Sistemas de refrigeração Industrial

Sistemas de refrigeração Industrial

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RELATÓRIO DE AVALIAÇÃO DE ESTÁGIO CEFET-MG – ELETROMECÂNICA 2007

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Relatório de Avaliação de Estágio

- Refrigeração Industrial -

Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais – CEFETMG General Mills do Brasil Ltda. Miquéias Carlos Rodrigues Alves – Eletromecânica – ELM-2NA

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1. INTRODUÇÃO:8
2. CONCEITOS BÁSICOS:9
VAPOR9
3.1 Ciclo teórico de refrigeração por compressão de vapor10
3.2 Ciclo real de compressão de vapor1
4 SISTEMAS MULTIPRESSÃO13
4.1 Vantagens do sistema multipressão14
4.2 Ciclos de compressão de vapor multipressão16
6 SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO23
6.1 Componentes dos Sistemas de Refrigeração23
6.1.1 Separador de líquido23
6.1.2 Separador-resfriador de líquido24
6.1.3 Resfriamento entre estágios25
6.1.4 Compressores26
6.1.4.1 Compressores alternativos27
6.1.4.2 Compressor parafuso30
6.1.4.3 Compressor de palhetas3
6.1.4.4 Compressores centrífugos34
A. Controle de capacidade36
6.1.4.5 Compressores Scroll36
A. Princípio de funcionamento37
6.1.5 Condensadores39

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A. Condensadores resfriados a Ar40
B. Condensadores resfriados a água41
C. Condensador duplo tubo41
D. Condensador carcaça e serpentina (Shell and Coil)42
E. Condensador carcaça e tubo (Shell and tube)43
F. Condensador de placa4
G. Condensadores evaporativos4
6.1.5.2 Comparação entre os tipos de condensadores45
6.1.6 Reservatórios de Líquidos46
6.1.7 Evaporadores48
6.1.7.1 Evaporador seco (ou de expansão direta)48
6.1.7.2 Evaporadores inundados49
6.1.8 Fluido Refrigerante50
7 CONCLUSÃO61

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LISTA DE FIGURAS Figura 1.01 - Ciclo teórico de refrigeração por compressão de vapor12

refrigeração13
Figura 1.03 - Sistema multipressão de refrigerante: amônia15
estágios16
liquido e trocador de calor economizador17
resfriador de liquido e trocador de calor economizador17
utilização com R2218
(Multiplex)19
Figura 1.09 - Compressores em paralelo - equalização de óleo21
Figura 1.10 - Sistema frigorífico típico de expansão indireta2
Figura 1.1 - Sistema frigorífico para baixas temperaturas2
Figura 1.12 - Esquema de um separador de liquido24
(separador-resfriador)25
alternativo28
Figura: 2.02 - Compressor alternativo Aberto – Sabroe 12/10029

Figura 1.02 - Diferenças entre o ciclo teórico e o ciclo real de Figura 1.04 - Comparação entre compressão em estágio único e dois Figura 1.05 - Esquema de um sistema multipressão com separador de Figura 1.06 - Esquema de um sistema multipressão com separador- Figura 1.07 - Esquema de um sistema multipressão típico para Figura 1.08 – Sistema frigorífico típico de supermercados Figura 1.13 - Esquema de um separador de liquido e resfriador Figura 2.01 - Princípio de funcionamento de um compressor Figura 2.03 - Rotores de um compressor parafuso e corte transversal........................................................................................... 31

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TDSH 233S 2334E). (-10/+35°C)31
diversas razões entre volumes em função da razão de pressão32
Figura 2.06 - Compressor de palheta simples3
Figura 2.07 - Compressores de múltiplas palhetas34
Figura 2.09 - Desempenho de um compressor centrífugo36
Figura 2.10 - Compressor Scroll em corte38
Figura 2.1 - Espirais do compressor Scroll38
Figura 2.12 - Sucção e descarga nas espirais38
Figura 2.13 - Processo de compressão em um compressor Scroll39
Figura 2.14 – Condensador de duplo tubo42
Figura 2.15 - Carcaça e serpentina (shell and coil)43
Figura 2.16 - Condensador carcaça e tubo (shell and tube)43
Figura 2.17 - Condensador de placas4
Figura 2.18 - Condensador evaporativo45
Figura 2.19 - Temperaturas de condensação típicas47
Figura 2.20 - Evaporadores de expansão direta48

