguma queda de pressã é também atrbuída às perdas na entrada e saída. A expressã da queda de pressã 2 L V p = f ρ ( 2.32 ) D 2 Cm a queda de pressã em tubs drets n evapradr u cndensadr apenas representam 50 a 80% da queda ttal de pressã, dads expermentas u de catalg sbre a queda de pressã em funçã de uma razã de flux sã necessárs. As utras cntrbuções para queda de pressã resultam de mudanças de área de flux e drecçã, mas sã exactamente prprcnas a quadrad da razã d flux, assm se uma queda de pressã, p1, e a razã de flux, w1 sã cnhecds, entã a queda de pressã p2 numa dferente razã de flux pde ser prevsta: w = p w1 2 p ( 2.33 ) 2.3. Quedas de pressões, cefcente de transferênca de calr dentr da cncha A transferênca de calr dentr da cncha é dfícl de prever. Para se pder desenhar permutadres de calr, s engenhers recrrem a crrelações que relacnam s númers de Nusselt, Reynlds e Prandtl a cnfgurações gemétrcas ds tubs e baffles. A equaçã pde ser mdfca para a frma hd k = ( terms cntrlads pela gemetra)( Re )( Pr ) Págna 12 de 23 µ w 0.14 µ ( 2.34 ) Onde µ= vscsdade d fluíd à temperatura d vlume, Pa*s µw= vscsdade d fluíd à temperatura da parede d tub, Pa*s O númer de Reynlds nesta equaçã é GD/µ, nde G é a velcdade da massa u caudal mássc a dvdr pela característca área de flux. Apesar de nã pesqusar mas a fund n desenh de permutadres de calr shell-and-tube, uma cnclusã que prvêm da equaçã anterr deve de ser referencada. Para um dad evapradr u cndensadr, quand a água crcula dentr da cncha e pr fra ds tubs, tems cefcent e de transferenca de calr n lad da água = cnst razã de flux 0. ( )( ) 6 A queda de pressã d lqud que crcula pela cncha é dfícl de prever analtcamente, mas sabend expermentalmente um valr de pressã para uma razã de flux, na mesma frma ndcada na ultma secçã pdems fazer prevsões de queda de pressã para utras razões de flux pdem ser efectuadas cm bastante prevsã. Quand um ds fluds n cndensadr u evapradr é um gás, as prpredades d ar em cmparaçã cm as

13 ds líquds, tal cm a água, apresentam varações de cefcentes de transferênca de calr na rdem de um decm até um vgésm d cefcente de transferênca da água Cndensadres Ns cndensadres, s fluds para s quas calr é rejetad, nrmalmente é água u ar. Quand cndensadr é arrefecd a água, a água é deps drgda para uma trre de arrefecment para a rejeçã fnal de calr para a atmsfera Capacdade d cndensadr A razã de transferênca de calr requerda ns cndensadres é predmnada pr uma funçã da capacdade de refrgeraçã e da temperatura d evapradr e d cndensadr. O cndensadr deve rejetar a energa absrvda pel evapradr e calr adcnad pel cmpressr durante a cmpressã. Um term que nrmalmente é utlzad para relacnar a razã de transferênca de calr de um cndensadr a um evapradr é a razã de rejeçã de calr razã de calr rejetad n cndensadr, KW razã de rejeçã de calr = razã de calr absrvd pel evapradr, KW Tercamente, cálculs da rejeçã de calr n cndensadr pde ser fets a partr d ccl de vaprcmpressã nrmalzad, mas desta frma nã é tmad em cnsderaçã calr adcnal acrescentad pelas nefcêncas d cmpressr. Quand mtr d cmpressr é hermetcamente fechad, algum d calr asscad cm as nefcêncas d mtr eléctrc sã adcnadas a crcut de refrgerante e que ultmamente tem que ser remvd n cndensadr. A razã de rejeçã de calr de cmpressres hermetcamente fechads sã