Refrigeração e Climatização

Refrigeração e Climatização

(Parte 1 de 9)

APOSTILA DE REFRIGERAÇÃO E CLIMATIZAÇÃOPROF. DR. JORGE E. CORRÊA
Unidade 1 Introdução: refrigeração e climatização04
1.1 Introdução à refrigeração
1.2 Introdução à climatização
1.3 Relação entre refrigeração e ar condicionado
mecânica de vapor14
2.1 Compressores
2.2 Condensadores
2.3 Evaporadores
2.4 Dispositivos de expansão
2.5 Acessórios
2.6 Refrigerantes primários
2.7 Refrigerantes primários alternativos
2.8 Refrigerantes secundários
Unidade 3 Ciclos de refrigeração por compressão mecânica de vapor51
3.1 Ciclo ideal de refrigeração
3.2 Ciclo ideal com sub–resfriamento e superaquecimento
3.3 Ciclo real por compressão mecânica de vapor
3.4 Ciclo ideal com duas temperaturas de evaporação
3.5 Ciclo ideal de compressão por estágios
Unidade 4 Psicrometria e potenciais em superfície molhada72
4.1 Psicrometria: fundamentos e processos
4.2 Transferência de calor em superfície molhada
Unidade 5 Sistemas e equipamentos de climatização92
5.1 Sistema básico ar condicionado para conforto
5.2 Sistemas multizonas
5.3 Sistemas de água gelada
5.4 Sistemas unitários
5.5 Equipamentos de sistemas de ar condicionado

Unidade 2 Equipamentos, acessórios e fluidos refrigerantes em sistemas de refrigeração por compressão 5.6 Aletas 5.7 Desempenho de serpentinas 5.8 Ventiladores 5.9 Torres de resfriamento 5.10 Condensadores

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5.1 Umidificadores 5.12 Filtros de ar

APÊ1DICES 136

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1) ASHRAE. Handbook of fundamentals. Atlanta-GA, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning

Engineers, 2005. 2) ASHRAE. Handbook of systems and equipment. Atlanta-GA, American Society of Heating, Refrigerating and Air-

Conditioning Engineers, 2000. 3) ASHRAE. Handbook of refrigeration. Atlanta-GA, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning

Engineers, 1994. 4) ASHRAE. Handbook of applications. Atlanta-GA, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning

Engineers, 1999. 5) GOSNEY, W. B. Principles of refrigeration. London, Cambridge University Press, 1982. 6) SAUER Jr, H. J.; HOWELL, R. H. Principles of heating ventilating and air conditioning: a textbook based on 1993

ASHRAE handbook- fundamentals. Atlanta-GA, American Society of Heating, Refrigerating and Air- Conditioning Engineers, 1994. 7) STOECKER, W. F. ; JONES, J. W. Refrigeração e ar condicionado. São Paulo, McGraw-Hill, 1985. 8) WANG, S. K. Handbook of air conditioning and refrigeration. New York, McGraw-Hill, 1994.

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U1IDADE 1 II1TTRROODDUUÇÇÃÃOO:: REFRIGERAÇÃO E CLIMATIZAÇÃO

Nessa unidade, abordaremos os fatos importantes referentes à refrigeração e à climatização, apresentaremos os princípios de funcionamento dos processos mais difundidos de refrigeração artificial, e mostraremos como se integram aos sistemas de climatização.

1.1 Introdução à refrigeração

A refrigeração envolve a redução e manutenção da temperatura de um corpo ou substância abaixo daquela existente em sua vizinhança, e pode ser obtida por meios naturais e artificiais.

Os meios naturais usam substâncias frias encontradas espontaneamente na natureza. No primórdio, o meio natural de refrigeração era o gelo formado em picos de montanhas e do congelamento da superfície de rios e lagos no inverno. A Figura 1.1 mostra uma indústria de gelo, onde placas extraídas da superfície congelada de um rio durante o inverno, eram transportadas e armazenadas para ser usadas na conservação de alimentos e na obtenção de temperaturas agradáveis em residências de alto padrão durante o verão.

Figura 1.1 – Extração de gelo na superfície congelada do rio Hudson (Estados Unidos, 1874).

