Refrigeração e Ar Condicionado

Refrigeração e Ar Condicionado Sistemas de Múltiplos Estágios 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 1/42

Introdução 2/42

Introdução O sistema de um estágio de compressão mecânica visto até agora, é adequado para operar quando as relações entre as temperaturas do condensador e do evaporador são relativamente pequenas, entre 50 e 60 C; Inúmeras aplicações exigem diferenciais de temperaturas maiores como, por exemplo: Sistemas para congelamento de alimentos, operando com temperaturas de vaporização entre -30 a -40 C; Aplicações na indústria química, com temperaturas de vaporização em torno de 100 C; Liquefação de gás natural, com T o na faixa de 160 C; Aplicações de bomba de calor, com temperatura de condensação próxima de 70 C. 2/42

Introdução Quando a diferença entre as temperaturas de condensação e evaporação é muito elevada o sistema torna-se ineficiente; 3/42

Introdução Efeito da variação do COP com o aumento da temperatura de condensação. 4/42

Introdução Efeito da variação do COP com a diminuição da temperatura de evaporação. 5/42

Introdução À medida que a temperatura do evaporador diminui ou que a temperatura no condensador sobe: Redução da capacidade de refrigeração; As perdas no processo de estrangulamento aumentam; As perdas pelo superaquecimento aumentam; A temperatura na descarga no compressor aumenta; O título do refrigerante na entrada do evaporador aumenta; ; O volume específico na entrada do compressor aumenta, com redução do rendimento volumétrico do compressor; Problemas de resfriamento e de lubrificação do compressor; A relação entre as pressões também aumenta. O aumento da relação de compressão não só reduz o rendimento volumétrico do compressor como acarreta a elevação da temperatura de descarga, responsável pela carbonização do óleo e corrosão das válvulas, diminuindo a vida útil do compressor. 6/42

Introdução A solução para os problemas apresentados é a utilização de sistemas de compressão com múltiplos estágios; Essa solução implica no aumento do custo inicial da instalação quando comparado com um sistema de um único estágio; Por sua vez, este sistema requer menor potência do que um único compressor e frequentemente a economia na potência justifica o custo do equipamento extra; Os sistemas de estágios múltiplos podem ser classificados em: 1. Sistemas de múltiplos compressores (múltiplos estágios) com um único refrigerante; 2. Sistemas combinados; 3. Ciclo em cascata utilizando dois ou mais circuitos com diferentes refrigerantes. 7/42

Resfriamento Intermediário 8/42

Resfriamento Intermediário O resfriamento intermediário é um processo normalmente adotado em instalações de múltiplos estágios de compressão; Sua função é reduzir a temperatura do vapor na saída de um estágio antes de ser aspirado pelo compressor do estágio seguinte; Através da redução de sua temperatura, reduz-se também o volume específico do refrigerante. 8/42

Resfriamento Intermediário O subresfriamento do vapor pode ser obtido usando um trocador de calor resfriado por água ou ar. 9/42

Resfriamento Intermediário Por Injeção de Líquido 10/42

Resfriamento Intermediário Uma forma mais efetiva de realizar o resfriamento intermediário é através da injeção de refrigerante ĺıquido no vapor entre os estágios; Nesse processo, a temperatura do vapor pode ser reduzida até a temperatura de saturação, dependendo da quantidade de ĺıquido injetado; A injeção de ĺıquido afeta o COP do ciclo, pois o refrigerante ĺıquido utilizado para o desuperaquecimento é perdido uma vez que não produzirá efeito de refrigeração no evaporador; 10/42

Resfriamento Intermediário O resfriamento intermediário não reduz somente o trabalho de compressão, mas também reduz, de maneira mais importante, a temperatura na descarga do compressor, melhorando a lubrificação e aumentando sua vida útil; A diminuição do trabalho de compressão não ocorre com todos os refrigerantes; No caso da amônia (R-717) o resfriamento intermediário reduz a potência de compressão enquanto que para o R-22 aumenta; O maior benefício obtido pelo resfriamento intermediário é a redução da temperatura de descarga do refrigerante na saída do compressor. 11/42

Remoção do Vapor de Flash 12/42

Remoção do Vapor de Flash À medida que a temperatura do evaporador diminui para uma temperatura de condensação constante, a irreversibilidade associada ao processo de expansão aumenta; O vapor formado no processo de estrangulamento é chamado vapor de flash. Também pode ser verificada que a fração de vapor na saída do dispositivo de expansão torna-se elevada; 12/42