nrmalmente lgeramente mares ds que s cmpressres de tp abert Cefcente de cndensaçã A equaçã básca para calcular cefcente lcal de transferênca de calr de vapr a cndensar num prat na vertcal, f desenvlvda pr Nusselt através de pura análse físca. Verfcu que à medda que vapr cndensava n prat e a cndensaçã drenava para bax, uma película de cndensaçã trnava-se prgressvamente mas grssa à medda que desca. O cefcente lcal de cndensaçã é a cndutvdade através da película de cndensaçã, u seja, a cndutvdade d líqud a dvdr pela espessura da película nesse pnt. Nusselt desenvlveu a expressã para cefcente de cndensaçã méda cm h c 2 g ρ h fg k = µ t L 3 1/ 4 ( 2.35 ) Onde hc= cefcente de cndensaçã méd, W/m 2 *ºC g= cnstante de aceleraçã de gravdade =9.81 m/s 2 ρ= densdade d cndensad, kg/m 3 hfg= calr latente d vapr d refrgerante, kj/kg k= cndutvdade d cndensad, W/m*ºC µ= vscsdade d cndensad, Pa*s t= dferença de temperatura entre vapr e prat, ºC L= cmprment vertcal d prat, m Págna 13 de 23

14 Uma equaçã anterr cm algumas mdfcações é largamente utlzada ns cndensadres hrzntas de shell-and-tube. O prdut d númers de tubs numa fla vertcal multplcada pel dâmetr ds tubs substtu cmprment vertcal d prat L. F Whte pr teste expermentas que descbru que cefcente é 0.63 e Gt medu 0.65, entã a equaçã de N tubs de dâmetr D na fla vertcal é 2 3 g ρ h fg k h = 0.64 ( 2.36 ) c µ t N D A equaçã ( 2.36 ) é aplcada à cndensaçã de película lamnada, que é um ds ds tps de cndensaçã. O utr tp de cndensaçã é a cndensaçã de película turbulenta. Na cndensaçã pelcular lamnada líqud cndensad é espalhad pr tda a superfíce d cndensadr, na cndensaçã pelcular turbulenta líqud cndensad agrupa-se em glóbuls (gtas), dexand parte d vapr em cntact drect cm a superfíce. A cndensaçã pelcular turbulenta frnece um cefcente de transferênca de calr mas elevad, mas apenas pde crrer em superfíces lmpas. Para prevenr, cnsdera-ms entã que a perfrmance d cndensadr é prevsta que seja baseada em cndensaçã pelcular lamnada. O mecansm de cndensaçã é cmplex e a fgura segunte mstra valres relatvs d cefcente de cndensaçã através d tub. 1/ 4 Fgura 2.3 Alteraçã d cefcente de cndensaçã a lng d tub d cndensadr. Na entrada d tub, refrgerante é prvável que esteja sbreaquecd e pr ss cefcente é bax, cefcente cmeça a aumentar quand entra n cndensadr, mas prgressvamente dmnu à medda que vapr cndensa. Ist reduz tant a velcdade méda e a fracçã d tub expst a vapr Factr de entupment Após um cndensadr arrefecd a água ter estad em servç após algum temp, nrmalmente seu valr de U fca um tant degradad, prque há um aument na resstênca na transferênca de calr n lad da água, devd a entupment pr mpurezas na água que prvêm da trre de arrefecment. Pr ss um cndensadr nv deve pssur um alt valr de U em antecpaçã da reduçã que rá crrer durante servç. Esse aument na 1 capacdade é especfcad pel factr de entupment, m2*k/w. Passams a bter h ff 1 ( 2.37 ) U = 1 h xa + ka m A A + + h A h A ff Desuperheatng Quand refrgerante cndensa a pressã cnstante, a sua temperatura só é cnstante na parte de cndensaçã. Prque vapr que prvêm d cmpressr é sbreaquecd, a sua dstrbuçã é a segunte Págna 14 de 23

