Refrigeração e Ar Condicionado

Refrigeração e Ar Condicionado Evaporadores Filipe Fernandes de Paula filipe.paula@engenharia.ufjf.br Departamento de Engenharia de Produção e Mecânica Faculdade de Engenharia Universidade Federal de Juiz de Fora Engenharia Mecânica 1/43

Introdução 2/43

Introdução Os evaporadores são trocadores de calor responsáveis pela absorção da carga térmica do ambiente; A troca de calor, no evaporador, gera uma mudança de fases no refrigerante; Como em todo trocador de calor, a troca de calor nos evaporadores é influenciada por: Área de troca de calor; Fluido refrigerante; Temperatura de evaporação; Temperatura de entrada do fluido refrigerado. Podem ser classificados em relação a: Sistema de alimentação; Fluido a resfriar. 2/43

Troca de Calor no Evaporador 3/43

Resistências Térmicas A troca de calor em um trocador de calor, como o evaporador, ocorre em três diferentes níveis, os quais oferecem resistência térmica à transferência de calor: 1. Troca de calor do refrigerante com a superfície interna do tubo; R conv,int = 2. Transferência de calor através da parede do tubo; R cond = 1 h ref A int (1) t ka ml (2) 3. Troca de calor do fluido com a superfície externa do tubo; R conv,ext = 1 h fluido A ext (3) 3/43

Coeficiente Global de Troca de Calor O coeficiente global de troca de calor é o coeficiente que que associa uma diferença de temperatura à troca de calor que ela proporciona. É dado por: Q = UA T (4) Esse coeficiente pode ser relacionado com todas as resistência térmicas no sistema: 1 UA = R t (5) 4/43

Coeficiente Global de Troca de Calor Para um trocador de calor, tem-se É fácil perceber que, Q o = U int A int T (6) Q o = U ext A ext T (7) U ext A ext = U int A int = UA (8) Escrevendo UA em termos das principais resistências de um trocador de calor, tem-se: 1 UA = 1 + h ref A int t ka ml + 1 h fluido A ext (9) 5/43

Superfícies Estendidas As aletas são elementos adicionados aos trocadores de calor para aumentar a transferência de calor pelo aumento de área superficial; São utilizadas quando o fluido é um gás. Modificando a equação 9 para levar em conta aletas, tem-se 1 UA = 1 + h ref A int t ka ml + 1 h aletas (A livre + ηa aletas ) (10) 6/43

Capacidade dos Evaporadores 7/43

Capacidade dos Evaporadores Pela primeira Lei da termodinâmica aplicado ao fluido externo, pode-se escrever uma relação para o calor trocado no evaporador: Q o = ṁ a c p (T ea T sa ) (11) 7/43

Capacidade dos Evaporadores Analisando o evaporador, pode-se expressar a taxa de calor trocado da seguinte forma: Q o = UA T ml (12) U é o coeficiente global de troca de calor; T ml é a temperatura média logaritmica, e é dada por; T ml = T ea T [ sa ] (13) (Tea T o ) ln (T sa T o ) 8/43

Capacidade dos Evaporadores Combinando as equações 11, 12 e 13, tem-se T ea T sa Q o = ṁ a c p (T ea T sa ) = UA [ ] (Tea T o ) ln (T sa T o ) Q o UA(T ea T sa ) = ṁac p UA = 1 [ ] (Tea T o ) ln (T sa T o ) Então, pode-se chegar a: [ ] (Tea T o ) ln = UA (T ( ) ea T o ) UA (T sa T o ) ṁ a c p (T sa T o ) = exp ṁ a 9/43

Capacidade dos Evaporadores Rearranjando as equações, tem-se: ( (T ea T o )exp UA ) = (T sa T o ) = [(T ea T sa ) (T ea T o )] ṁ a Pode-se, então, reescrever a equação acima como: ( (T ea T o )exp UA ) [ ] Q o = (T ea T o ) ṁ a ṁ a c p 10/43

Capacidade dos Evaporadores Isolando Q o, tem-se a seguinte relação final: ( Q o = ṁ a c p [1 exp UA )] (T ea T o ) = F evap (T ea T o ) (14) ṁ a c p Para uma vazão em massa constante, F evap é constante, e Q o é proporcional à diferença de temperatura entre o fluido que entra e o refrigerante; O termo Fevap é chamado de Fator de evaporação, e costuma ser a informação dada em catálogos de evaporadores; A unidade de F evap é [W /K] ou [W / C]. 11/43

Capacidade dos Evaporadores 12/43

Combinação de Compressores e Evaporadores 13/43

Combinação de Compressores e Evaporadores A capacidade frigorífica de um compressor diminui com a diminuição da temperatura de sucção. 13/43