Em conservação de alimentos, um refrigerador doméstico como o mostrado na Figura 1.2 era de uso comum. O gelo era introduzido por uma tampa superior e acomodava-se sobre uma bandeja. Os perecíveis eram colocados sobre as prateleiras vazadas, que permitiam a movimentação do ar frio por diferença de densidade, e as temperaturas alcançavam entre 6 e 10°C no compartimento refrigerado. Um dreno instalado na parte mais baixa da bandeja de gelo recolhia a água resultante de sua fusão. Redes de distribuição entregavam as pedras de gelo regularmente de porta em porta ou quando eram solicitadas.

Figura 1.2 – Geladeira antiga para conservação de alimentos.

Os meios artificiais reduzem a temperatura de uma substância mediante o consumo de energia sob um princípio de funcionamento característico do tipo de processo de refrigeração. A Tabela 1.1 apresenta um resumo dos processos mais comuns, seus princípios de funcionamento e aplicações típicas. Inicialmente, a refrigeração artificial foi usada para produzir gelo e reduzir a dependência das condições climáticas. Embora os sistemas de expansão de ar, de absorção e de compressão mecânica de vapor estivessem disponíveis, suas utilizações em instalações comerciais e residenciais eram inviabilizadas pelos custos elevados e riscos que representavam aos usuários. Após a Segunda Guerra Mundial (1939– 1945) a indústria da refrigeração consolidou-se. Dois fatores foram determinantes: primeiro, o desenvolvimento, em 1930,

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dos refrigerantes cloro-fluor-carbono (CFC’s) que apresentavam índices baixos de toxicidade e periculosidade, adequados às instalações residenciais e comerciais; segundo, o surgimento do sistema selado de pequeno porte, com baixos custos de aquisição e operação, pois exigia pouca manutenção.

Tabela 1.1 – Processos de refrigeração, princípios de funcionamento e aplicações típicas.

Processos Princípio de funcionamento Aplicações típicas

Compressão mecânica de vapor

Um fluido volátil (refrigerante primário) recebe calor e evapora em baixa pressão e temperatura.

Aparelhos de ar condicionado de janela, refrigeradores domésticos, sistemas comerciais e industriais de grande porte.

Absorção de vapor O vapor de um fluido volátil, absorvido por outro fluido em baixa pressão e temperatura, é destilado da solução sob alta pressão.

Em pequenos refrigeradores domésticos e em instalações de refrigeração e ar condicionado de grande porte.

Efeito termelétrico Uma corrente elétrica atravessa uma junção de dois metais diferentes (efeito Peltier) e produz resfriamento.

Pequenos instrumentos de medição, como os existentes para medir o ponto de orvalho do ar, e equipamentos eletrônicos.

Expansão de ar O ar em alta pressão, sofre expansão adiabática e realiza trabalho sobre um pistão, tem sua temperatura reduzida. Resfriamento de aeronaves.

Ejeção de vapor A passagem de vapor em alta pressão através de um difusor provoca a evaporação da água dentro de um tanque, e reduz sua temperatura.

Sistemas de ar condicionado em navios.

1.1.1 Refrigeração por compressão mecânica de vapor

Vários estudiosos e empreendedores contribuíram para a evolução da refrigeração por compressão mecânica de vapor, seja descobrindo seus princípios físicos e/ou desenvolvendo e construindo equipamentos. O Dr. William Cullen era professor de química na Universidade de Endimburgo e conhecia a sensação de resfriamento que o éter provocava quando evaporava em contato com a pele. Em 1755, ele bombeou o vapor formado dentro de um vaso hermético contendo éter líquido e mergulhado em água. A temperatura no vaso baixava e a água congelava sobre sua superfície externa. Dois princípios sustentavam esse fenômeno:

Todo líquido tende a se transformar em vapor: dentro de um vaso hermético o líquido e seu vapor estão em equilíbrio termodinâmico na pressão de vapor saturado. Se vapor é bombeado a pressão diminui e mais líquido evapora;

Para um líquido evaporar ele deve absorver calor: o calor absorvido pelo líquido na mudança de fase sob pressão constante foi medido por Joseph Black e designado de calor latente, pois não há variação de sua temperatura. Em termos modernos, o calor latente é conhecido como entalpia de mudança de fase. Se uma fonte externa não fornece calor, este é retirado do próprio líquido, que tem sua temperatura reduzida.

