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Elementos de Refrigeração II

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Tópicos: Fluido Refrigerante | Processo de Compressão | Refrigeração por Absorção |

1) Fluido Refrigerante

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Propriedades físicas, químicas e outras restringem o universo das substâncias fluidas que podem ser usadas em circuitos de refrigeração. Os seguintes atributos são desejáveis para um fluido refrigerante:

• não tóxico e não inflamável.

• alto calor de vaporização para minimizar a quantidade de refrigerante e o tamanho do equipamento.

• baixo volume específico no estado vapor para minimizar o tamanho do compressor.

• baixo calor específico no estado líquido para minimizar a transferência de calor no sub-resfriamento do líquido condensado.

• baixa pressão de na temperatura de condensação projetada para evitar compressores de alta pressão.

• pressão de evaporação maior que a da atmosfera para evitar entrada de ar em caso de vazamento.

Os primeiros fluidos refrigerantes usados foram amônia, dióxido de enxofre, cloreto de metila e cloreto de metileno. Desses, somente amônia continua em uso atualmente. A amônia é o fluido de maior efeito refrigerante, mas com desvantagens: é tóxica e inflamável sob certas condições. Por isso, o seu uso é limitado a instalações de grande porte, onde o fator energético é importante e em geral há procedimentos de segurança e pessoal especializado na operação dos equipamentos. O risco e a incompatibilidade com certos materiais impedem o emprego em aparelhos domésticos, ar condicionado e similares.

Por volta de 1930 foram introduzidos os compostos de cloro, flúor e carbono (CFC). Além de propriedades térmicas adequadas, não apresentam toxidade e não são inflamáveis. Também foram amplamente usados em alguns processos industriais. Seguem algumas características de tipos mais usados desde então (o fluido refrigerante é designado pela letra R seguida de um número que o identifica).

• R-11 (CCl3F): ebulição 23,7 °C a 1 atm. Apresenta alta temperatura de evaporação e moderada temperatura de condensação. Usado em grandes instalações de resfriamento de água com compressores centrífugos.

• R-12 (CCl2F2):ebulição −29,8 °C a 1 atm. Baixa temperatura de evaporação e moderada temperatura de condensação. Empregado em uma variedade de equipamentos, desde refrigeradores domésticos até instalações de médio e grande porte com compressores centrífugos.

• R-22 (CHClF2): ebulição −40,8 °C a 1 atm. Baixa temperatura de evaporação e moderada temperatura de condensação. Amplamente empregado em instalações comerciais e industriais e em ar condicionado.

• R-502 (CHClF2 48,8% + C2ClF5 51,2%): ebulição −45,6 °C a 1 atm. É uma mistura azeotrópica (a temperatura de ebulição é única, como se fosse uma só substância. Em misturas zeotrópicas, a ebulição ocorre em uma faixa de temperaturas). Usado em pequenos equipamentos, comerciais e industriais, de baixas temperaturas.

• R-717 (amônia NH3): ebulição −33,3 °C a 1 atm. Baixa temperatura de evaporação e moderada temperatura de condensação. Usado em instalações de grande porte (fabricação de gelo, armazéns frigoríficos, refrigeração industrial, pistas de patinação, etc).

Na década de 1970, foi observado que CFC era o maior responsável pela redução da camada de ozônio na estratosfera, que protege a Terra contra radiações ultravioletas. Acordos e convenções internacionais foram estabelecidos para eliminar progressivamente o uso do CFC. Foram desenvolvidos compostos à base de hidrogênio, cloro, flúor e carbono (HCFC), que são menos nocivos para a camada de ozônio e, por isso, incluídos numa fase intermediária de transição. A transição final deverá ser para compostos de hidrogênio, flúor e carbono (HFC), que não interferem com o ozônio. Mas contribuem para o efeito estufa (aquecimento global), embora em menor escala que o CFC.

Aparentemente, alternativas ecologicamente limpas são a amônia e compostos de hidrogênio e carbono (HC), que também têm boas propriedades termodinâmicas. Conforme dito, amônia é tóxica e inflamável sob certas condições. Compostos de HC são altamente inflamáveis. Tudo isso limita o emprego.

• Interação com óleo e água: fluidos refrigerantes em geral absorvem certa quantidade do óleo de lubrificação do compressor. Portanto, uma parte do óleo circula pelo circuito. Se a quantidade for excessiva, há prejuízo para o funcionamento. Quando o equipamento está desligado, a menor temperatura do óleo lubrificante favorece sua absorção pelo fluido refrigerante. Em instalações de médio e grande porte, é comum o uso de resistências elétricas para manter o óleo aquecido quando o equipamento não opera. O óleo pode também ser arrastado em forma de gotículas devido ao fluxo no compressor. Separadores de óleo na saída do compressor podem ser instalados para minimizar o problema.

A amônia tem grande afinidade por água e, portanto, uma pequena quantidade infiltrada não deve trazer problemas. Demais fluidos normalmente não dissolvem água e sua entrada pode provocar congelamentos internos e corrosão. É comum o emprego de dispositivos secadores que removem a umidade pela ação de um agente dessecante (sílica-gel e outros).

• Interação com materiais: cobre e latão são bastante usados em circuitos de refrigeração devido à boa condutividade térmica, resistência à corrosão, facilidade de conformação e soldagem. Não podem ser usados com amônia, pois ela reage com metais não ferrosos.