Combinação de Compressores e Evaporadores Por outro lado, a capacidade de refrigeração de um evaporador aumenta com a diminuição da temperatura de sucção. 14/43

Combinação de Compressores e Evaporadores Quando compressor e evaporador estiverem operando simultaneamente, a capacidade, a temperatura e a pressão de sucção são obtidas pela interseção das duas curvas, definindo o ponto 1; As capacidades do compressor e do evaporador devem ser idênticas porque com uma pressão de sucção constante, a massa de refrigerante bombeada pelo compressor é sempre igual à massa vaporizada no evaporador. Lembrar que a capacidade de refrigeração, para uma pressão constante, depende apenas da taxa de massa de refrigerante circulado. 15/43

Combinação de Compressores e Evaporadores Se no lugar da serpentina A fosse conectada ao compressor a serpentina B, a capacidade do sistema (ponto 2) diminuiria de 67kW (ponto 1) para 57kW e a temperatura de sucção no evaporador passaria de 4, 5 C para 0, 5 C; Se a velocidade do compressor é reduzida de 29rps para 14, 5rps: para qualquer pressão, a capacidade do compressor varia diretamente com a rotação. Ao ligar o compressor operando a 14, 5rps à serpentina B, a capacidade e a temperatura de sucção serão aquelas do ponto, isto é 36kW e 6, 3 C. 16/43

Combinação de Compressores e Evaporadores As curvas A e B desta figura podem representar o mesmo evaporador pois esta capacidade é função tanto da temperatura de sucção como da velocidade do ar na entrada. Assim a curva B representaria a capacidade quando a temperatura ou a velocidade forem inferiores às condições representadas pela curva A; Ou seja, se o compressor operar numa velocidade constante, os pontos de operação do sistema serão sempre lidos como os pontos 1 e 2 da figura. 17/43

Combinação de Compressores e Evaporadores Uma forma de controle de capacidade é através da desativação de cilindros pode ser; A curva B representa a capacidade de um compressor de 6 cilindros, 70mmx50mm, operando a 29rps, que para o ponto 1 será de 68kW e 4, 2 C. Supondo que haja uma diminuição da necessidade de refrigeração, retira-se um cilindro de operação, resultando então a curva C. Neste caso a capacidade do evaporador foi reduzida para 61kW e 6, 1 C (ponto 2). 18/43

Combinação de Compressores e Evaporadores Caso existam dois evaporadores com capacidades diferentes (serpentina A e serpentina B) ligadas a um compressor, quando operando simultaneamente o resultado é aquele fornecido pela curva C (ponto 1) e cada serpentina fornecendo uma capacidade conforme pontos 8 e 9. Se a serpentina A for desligada, a capacidade e temperatura do sistema cairão imediatamente para o ponto 2 da curva B; Quando se desliga a serpentina B, poderá ocorrer congelamento da serpentina A porque a temperatura do evaporador cairá abaixo dos 0 C. 19/43

Classificação de Evaporadores 20/43

Classificação de Evaporadores Calssificação quanto ao sistema de alimentação: Evaporadores secos ou de expanção direta; Evaporadores inundados. Classificação quanto ao fluido a refrigerar: Evaporadores para ar; Evaporadores para ĺıquido; Evaporadores de contato. 20/43

Evaporadores Secos ou de Expansão Direta 21/43

Evaporadores Secos ou de Expansão Direta Nestes evaporadores o refrigerante entra no evaporador de forma contínua através de uma válvula de expansão, sendo completamente vaporizado e superaquecido ao ganhar calor em seu escoamento pelo interior dos tubos; São bastante utilizados com fluídos frigoríficos halogenados, especialmente em instalações de capacidades não muito elevadas; Sua principal desvantagem está relacionada com o seu, relativo, baixo coeficiente global de transferência de calor, resultante da dificuldade de se manter a superfície dos tubos molhadas com refrigerante e da superfície necessária para promover o superaquecimento. 21/43

Evaporadores Inundados 24/43

Evaporadores Inundados Nos evaporadores inundados, o ĺıquido, após ser admitido por uma válvula de expansão do tipo bóia, escoa através dos tubos da serpentina, removendo calor do meio a ser resfriado; Ao receber calor no evaporador, uma parte do refrigerante evapora, formando um mistura de ĺıquido e vapor, a qual, ao sair do evaporador, é conduzida até um separador de ĺıquido; O refrigerante no estado de vapor saturado é aspirado pelo compressor, enquanto o ĺıquido retorna para o evaporador; Como existe ĺıquido em contato com toda a superfície dos tubos, este tipo de evaporador usa de forma efetiva toda a sua superfície de transferência de calor, resultando em elevados coeficientes globais de transferência de calor; São muito usados em sistemas frigoríficos que utilizam amônia como refrigerante. 24/43