Remoção do Vapor de Flash A função do vapor de flash no evaporador pouco ou nada contribui para a troca térmica, pois já se encontra na fase vapor; Uma forma de reduzir a irreversibilidade do processo de expansão é realizar uma expansão fracionada. 13/42

Expansão Fracionada 14/42

Expansão Fracionada Uma forma de aumentar o COP do sistema é remover o vapor de flash tão logo seja formado, evitando sua entrada no evaporador; A remoção contínua desse vapor é um processo feito a uma pressão intermediária em equipamento chamado separador de ĺıquidos; A eliminação deste vapor é realizada através de uma expansão desde a pressão do condensador até uma pressão intermediária onde este vapor é separado do ĺıquido sendo conduzido a um segundo compressor (de alta) (evitando sua passagem no evaporador) 14/42

Expansão Fracionada A expansão em um sistema tradicional de refrigeração seria de 1 para 2; Do ponto 2 a 7 seria vaporizado o ĺıquido restante na mistura ĺıquido-vapor; Em vez de expandir o ĺıquido até o ponto 2 pelo processo 1-2, pode-se expandir o refrigerante até o ponto 3, então separar o ĺıquido do vapor e continuar a expansão só do ĺıquido; O vapor separado é mantido à pressão do ponto 3 e é encaminhado ao compressor de alta. 15/42

Expansão Fracionada O ĺıquido que foi separado no ponto 3 é expandido no processo 4-5; Em sequência, a mistura ĺıquido-vapor resultante passa pelo evaporador; O separador de ĺıquido é o equipamento que realiza a tarefa de separar o vapor do ĺıquido; A separação no separador ocorre quando a velocidade do vapor ascendente é baixa o suficiente para permitir que as gotículas de ĺıquido retornem ao tanque. 16/42

Expansão Fracionada Como vantagens mais importantes do processo de expansão fracionada, pode-se citar: Redução da potência total de compressão; Aumento da capacidade de refrigeração para uma dada taxa deslocamento do compressor; Assim, o compressor de baixa pressão pode ser menor, reduzindo seu custo inicial. 17/42

Sistema Combinado Expansão Fracionada e Resfriamento Intermediário 18/42

Sistema Combinado Expansão Fracionada e Resfriamento Intermediário A mistura do vapor proveniente do tanque separador com o vapor proveniente do compressor do primeiro estágio ocasiona algum desuperaquecimento; Mas esse desuperaquecimento do vapor que entra no segundo estágio de compressão não será suficiente para aqueles refrigerantes que apresentem elevada temperatura de descarga, como é o caso da amônia; Para esse refrigerante, o vapor do refrigerante proveniente do compressor do primeiro estágio é borbulhado, no refrigerante ĺıquido presente no tanque separador (que também é o tanque resfriador intermediário); 18/42

Sistema Combinado Expansão Fracionada e Resfriamento Intermediário O processo de borbulhamento se caracteriza por uma elevada área de contato entre o vapor e o ĺıquido, permitindo um resfriamento eficiente do vapor até, aproximadamente, a temperatura do ĺıquido do tanque; A temperatura do ĺıquido nesse tanque corresponde à temperatura de saturação na pressão intermediária. 19/42

Sistema Combinado Expansão Fracionada e Resfriamento Intermediário Deve-se lembrar que o subresfriamento intermediário utilizando o ĺıquido na pressão intermediária no tanque de resfriamento não reduz necessariamente o trabalho de compressão para todos os refrigerantes; Isso vem do fato que o calor rejeitado no tanque de resfriamento pelo vapor que está sendo resfriado gera vapor adicional nesse tanque que será comprimido pelo compressor no estágio de alta pressão; Esse incremento de massa de vapor de refrigerante aumentará a potência mecânica necessária. Para que exista economia de energia pela introdução do resfriamento intermediário é necessário que a redução do trabalho específico de compressão compense o aumento de massa de refrigerante que será comprimida, o que depende das características de cada refrigerante. 20/42

Sistema Combinado Expansão Fracionada e Resfriamento Intermediário 21/42

Sistema Combinado Expansão Fracionada, Resfriamento Intermediário e Subresfriamento na Saída do Condensador 22/42