15 Fgura 2.4 Descrçã da varaçã de temperatura d cndensadr a lng d tub [3]. Devd à dstrçã n perfl de temperatura causad pel prcess de desuperheatng, a dferença de temperatura entre refrgerante e flud de arrefecment, nã é crrect cntnuar a ser representada pel LMTD. ( tc t ) ( tc t ) LMTD = ln( ( tc t )/( tc t )) Mas é uma prátca cmum cntnuar a utlzar LMTD, prque apesar da dferença de temperatura entre refrgerante e flud de arrefecment ser elevada na secçã de desuperheatng, cefcente de cnvençã nesta secçã é nrmalmente abax d que cefcente de cndensaçã. Os ds errs cmpensam-se um a utr e a aplcaçã da equaçã LMTD juntamente cm cefcente de cndensaçã pr tda a área d cndensadr nrmalmente prvdenca resultads razavelmente crrects Desempenh d cndensadr A perfrmance precsa d cndensadr é mut cmplexa, mas utlzand as característca frnecdas pel fabrcante pdems bter uma representaçã d seu funcnament, assumnd uma efcáca cnstante permutaçã de calr para cndensadr, btems qc = F( tc tamb ) ( 2.38 ) nde F = capacdade pr undade de dferença de temperatura, kw/k tamb= temperatura ambente, ºC O valr F é dad pel fabrcante, e a equaçã demnstra as característcas frnecdas pel fabrcante. Fgura 2.5 exempl das característcas de desempenh d cndensadr. Págna 15 de 23

16 Ar e nã cndensáves Se ar e utrs gases nã cndensáves entrarem n sstema de refrgeraçã, estes fcaram acumulads n cndensadr, nde s gases estranhs a sstema reduzem a efcênca d sstema devd a ds mtvs: - A pressã ttal n cndensadr é aumentada, que prvca um aument n requst de ptênca para cmpressr pr undade de capacdade de refrgeraçã. - Em vez de se dfundr pel cndensadr, s nã cndensáves apegam-se as tubs d cndensadr, reduznd a área de cndensaçã, que também prvca um aument de pressã. Para remver s gases nã cndensáves é necessár fazer uma purga a cndensadr, cnsste em retrar a mstura de gás refrgerante cm s gases nã cndensáves, separar refrgerante e descarregar s nã cndensáves Evapradres Na mara ds evapradres de refrgeraçã refrgerante ferve dentr ds tubs e arrefece flud que passa pel exterr ds tubs. Os evapradres que fervem refrgerante dentr ds tubs sã habtualmente denmnads de evapradres de expansã drecta. Os evapradres de expansã drecta sã utlzads nrmalmente utlzads em ares cndcnads, almentads pr uma válvula de expansã que regula flux d líqud, de frma que vapr d refrgerante sbreaquecd saa d evapradr. Outr cncet é a recrculaçã de lqud u sbrealmentaçã de lqud n evapradr, nde algum lqud ferve n evapradr e rest nunda pela saída, lqud pde r para um reservatór nde lqud d evapradr é separad e vapr flu para cmpressr Ferver dentr da shell É dfícl prever exactamente, cefcente de fervedura devd à cmplexdade d mecansm, e s cefcentes seguem regras dferentes cnfrme a fervedura crre dentr u fra ds tubs. Através de experencas s nvestgadres btveram a segunte equaçã: q 3 a 4 = C t ( 2.39 ) Q nde q= taxa de transferênca de calr, W A= área de transferênca de calr, m2 C= cnstante t= dferença de temperatura entre a superfíce metálca e flud de ferveduras Escrevend de utra frma, btems q A t = h r = C t 2 a 3 ( 2.40 ) Onde hr é cefcente de fervedura, W/(m 2 *K). O valr de hr aumenta à medda que a dferença de temperatura aumenta, nde fscamente é devd a uma mar agtaçã. As perturbações lbertam blhas de vapr a partr da superfíce d metal e permtem que lqud entre em cntact cm metal. Mas à medda que a taxa de evapraçã aumenta até a seu máxm, pnt B, nde exste quantdade enrme de vapr que cbre a superfíce d metal de frma a que lqud nã cnsegue permanecer em cntact cm metal, um aument na dferença de temperatura dmnu a taxa de transferênca de calr. Págna 16 de 23