2) Processo de Compressão

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Conforme princípios da Termodinâmica, relações entre volumes, pressões e temperaturas para mudança de condições térmicas de um gás (considerado ideal) entre dois pontos genéricos 1 e 2 são dadas por:

$$\frac{v_1}{v_2} = \left(\frac{p_2}{p_1}\right)^{1/n} = \left(\frac{T_2}{T_1}\right)^{1/(n-1)} \tag{2A}$$
Os processos práticos de compressão podem ser considerados adiabáticos, isto é, sem troca de calor com o meio externo. Neste caso, o parâmetro n da fórmula anterior é dado por:

$$n = \frac{c_p}{c_v} \tag{2B}$$
Onde cp e cv são respectivamente os calores específicos sob pressão e volume constantes (ar n = 1,4 | amônia n = 1,3 | R-22 n = 1,2).

O gráfico no centro da Figura 2-I representa um ciclo de compressão. Portanto, a fórmula e parâmetro n anteriores valem para as transformações 12 e 34 (compressão e expansão).

As transformações 23 e 41 são isobáricas e, nesse caso, vale:

$$\frac{v_2}{v_3} = \frac{T_2}{T_3}\\ \frac{v_4}{v_1} = \frac{T_4}{T_1} \tag{2C}$$
O esquema da figura é de um compressor alternativo. As mesmas considerações são válidas para outros tipos. Em 1, o pistão está no ponto morto inferior e ambas as válvulas fechadas. O gás é comprimido de forma adiabática até 2, quando a válvula de escape é aberta e escoa de forma isobárica pelo movimento do pistão até o ponto 3 (ponto morto superior). Nesse instante a válvula de escape é fechada. O gás contido no espaço entre o ponto morto superior e o cabeçote do cilindro se expande até o ponto 4, quando a pressão no interior do cilindro se iguala à pressão da linha de sucção, a válvula de admissão é aberta e o gás é admitido de forma isobárica até o pistão chegar no ponto morto inferior 1, quando a válvula de admissão é fechada e o ciclo reiniciado.

Processo de Compressão
Fig 2-I

Para um compressor alternativo, o deslocamento volumétrico V (em metros cúbicos por hora) é dado por:

$$V = \tfrac{\pi}{4} D^2\ L\ N\ 60\ n_c \tag{2D}$$
Onde D é o diâmetro interno do cilindro em metros, L é o comprimento entre as posições 1 e 2 em metros, N é o número de rotações por minuto e nc é o número de cilindros. E a potência teórica em quilowatts necessária para a compressão é dada por:

$$P = 0,000278 \frac{(h_B -h_A) V}{v} \tag{2E}$$
Onde hA e hB são as entalpias de entrada e saída do gás em kJ/kg conforme tópico Ciclo no Diagrama, V é o deslocamento volumétrico em m3/h e v é o volume específico do gás na entrada em m3/kg. Esses valores são teóricos e os reais são sempre mais desfavoráveis. O deslocamento volumétrico V deve ser multiplicado por um fator menor que 1, que depende das características do compressor (em geral, na faixa de 0,6 a 0,9). A potência P deve ser dividida por um fator menor que 1, que depende da eficiência mecânica do compressor (em geral, na faixa de 0,4 a 0,7).


3) Refrigeração por Absorção

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O compressor mecânico não é o único meio de se manter um ciclo de refrigeração. O sistema de absorção usa a energia térmica de uma fonte de calor (exemplo: vapor ou queima direta de um combustível). Há necessidade de dois fluidos: o fluido refrigerante, que efetivamente remove calor do meio desejado por evaporação e o fluido absorvente, que deve absorver vapor do refrigerante em baixas temperaturas e ser menos volátil do que este, de forma a liberar vapor de refrigerante por aquecimento. A Figura 3-I dá um esquema básico. Além da fonte de calor (vapor, no caso), existe necessidade de água de resfriamento (torre, por exemplo) nos locais indicados.

A análise começa pela entrada do condensador, que recebe vapor do fluido refrigerante. Este, por sua vez, é condensado pela serpentina de água de resfriamento. O refrigerante condensado se expande na passagem pela válvula redutora de pressão (tipo válvula de expansão do ciclo anterior) e, no condensador, troca calor com o meio a resfriar (serpentina de água gelada).

Refrigeração por Absorção
Fig 3-I

Depois da troca de calor, o vapor do refrigerante passa para o absorvedor, onde é dissolvido pela solução de absorvente. Essa passagem ocorre porque a pressão de valor da solução de absorvente e refrigerante é menor do que a pressão no evaporador. Para manter essa condição, é necessário um resfriamento da solução absorvente, uma vez que a dissolução do refrigerante implica redução de volume e, portanto, aquecimento.

No absorvedor, a solução de refrigerante e absorvente tem a maior concentração de fluido refrigerante e, por isso, é chamada de solução forte.

A bomba de recirculação mantém um fluxo contínuo de solução refrigerante e absorvente entre o absorvedor e o gerador. Neste último, o aquecimento evapora o refrigerante que, por aumento de pressão, se dirige ao condensador e reinicia o ciclo.

Equipamentos de refrigeração por absorção podem ser alternativa quando se dispõe de fontes residuais de calor, oriundas de processos, que, de outra forma, não seriam aproveitadas. Ou em casos de oferta insuficiente de energia elétrica para acionamento dos compressores do ciclo convencional. Em geral são usadas para fornecer água gelada para condicionamento de ar. Nessa aplicação, normalmente são usados água e solução de brometo de lítio como refrigerante e absorvente respectivamente. A solução pode ser facilmente tratada para o descarte e não prejudica a camada de ozônio nem provoca efeito estufa como os gases do ciclo convencional. Mas os equipamentos são mais volumosos e mais caros.
Referências
Bouché, Ch. Leitner, A. Sans, F. Dubbel - Manual da Construção de Máquinas. São Paulo, Hemus, 1979.
Dossat, R. Princípios de Refrigeração. São Paulo, Hemus, 1980.
Yamane E. Saito H. Tecnologia do Condicionamento de Ar. São Paulo, Edgard Blücher, 1986.

Topo | Rev: Mai/2008