Evaporadores Inundados Os evaporadores inundados podem ainda ser classificados em: Alimentação por gravidade - Nestes sistemas os separadores de ĺıquido, que podem ser individuais, parciais ou único, alimentam por gravidade todos os evaporadores da instalação; Recirculação de ĺıquido - Nestes sistemas os evaporadores são alimentados com fluído frigorífico ĺıquido, geralmente por meio de uma bomba, em uma vazão maior que a taxa de vaporização; O interior destes evaporadores também sempre contém fluído frigorífico ĺıquido. A relação entre a quantidade de refrigerante que entra no evaporador e a quantidade de refrigerante que evapora devido à carga térmica, é conhecida como taxa de recirculação (f ). f = Vazão de refrigerante Vazão evaporada (15) 26/43

Evaporadores Para Resfriamento de Ar 31/43

Evaporadores Para Resfriamento de Ar Em um evaporador para resfriamento de ar, o fluído frigorífico ao vaporizar no interior de tubos, resfria diretamente o ar que escoa pela superfície externa do trocador de calor; Quanto à circulação do ar, estes evaporadores podem ainda ser classificados em: Evaporadores com circulação natural - Um ventilador ou bomba é utilizado para circular o fluido que está sendo resfriado, fazendo-o escoar sobre a superfície de troca térmica a qual é resfriada pela vaporização do refrigerante; Evaporadores com circulação forçada - o fluido que está sendo resfriado escoa devido às diferenças de massa específica ocasionadas pelas diferenças de temperatura entre as correntes fria e quente. 31/43

Evaporadores Para Resfriamento de Líquidos 34/43

Evaporadores Para Resfriamento de Líquidos Em um evaporador para ĺıquido, este é resfriado e então bombeado para equipamentos remotos, tais como serpentinas de câmaras frigorífica ou fan-coils, onde será utilizado para o resfriamento de uma outra substância ou meio; Os principais tipos de evaporadores para ĺıquidos são: Casco-Tubo (Shell and Tube); Carcaça e serpentina e (Shell and coil); Cascata ou Baudelot; Evaporadores de Placas. 34/43

Casco-Tubo (Shell and Tube) 35/43

Casco-Tubo (Shell and Tube) Este tipo de evaporador é um dos mais utilizados na industria de refrigeração para o resfriamento de ĺıquidos; São fabricados em uma vasta gama de capacidades; Podem ser do tipo: Inundado com alimentação por gravidade; Inundado com recirculação por bomba; Expansão direta. 35/43

Casco-Tubo (Shell and Tube) 36/43

Carcaça e serpentina e (Shell and Coil) 37/43

Carcaça e serpentina e (Shell and Coil) Nestes evaporadores o fluído frigorífico escoa por dentro do tubo, que é dobrado em forma de serpentina, e o ĺıquido circula por fora do mesmo; Pelas dificuldades de limpeza da serpentina, bem como devido ao baixo coeficiente global de transferência de calor, este tipo de evaporador não é muito utilizado. 37/43

Evaporadores Cascata ou Baudelot 38/43

Evaporadores Cascata ou Baudelot Estes evaporadores são utilizados para o resfriamento de ĺıquidos, normalmente água para processo, até uma temperatura em torno de 0, 5 C acima do seu ponto de congelamento; Estes evaporadores são muito utilizados na indústria de bebidas (cervejarias), bem como para o resfriamento de leite; São constituídos de uma série de tubos, montados uns por cima dos outros ou de uma série de placas pararelas, sobre os quais o ĺıquido a resfriar escorre, numa fina peĺıcula, sendo que o refrigerante circula por dentro do tubo ou placa. 38/43

Evaporadores de Placas 41/43

Evaporadores de Placas Este tipo de evaporador está sendo utilizado cada vez mais, devido ao seu elevado coeficiente de transmissão de calor; Pode ser usado com alimentação por gravidade, recirculação por bomba, ou por expansão direta; Estes evaporadores são construídos a partir de lâminas planas de metal interligadas por tubos soldadas à placas. Pode ser feita também de placas rebaixadas ou ranhuras e soldadas entre si, de modo que as ranhuras formem uma trajetória determinada ao fluxo do refrigerante. 41/43

Evaporadores de Placas 42/43

Exemplo 43/43

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 evaporador a 35 C e sai a 20 C. Determine: (a) A capacidade frigorífica do sistema; (b) O coeficiente UA do evaporador; (c) A vazão em massa de ar que passa pelo evaporador; (d) F evap. 43/43