17 Ferver dentr ds tubs Quand refrgerante ferve dentr ds tubs, cefcente de transferênca de calr muda prgressvamente à medda que refrgerante flu pel tub. O refrgerante entra n tub d evapradr cm uma baxa fracçã de vapr. À medda que refrgerante flu pel tub, a fracçã de vapr aumenta, ntensfcand a agtaçã e aumentand cefcente de transferênca de calr. Quand refrgerante esta quase td vaprzad cefcente desce para uma ampltude aplcável à transferênca de calr de vapr pr cnvençã frçada. Fgura 2.6 Característca d evapradr. O cefcente de transferênca de calr é mas elevad para a temperatura mas elevada d evapradr, prvavelmente prque em elevada temperatura d evapradr e de pressã de vapr, a densdade é elevada, permtnd a mar parte da fracçã d metal de estar cberta cm lqud Perfrmance d evapradr O cefcente de transferênca de calr de fervedura é esperad que suba cm um aument de carga. Esta supsçã nasceu devd à perfrmance ds evapradres cmercas. O cmprtament típc d evapradr é amstrad na fgura segunte, nde Fgura 2.7 exempl das característcas de desempenh de um evapradr. evdenca, prmer, é que a capacdade aumenta cm a reduçã da temperatura n evapradr e/u cm um aument na temperatura da água de entrada, segund, que a capacdade é reduzda quand caudal de água é dmnuíd a determnada temperatura de entrada. Se valr de U n evapradr fsse cnstante pr tda a zna de peraçã, as lnhas da fgura anterr deveram ser dretas. Em vez dss sã curvadas lgeramente para a cma, ndcand que valr de U aumenta lgeramente à medda que a capacdade refrgeraçã aumenta. Esta tendênca pde ser explcada pel aument n Págna 17 de 23

18 cefcente de transferênca de calr de fervedura à medda que flux de calr aumenta. Uma equaçã adequada a expressar a capacdade de refrgeraçã pde ncalmente ser q G t t e ( ) = ( 2.41 ) nde tw= temperatura da água na entrada, ºC G= factr de prprcnaldade, kw/k Se valr de U fr cnstante e as lnhas na fgura anterr frem dretas, entã G será uma cnstante. Se G aumenta cm a dferença da temperatura (tw-te), entã G pde ser aprxmad cm uma funçã lnear em funçã da dferença de temperatura. Pr exempl, cnsderand evapradr da fgura anterr cm um flux de água de 2kg/s, tems G = ( t w t e ) ( 2.42 ) q = t t t t ( 2.43 ) e w e [ ( )] ( ) Queda de pressã ns tubs A pressã d refrgerante dmnu à medda que flu pels evapradres de tp tub. O efet de queda de pressã na perfrmance d sstema é que cmpressr tem de bmbear de uma pressã de sucçã anda mas baxa, n que resulta num aument de ptênca requstada. Pr utr lad, uma mar velcdade de refrgerante pde ser atngda se uma mar queda de pressã fr permtda, que melhra cefcente de transferênca de calr. w e w e 3. Dspstvs de Expansã O dspstv de expansã cumpre ds bjectvs: Reduzr a pressã d refrgerante líqud Regular caudal de flud d refrgerante para evapradr O cmpressr e dspstv de expansã devem funcnar em equlíbr entre a sucçã e a descarga, de frma que permta cmpressr bmbear d evapradr, mesm caudal de refrgerante que dspstv de expansã almenta evapradr. Uma cndçã de flux desbalanceada entre estes cmpnentes deve ter uma duraçã bastante reduzda. O funcnament prlngad em desequlíbr pderá rgnar encharcament d evapradr u a