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LISTA DE TABELAS TABELA 1.0 - COMPARAÇÃO ENTRE OS SISTEMAS EM

INDIVIDUAIS20
TABELA 2.0 - TAXAS DE RECIRCULAÇÃO TÍPICAS50
PROIBIÇÃO DOS CFCS53
DESIGNAÇÃO NOME E COMPOSIÇÃO QUÍMICA58

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1. INTRODUÇÃO:

A utilização dos sistemas de refrigeração é indispensável. Como conseqüência, também é indispensável o uso da energia elétrica para o acionamento dos motores e outros equipamentos associados a esses sistemas. Assim, se não é possível evitar a degradação ambiental pela exploração irracional dos recursos naturais, uma importante contribuição nesse contexto consiste em reduzir ao máximo o uso irracional da energia. Se não pela consciência ambiental da necessidade de deixar para as futuras gerações um planeta em melhores condições de habitação, ao menos para reduzir os custos dos serviços, que, em última análise, serão sempre pagos pela sociedade.

Neste documento os componentes de um sistema de refrigeração serão descritos, bem como as informações sobre sua operação e manutenção que são importantes para manter um funcionamento adequado e eficiente.

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2. CONCEITOS BÁSICOS:

Resfriamento: Tudo aquilo que conseguimos resfriar até a temperatura ambiente. Ex: Uma xícara de café quente em cima da mesa.

Refrigeração: Tudo aquilo que conseguimos resfriar abaixo da temperatura ambiente. Ex: Uma geladeira residencial.

3. CICLOS DE REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE VAPOR

partida do ciclo de refrigeração

Se um líquido for introduzido num vaso onde existe, inicialmente, um grau de vácuo e cujas paredes são mantidas a temperatura constante, ele se evaporará imediatamente. No processo, o calor latente de vaporização, ou seja, o calor necessário para a mudança do estado líquido para o estado vapor, é fornecido pelas paredes do vaso. O efeito de resfriamento resultante é o ponto de

À medida que o líquido se evapora, a pressão dentro do vaso aumenta, até atingir, eventualmente, a pressão de saturação para a temperatura considerada. Depois disso, nenhuma quantidade de líquido evaporará, e, naturalmente, o efeito de resfriamento cessará. Qualquer quantidade adicional de líquido introduzido permanecerá neste estado, isto é, como líquido, no fundo do vaso.

Se for removida parte do vapor do recipiente, conectando-o ao lado de sucção de uma bomba, a pressão tenderá a cair. O que provocará evaporação adicional do líquido. Neste aspecto, o processo de resfriamento pode ser considerado contínuo. E, para tal, necessitase: de um fluido adequado, o refrigerante; um recipiente onde a vaporização e o resfriamento sejam realizados, chamado de “evaporador”; e um elemento para remoção do vapor, chamado de “compressor”.

O sistema apresentado até agora não é prático, pois envolve um consumo contínuo de refrigerante. Para evitar este problema, é necessário converter o processo num ciclo. Para fazer o vapor retornar ao estado líquido, o mesmo deve ser resfriado e condensado. Usualmente, utiliza-se a água ou o ar como meio de resfriamento, os quais se encontram a uma temperatura substancialmente mais elevada do que a temperatura reinante no evaporador. A pressão de vapor

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correspondente à temperatura de condensação deve, portanto, ser bem mais elevada do que a pressão no evaporador. O aumento desejado de pressão é promovido pelo compressor.

A liquefação do refrigerante é realizada num condensador, que é, essencialmente, um recipiente resfriado externamente pelo ar ou água. O gás refrigerante quente (superaquecido), com alta pressão, é conduzido do compressor para o condensador, onde é condensado. Resta agora completar o ciclo, o que pode ser feito pela inclusão de uma válvula ou outro dispositivo regulador, que será usado para injeção de líquido no evaporador. Este é um componente essencial de uma instalação de refrigeração e é chamado de “válvula de expansão”

3.1 Ciclo teórico de refrigeração por compressão de vapor

Um ciclo térmico real qualquer deveria ter para comparação o ciclo de Carnot, por ser este o ciclo de maior rendimento térmico possível. Entretanto, dadas as peculiaridades do ciclo de refrigeração por compressão de vapor, define-se um outro ciclo que é chamado de “ciclo teórico”, no qual os processos são mais próximos aos do ciclo real e, portanto, torna-se mais fácil comparar o ciclo real com este ciclo teórico (existem vários ciclos termodinâmicos ideais), diferentes do ciclo de Carnot, como o ciclo ideal de Rankine, dos sistemas de potência a vapor, o ciclo padrão ar Otto, para os motores de combustão interna a gasolina e álcool, e o ciclo padrão ar Brayton, das turbinas a gás. Este ciclo teórico ideal obterá melhor desempenho operando em condições iguais ao do ciclo real.