Em 1834, Jacob Perkins, foi o primeiro a fazer uma descrição completa do ciclo de refrigeração por compressão mecânica de vapor tal como o conhecemos hoje. A máquina descrita e patenteada por Perkins é mostrada na Figura 1.3. O fluido volátil (éter) evapora ao receber calor da água existente no tanque. A bomba manual aspira e comprime o vapor até uma pressão em que ele possa ceder calor para a água de resfriamento no condensador e liquefazer. O líquido condensado escoa através do dispositivo de expansão, que mantêm a diferença de pressão entre o condensador e o evaporador. A pequena bomba existente acima do dispositivo de expansão serve para reposição da carga de refrigerante. Segundo relatos da época, a máquina de Perkins não despertou qualquer interesse comercial devido ao seu acionamento manual.

Somente em 1857, James Harrison e Daniel Siebe fabricaram a primeira máquina de refrigeração por compressão mecânica de vapor que funcionou. A Figura 1.4 mostra uma dessas máquinas usadas para fabricação de gelo e cristalização de cera de parafina a partir do óleo de xisto. O ponto de ebulição normal do éter (34,5°C) ocorre em pressões de evaporação menores do que a pressão atmosférica. Por isso, há o perigo de entrada de ar no sistema, que misturado ao éter resulta numa mistura potencialmente explosiva. Em compensação, a pressão de condensação não é muita elevada; isso permite construções leves e pouco robustas do condensador.

Em 1870, Carl Von Linde introduziu a amônia (NH3), que se tornou o refrigerante mais importante em instalações de grande porte, depois que algumas limitações mecânicas na construção do condensador foram superadas. Até a temperatura de –33oC as pressões de evaporação eram superiores à pressão atmosférica (1atm = 101,325 kPa). Entretanto, para a condensação era necessária pressão superior a 10 atmosferas, o que encarecia bastante a construção do condensador.

Em 1886, Franz Windhausen de Berlim, introduziu o dióxido de carbono (CO2). A pressão de condensação era elevadíssima − superior a 80 atmosferas − o que exigia condensadores robustos e pesados. Entretanto, devido a seu baixo grau de periculosidade tornou-se o principal refrigerante usado em navegação por mais de 50 anos, só sendo substituído por outros refrigerantes em 1955.

Nos anos 1929−30, Thomas Midgley, coordenou com uma equipe de pesquisadores e obteve um refrigerante bastante promissor, que se tornaria um dos fatores responsáveis pela expansão e consolidação da indústria da refrigeração:

o diclorodifluormetano (CCl2F2), com ponto de ebulição –29,8°C à pressão atmosférica normal, tomou o nome comercial de Freon−12. Esses compostos químicos, derivados do metano e do etano, denominados hidrocarbonetos cloro-fluorados1, eram conhecidos desde o final do século 19; porém, suas propriedades como refrigerante só então foram investigadas.

1 Também denominados cloro-fluor-carbono ou hidrocarbonetos halogenados.

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Figura 1.3 – Máquina de refrigeração por compressão mecânica de vapor, idealizada por Jakob Perkins, conforme patente britânica número 6662 de 1834.

Figura 1.4 – Máquina de refrigeração por compressão mecânica de vapor, usando éter como refrigerante, idealizada por James Harrison e fabricada por Daniel Siebe em 1857.

A Figura 1.5 mostra o esquema do sistema de refrigeração por compressão mecânica de vapor. Os componentes principais são: evaporador, compressor, condensador e dispositivo de expansão. No evaporador, a mistura líquido−vapor em baixa pressão remove calor da substância que se quer resfriar. Essa transferência de calor faz com que o líquido evapore. O compressor aspira vapor formado no evaporador, numa taxa suficiente para manter a pressão de evaporação, e o comprime até que sua temperatura seja maior do que a do fluido de resfriamento que escoa no condensador. No condensador, o vapor refrigerante rejeita calor para o fluido de resfriamento e liquefaz na pressão de condensação correspondente. No dispositivo de expansão, a pressão do líquido é reduzida até a pressão de evaporação para que ele possa ser reaproveitado no ciclo. O dispositivo de expansão é um controle de fluxo do refrigerante, que mantém a diferença de pressão entre o condensador (lado de alta pressão) e o evaporador (lado de baixa pressão) do sistema.

Figura 1.5 – Esquema do sistema de refrigeração por compressão mecânica de vapor.