sua secura. Exstem dverss tps de dspstvs de expansã, tas cm: Válvulas de expansã de pressã cnstante Válvulas de expansã termstátca Válvulas electróncas de expansã Tubs caplares 3.1. Tubs caplares Os tubs caplares servem quase tds s sstemas de refrgeraçã de dmensã pequena, nrmalmente abax da rdem ds 10KW [3]. O refrgerante líqud entra n tub caplar, e à medda que refrgerante passa pel tub, a pressã desce devd à frcçã e à aceleraçã de refrgerante. A dferença de pressã desejada pde ser btda cmbnand-se s valres d dâmetr ntern cm cmprment d caplar. Exstem dversas cmbnações de calbre e cmprment dspníves para bter as cndções desejadas. Págna 18 de 23

19 O tub caplar cnsegue regular a quantdade de flud refrgerante que entra n evapradr basead n prncíp de que uma massa de refrgerante n estad líqud passará mas faclmente através de um caplar que a mesma massa de refrgerante n estad gass. Cnsequentemente, se vapr d refrgerante nã cndensad entra n caplar, flux de massa será reduzd, permtnd a refrgerante mas temp de arrefecment n cndensadr. Pr utr lad, se refrgerante líqud fr acumuland n cndensadr, a pressã e a temperatura aumentarã, resultand em um aument de flux de massa de refrgerante. A sua grande vantagem é reduzd cust. O grande ncnvenente resulta de nã ser pssível qualquer ajuste para varações de pressã de descarga, pressã de sucçã, u de carga térmca Válvulas de expansã de pressã cnstante As válvulas de expansã de pressã cnstante, mantêm a pressã cnstante em relaçã à sua saída, u seja, para a entrada d evapradr. Quand a pressã n evapradr desce abax d pnt de cntrl a válvula abre mas, quand a pressã aumenta acma d pnt de cntrl a válvula fecha-se parcalmente. Fgura 3.1 Descrçã da peraçã da válvula de expansã de pressã cnstante [3] Cm uma pressã cnstante a capacdade d cmpressr e a capacdade de almentaçã da válvula de expansã em dverss graus de abertura da válvula é amstrada. O us de válvulas de expansã a pressã cnstante tem estad lmtadas a sstemas cm capacdade de refrgeraçã abax ds 30KW, nde a carga crtca d refrgerante é pssível de prevenr lqud de encharcar evapradr. O seu prncpal us é nde a temperatura d evapradr deve ser mantda a cert pnt, para cntrlar a humdade u para prevenr cngelament ds refrgeradres de água Válvulas de nível As válvulas de nível, sã um tp de válvulas de expansã em que mantêm lqud a um nível cnstante num recpente u evapradr. A válvula abre cmpletamente quand nível de líqud desce abax de um pnt de cntrl, e fecha cmpletamente quand nível sbe acma de um utr pnt de cntrl. Para manter um nível de líqud cnstante n evapradr, a válvula de nível estabelece cndções de balanç de flux entre cmpressr e ele própr. Se a carga de refrgeraçã aumentar, a temperatura e pressã de evapradr aumenta, nde Págna 19 de 23

20 mmentaneamente permte cmpressr bmbear um mar flux, d que a válvula que estava a almentar. Se a carga de refrgeraçã dmnu, a pressã de sucçã dmnu e nível sbe cmandad a válvula para fechar. Estas válvulas nã devem ser utlzadas em evapradres de tub cntínu, nde é mpssível estabelecer um nível de refrgerante pel qual deve ser cntrlad Válvulas de expansã termestátca A válvula de expansã termestátca é d tp de válvula de expansã mas ppular para sstemas de refrgeraçã de tamanh mderad. O cntrl é efectuad pela ampltude d gás sbreaquecd de