Sistema Combinado Expansão Fracionada, Resfriamento Intermediário e Subresfriamento na Saída do Condensador Quando não é possível posicionar o tanque separador perto do evaporador, diversos problemas operacionais podem ocorrer, como O ĺıquido que sai do tanque separador é saturado e, em função da perda de pressão na linha ou em função da transferência de calor do ambiente, poderá parcialmente vaporizar; Esse vapor afetará o desempenho do segundo dispositivo de expansão que poderá reduzir a passagem da vazão mássica de refrigerante necessária, subalimentando o evaporador. 22/42

Sistema Combinado Expansão Fracionada, Resfriamento Intermediário e Subresfriamento na Saída do Condensador Uma solução para esse problema é substituir o tanque separador por um trocador de calor, onde o ĺıquido proveniente do condensador é subresfriado pela vaporização de parte do refrigerante na pressão intermediária; Nesse ciclo, o ĺıquido passa através da serpentina de subresfriamento, diminuindo sua temperatura do estado 5 para o estado 6; 23/42

Sistema Combinado Expansão Fracionada, Resfriamento Intermediário e Subresfriamento na Saída do Condensador A desvantagem desse sistema, além do custo maior, é que a temperatura do ĺıquido que deixa a serpentina de subresfriamento é, inevitavelmente, maior que a do ĺıquido que deixaria o tanque separador. 24/42

Sistema Combinado Expansão Fracionada, Resfriamento Intermediário e Evaporador Inundado 25/42

Sistema Combinado Expansão Fracionada, Resfriamento Intermediário e Evaporador Inundado Existem diversos métodos de alimentar o evaporador com o fluido refrigerante: Expansão direta - O refrigerante proveniente do condensador é alimentado através de um dispositivo de expansão; Evaporador inundado - nesse caso, o evaporador é alimentado exclusivamente por refrigerante ĺıquido proveniente de um tanque separador. 25/42

Sistema Combinado Expansão Fracionada, Resfriamento Intermediário e Evaporador Inundado 26/42

Múltiplos Evaporadores e Ciclos em Cascata 27/42

Introdução Muitas vezes, a instalação frigorífica deve servir a aplicações diversas, que exigem distintas temperaturas de operação; Por exemplo, uma fábrica de alimentos congelados pode requerer dois evaporadores a temperaturas diferentes, um a 30 C para o congelamento do alimento e outro a 7 C para o armazenamento do alimento ou para resfriamento de ambientes. Uma alternativa simples seria a utilização de dois sistemas independentes, cada um atendendo uma temperatura de evaporação; Essa alternativa não é economicamente interessante em função dos elevados custos iniciais dos dois sistemas. Uma outra opção seria utilizar um sistema de refrigeração utilizando um compressor e dois evaporadores, ambos operando na temperatura mais baixa ( 30 C). 27/42

Introdução 28/42

Introdução A operação de um evaporador a 30 C para resfriar o espaço a 7 C é, termodinamicamente, bastante ineficiente, pois as irreversibilidades aumentam com o aumento da diferença de temperatura na transferência de calor; Além disso, uma temperatura tão reduzida no evaporador com elevada diferença de temperatura em relação ao espaço a refrigerar produziria uma taxa de remoção de umidade do ar extremamente elevada; Depositando essa humidade na superfície do evaporador com formação de neve, obstruindo rapidamente a passagem do ar; Para o caso de resfriamento de ĺıquido, poderia provocar seu congelamento. 29/42

Sistemas Com Múltiplos Evaporadores e Um Único Compressor, Com Válvula de Redução de Pressão 30/42

Sistemas Com Múltiplos Evaporadores e Um Único Compressor, Com Válvula de Redução de Pressão É um sistema de duas temperaturas de evaporação distintas com apenas um compressor; Esse sistema utiliza válvulas de expansão individuais e uma válvula reguladora de pressão para reduzir a pressão correspondente ao evaporador de temperatura mais elevada até a pressão de aspiração do compressor; A VRP também serve para manter a pressão desejada no evaporador de maior temperatura. 30/42

Sistemas Com Múltiplos Evaporadores e Um Único Compressor, Com Válvula de Redução de Pressão 31/42

Sistemas Com Múltiplos Evaporadores e Um Único Compressor, Com Válvula de Redução de Pressão Comparando-se esse sistema com o anterior, pode-se notar que há uma grande vantagem principalmente em função do incremento do efeito de refrigeração (h 6 h 4 ) contra (h 7 h 5 ou h 1 h 4 ); Essa vantagem, no entanto, é contrabalançeada pelo elevado trabalho de compressão necessário para operar o compressor desde a região de superaquecimento (estado 1); Apesar de não haver uma melhora da eficiência em relação ao ciclo anterior, esse último é ainda vantajoso pois permite uma melhor operação do evaporador de temperatura mais elevada. 32/42