A compressão mecânica de vapor é um método eficiente para obter refrigeração artificial, porém: (a) a energia necessária à compressão geralmente é fornecida por um motor elétrico, que consome energia relativamente cara; (b) aumentar a pressão do refrigerante à custa da redução do volume de vapor requer uma quantidade de trabalho relativamente grande. Por isso, surgiram outros métodos artificiais de refrigeração.

1.1.2 Refrigeração por absorção de vapor

Uma forma de remover o vapor da superfície de um líquido é absorvendo−o por meio de uma substância com a qual ele reaja quimicamente e nela se dissolva facilmente: o vapor d’água é absorvido rapidamente pelo ácido sulfúrico. Este princípio foi usado em 1810 por John Leslie para produzir gelo artificialmente. Ele usou dois vasos conectados por um tubo: um contendo água e o outro ácido sulfúrico forte. Com o passar do tempo uma fina camada de gelo formava−se na superfície da água: a água evaporava pela redução da pressão de vapor sobre ela, que removia entalpia de vaporização do

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restante que permanecia líquido; a temperatura caía e a água congelava. Uma bomba de vácuo podia ser usada para remover o vapor formado e acelerar o processo.

O método de Leslie tornou–se a base de várias máquinas comerciais para fabricação de pequenas quantidades de gelo. Entretanto, havia a necessidade de recargas periódicas de ácido sulfúrico. Para operar ininterruptamente havia necessidade de aspiração contínua de ácido sulfúrico do recipiente, de modo que a solução fosse concentrada por ebulição. Um equipamento desse tipo foi projetado por Windhausen em 1878 e obteve algum sucesso comercial, porém, nunca foi muito popular. Era usado para fabricar gelo e resfriar água. Neste sistema, a água atuava como refrigerante; o ácido sulfúrico era denominado absorvente. A Figura 1.6 mostra o esquema e os principais componentes do sistema de absorção. Comparando as Figuras 1.5 e

1.6, verifica−se que o condensador, o evaporador e a válvula de expansão existem em ambos os sistemas. Entretanto, o compressor é substituído por um conjunto composto de absorvedor, bomba de solução forte, trocador de calor e gerador. Esse conjunto retira o vapor em baixa pressão do evaporador e o entrega em alta pressão no condensador, tal qual faz o compressor. O absorvedor é alimentado com a solução fraca de água–amônia que absorve o vapor de amônia. A absorção da amônia pela água é um processo que libera grande quantidade de calor, e, se nenhum resfriamento for providenciado, a temperatura aumenta e o processo de absorção cessa. Geralmente, a mesma água usada para resfriar o condensador resfria antes o absorvedor, vinda de uma torre de resfriamento. A solução forte, formada no absorvedor, tem sua pressão elevada pela bomba e é descarregada no gerador depois de passar no trocador de calor. No gerador, a solução forte é aquecida e o vapor produzido é então retificado para que amônia quase pura seja descarregada no condensador. A solução fraca que é formada está quente. Por isso, um trocador de calor é interposto entre o gerador e o absorvedor a fim de aquecer a solução forte até a temperatura do gerador e resfriar a solução fraca até a temperatura do absorvedor. Para manter a diferença de pressão entre o gerador e o absorvedor é instalada uma válvula na tubulação da solução fraca um pouco antes da entrada do líquido no absorvedor.

Figura 1.6 – Principais componentes do sistema de refrigeração por absorção.

Em 1860, Ferdinand Carré construiu com sucesso um sistema de absorção de vapor que funcionava continuamente, como o mostrado na Figura 1.7, onde a amônia é o refrigerante e a água o absorvente. A água tem grande afinidade química com o vapor de amônia e o absorve com facilidade. Portanto, se o evaporador é conectado a um circuito de água que a coloca em contato direto com o vapor de amônia este é absorvido e sua pressão é reduzida. A entalpia de evaporação da amônia pode ser então usada para refrigeração de outras substâncias. A solução forte de água–amônia, formada no absorvedor, é bombeada para o gerador onde é destilada e retificada sob pressão na qual vapor de amônia condensa ao ceder calor para o meio externo. O processo de retificação permite obter vapor de amônia quase puro; entretanto, não é água pura o que retorna ao absorvedor e sim uma solução fraca de amônia dissolvida em água.

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