sucçã que sa d evapradr. O balanç d caudal entre cmpressr e a válvula de expansã termestátca é pratcamente dêntc a que f mstrad para a válvula de nível. A feeler bulb está parcalmente enchd cm lqud d mesm refrgerante que é usad n sstema. O fluíd usad n reservatór é chamad de fluíd de ptênca pwer flud. O feeler bulb está fx à saída d evapradr para que reservatór e pwer flud assumem a temperatura d gás de sucçã. A pressã d pwer flud pressna tp d dafragma e a pressã d evapradr empurra fund d dafragma. Uma mla exerce uma lgera frça na válvula que mantêm fechada até que a pressã debax supere a frça da mla juntamente cm a frça da pressã d evapradr. Para a pressã acma d dafragma ser mar d que a pressã debax d dafragma, pwer flud tem de ter uma temperatura mar d que a temperatura de saturaçã n evapradr. O gás de sucçã tem de estar sbreaquecd de frma a pder levar pwer flud até a pressstat que abre a válvula. Para ultrapassar a frça da mla, uma mar frça deve ser prgressvamente aplcada pel pwer flud para abrr mas a válvula. Esta mar frça é desenvlvda pel aument d sbreaquecment. Alguns sstemas de refrgeraçã tem um queda de pressã aprecável n evapradr, u utlzam múltpls crcuts de refrgeraçã n evapradr, necesstand de um dstrbuíd, n que resulta numa queda de pressã. Cm um gualadr ntern, desta frma, uma mar pressã d refrgerante é aplcada n utr lad d dafragma, d que actualmente exste na lnha de sucçã nde reservatór bulb está fxad. Esta cndçã exge, um aument n sbreaquecment d refrgerante para abrr a válvula, que reduz a efcáca d evapradr. Para elmnar este prblema é utlzad um gualadr extern, é aplcad abax d dafragma na pressã d refrgerante na saída d evapradr. Este prcess é atngd, cnectand um tub pequen a partr da lnha de sucçã para a câmara abax d dafragma. Fgura 3.2 Representaçã em crte ds dverss cmpnentes que cnsttuem a válvula termestátca Uma característca típca da válvula de expansã térmca a almentar evapradr a baxa temperatura é Págna 20 de 23

21 mstrada na fgura segunte. Se é necessár uma dferença de pressã de 100kPa entre bulb e evapradr para abrr cmpletamente a válvula, gás de sucçã deve estar 5K sbreaquecd quand evapradr estver a 5ºC. Se a mesma válvula almenta evapradr quand este pera a -30ºC, valr de sbreaquecment requerd para frnecer 100kPa de pressã de dferença é de 12K. Fgura 3.3 Representaçã da cmpensaçã que é necessár efectuar quand pera em ds pnt dferentes Uma sluçã para reslver s prblemas de perar a baxa temperatura é usar uma válvula cm carga cruzada, pr exempl, a válvula ter um pwer flud dferente d refrgerante dentr d sstema. O pwer flud é seleccnad de frma que as suas prpredades sejam próxmas d refrgerante (ver fgura segunte). As característcas d pwer flud sã esclhdas para que sbreaquecment necessár para abrr a válvula seja aprxmadamente cnstante pr tda a regã de peraçã Válvulas electrónca de expansã A aplcaçã mas cmum para este tp de válvulas é para a utlzaçã de bmbas de calr, nde flux d refrgerante é nvertd de frma a mudar sstema de refrgeraçã para um de aquecment. Cm seu cntrl é ndependente das pressões d refrgerante, a válvula funcna, ndependente da drecçã d flux que a atravessa. O cntrl electrónc dá uma flexbldade que permte esclher esquemas de cntrl que sã mpssíves de ser aplcads cm utras válvulas. Estas válvulas pdem ser