Sistemas Com Múltiplos Evaporadores e Um Único Compressor, Com Válvula de Redução de Pressão e Separação do Vapor de Flash 33/42

Sistemas Com Múltiplos Evaporadores e Um Único Compressor, Com Válvula de Redução de Pressão e Separação do Vapor de Flash O ciclo pode ser aprimorado um pouco, separando-se o vapor de flash formado durante a expansão entre a pressão do condensador e a pressão do evaporador a temperatura mais elevada (estado 4); Dessa forma consegue-se aumentar o efeito de refrigeração de evaporador de temperatura mais baixa; 33/42

Sistemas Com Múltiplos Evaporadores e Um Único Compressor, Com Válvula de Redução de Pressão e Separação do Vapor de Flash 34/42

Sistemas Com Múltiplos Evaporadores, Múltiplos Estágios, Remoção do Vapor de Flash e Resfriamento Intermediário 35/42

Sistemas Com Múltiplos Evaporadores, Múltiplos Estágios, Remoção do Vapor de Flash e Resfriamento Intermediário Esse sistema é adequado para elevadas diferenças de temperatura entre evaporador e condensador e com diferentes cargas térmicas em cada um dos evaporadores; A temperatura no evaporador 2 é a mesma do ĺıquido no tanque separador; O vapor superaquecido proveniente do compressor de baixa é resfriado até a saturação no tanque resfriador intermediário; Neste caso, a pressão intermediária não pode ser livremente fixada, uma vez que o seu valor está intimamente associado à aplicação de alta temperatura. 35/42

Ciclo em cascata 38/42

Ciclo em cascata Nos sistemas em que o mesmo refrigerante passa pelos estágios de baixa e alta pressão, valores extremos de pressão e volume específico podem causar problemas; Por exemplo, quando a diferença das temperaturas limites do ciclo atinge valores elevados (T C T o > 100 C), verifica-se que: Se a escolha for de um fluido com alto ponto de ebulição (à pressão atmosférica), ao trabalhar em temperaturas muito baixas, sua pressão ficará muito abaixo da atmosférica no evaporador, podendo promover a admissão de ar e umidade através de aberturas na tubulação de; R-717 (amônia) - Apresenta ponto de ebulição igual a 33, 3 C; Trabalhando no evaporador a 50 C, sua pressão é de 40, 81kPa, abaixo da pressão atmosférica. 38/42

Ciclo em cascata Se a escolha for de um fluido com baixo ponto de ebulição, a pressão no evaporador será adequada, mas a pressão no condensador será muito alta, a ponto de exigir vasos e tubulação de paredes reforçadas, acarretando problemas de segurança, além do custo do equipamento. R-744 (dióxido de carbono)- Apresenta ponto de ebulição igual a 78, 5 C; Trabalhando a 50 C no evaporador sua pressão será de 682, 84kPa, e sua pressão no condensador será muito alta, acima do ponto crítico. Para evitar estes inconvenientes, é interessante a repartição do ciclo de refrigeração em duas etapas, adotando-se dois fluidos refrigerantes independentes, um para a zona de baixa pressão e o outro para a de alta pressão. 39/42

Ciclo em cascata 40/42

Ciclo em cascata Em um sistema tipo cascata, uma série de refrigerantes com pontos de ebulição progressivamente menores são utilizados em sistemas de simples estágio; O condensador do estágio mais baixo está acoplado ao evaporador do estágio superior e assim sucessivamente; O componente onde o calor de condensação do estágio mais baixo é suprido para a vaporização do refrigerante no nível acima é chamado de condensador cascata; Os dois refrigerantes estão termicamente acoplados no condensador cascata; A seleção desses refrigerantes deve atender às suas características pressão-temperatura. 41/42

Ciclo em cascata Como vantagens principais do uso destes sistemas pode-se citar: Como cada cascata utiliza um refrigerante distinto é possível selecionar refrigerantes adequados para cada faixa de variação de temperatura. Pressões muito baixas ou muito elevadas podem ser evitadas para um único refrigerante; A migração de óleo lubrificante de um compressor para outro é evitada. As aplicações desses ciclos são: Liquefação de vapores de petróleo; Liquefação de gases industriais; Fabricação de gelo seco; Congelamento a baixíssimas temperaturas. 42/42