classfcadas ns seguntes tps: - peradas cm mtr aquecment - mdulaçã magnétca - PWM (tp n-ff) - perad pr mtr pass-a-pass As que sã peradas cm mtr de aquecment pdem anda se dvdr em ds subtps. Num tp, uma u mas elements bmetálcs sã aquecds electrcamente, causand a sua deflexã. Os elements bmetálcs estã lgads mecancamente a pn da válvula. O segund tp tem um materal vlátl cntd numa câmara que é aquecda electrcamente, de frma, a carga de temperatura (e pressã) é cntrlada frnecend energa eléctrca a aquecedr. A carga de pressã é utlzada para actuar n dafragma, que é balanceada cntra quer a pressã ambente d ar, u quer a pressã de sucçã sstema de refrgeraçã. Nas válvulas de mdulaçã magnétca, uma crrente electrmagnétca mdula suavemente, enquant a armadura cmprme uma mla prgressvamente em funçã da crrente na bbne. O plunger mdulad electrmagnetcamente pde ser cnectad drectamente a pn da válvula (pppet), u ser utlzad cm um element plt para perar uma válvula mut mar. Quand plunger mdulad pera pn u pppet drectamente, a válvula pde ser de desgn de prta de pressã balanceada para que a pressã dferencal tenha pequena u nenhuma nfluênca na abertura da válvula. As válvulas PWM, sã válvulas de slenóde n-ff cm característcas especas que permtem funcnar cm Págna 21 de 23

22 válvulas de expansã cm uma duraçã de vda de mlhões de ccls. Mesm que a válvula esteja tda cmpletamente aberta u fechada, esta pera de frma que uma varável cncda cm bjectv pulsand a abertura da válvula perdcamente, a duraçã de cada abertura é cntrlada electrncamente. As válvulas peradas pr mtres pass-a-pass, cmutam mtr pass-a-pass electrncamente, nde a psçã é dscretamente ncrementada pr pequenas fracções de revluçã. Quand utlzad para válvulas de expansã, é utlzad um parafus sem-fm de frma a pder alterar mvment rtatv d rtr para mvment lnear adequad para mver pn da válvula u pppet. O sem-fm pde estar drectamente acplad a rtr u pde ter uma caxa de engrenagem entre mtr e sem-fm. Págna 22 de 23

23 Referêncas [1] H.M. Nussenzveg, Curs de Físca Básca, vl.ii Fluíds; Osclações e Ondas; Calr, Edtra Edgard-Blucher, [2] Wlbert F. Stecker, Industral refrgeratn handbk, New Yrk : McGraw-Hll, 1998 [3] Stecker W.F., Jnes, J. W., Refrgeratn and ar cndtnng 2ª edçã, Auckland: McGraw- HllBk Cmpany,1982. [4] ASHRAE, HVAC Fundamentals Handbk, Amer Scety f Heatng 1997 [5] Luís Júnr (2009, Març 10), Intrduçã a máqunas Térmcas-Refrgeraçã ISBN: [nlne], Dspnível em: [6] Rasmussen, B. P. Cntrl-rented mdellng f transcrtcal vapr cmpressn systems. Dept. f Mechancal and Industral Engneerng, Unversty f Illns at Urbana, [7] Rasmussen, B. P., Dynamc mdelng and advanced cntrl f ar cntnng and refrgeratn systems., Dept. f Mechancal and Industral Engneerng, Unversty f Illns at Urbana-Champagn, 2005 [8] Bertulan,C.A.; 1ª le da termdnâmca - Prject de ensn de físca à dstânca. Dspnível em Acess em 22/02/2008. [9] Bertulan,C.A.; A segunda le da termdnâmca -Prject de ensn de físca à dstânca. Dspnível em /segunda_le.html. Acess em 22/02/2008. [10] R.N.N. Kury, L. Machad, K.A.R. Ismal, Numercal smulatn f a varable speed refrgeratn system, Internatnal Jurnal f Refrgeratn, Vlume 24, Númer 2, pág , Ma 2001 [11] Quresh T.Q.; Tassu S.A., Varable-Speed Capacty Cntrl n Refrgeratn Systems, Appled Thermal Engneerng, Vlume 16, Númer 2,, pág Feverer 1996