A Figura 1.01 mostra um esquema básico de um sistema de refrigeração por compressão de vapor, com seus principais componentes, e o seu respectivo ciclo teórico construído sobre um diagrama de Mollier, no plano P-h. Os equipamentos esquematizados na Figura 1.01 representam, genericamente, qualquer dispositivo capaz de realizar os respectivos processos específicos indicados.

Os processos termodinâmicos que constituem o ciclo teórico nos respectivos equipamentos são:

• Processo 1--2. Ocorre no compressor, sendo um processo adiabático reversível e, portanto, isentrópico, como mostra a Figura 1.03. O refrigerante entra no compressor à pressão do evaporador (Po)

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e com título igual a 1 (x = 1). O refrigerante é então comprimido até atingir a pressão de condensação (Pc). Ao sair do compressor, está superaquecido à temperatura T2, que é maior que a temperatura de condensação TC.

• Processo 2--3. Ocorre no condensador, sendo um processo de rejeição de calor, do refrigerante para o meio de resfriamento, à pressão constante. Neste processo o fluido frigorífico é resfriado da temperatura T2 até a temperatura de condensação, TC. A seguir, é condensado até se tornar líquido saturado na temperatura T3, que é igual à temperatura TC.

• Processo 3--4. Ocorre no dispositivo de expansão, sendo uma expansão irreversível à entalpia constante (processo isentálpico), desde a pressão de condensação PC, e o líquido saturado (x = 0), até a pressão de vaporização (Po). Observe que o processo é irreversível e,portanto, a entropia do refrigerante na saída do dispositivo de expansão (s4) será maior que a entropia do refrigerante na sua entrada (s3).

• Processo 4--1. Ocorre no evaporador, sendo um processo de transferência de calor à pressão constante (Po) e, consequentemente, à temperatura constante (To), desde vapor úmido (estado 4) até atingir o estado de vapor saturado seco (x = 1).Observe que o calor transferido ao refrigerante no evaporador não modifica a temperatura do refrigerante, mas somente muda sua qualidade (título).

3.2 Ciclo real de compressão de vapor

As diferenças principais entre o ciclo real e o ciclo teórico estão mostradas na Figura 1.02. Uma da diferença está na queda de pressão nas linhas de descarga (líquido e de sucção), assim como no condensador e no evaporador. Estas perdas de carga, ∆Pd e ∆Ps, estão mostradas na Figura 1.02.

Outras diferenças são: o sub-resfriamento do refrigerante na saída do condensador (nem todos os sistemas são projetados com subresfriamento) e o superaquecimento na sucção do compressor, sendo este também um processo importante, que tem a finalidade de evitar a

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entrada de líquido no compressor. Outro processo importante é o de compressão, que, no ciclo real é politrópico (s1 diferente s2) e no processo teórico é isentrópico.

Devido ao superaquecimento e ao processo politrópico de compressão, a temperatura de descarga do compressor (T2) pode ser muito elevada, tornando-se um problema para os óleos lubrificantes usados nos compressores frigoríficos. A temperatura de descarga não deve ser superior a 130ºC, o que, por vezes, exige o resfriamento forçado do cabeçote dos compressores, principalmente quando são utilizados os refrigerantes R717 e R22 (com baixas temperaturas de evaporação). Muitos outros problemas de ordem técnica, dependendo do sistema e de sua aplicação, podem introduzir diferenças significativas além das citadas.

Figura 1.01 - Ciclo teórico de refrigeração por compressão de vapor

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Figura 1.02 - Diferenças entre o ciclo teórico e o ciclo real de refrigeração

4 SISTEMAS MULTIPRESSÃO

O sistema multipressão é um sistema de refrigeração, por compressão de vapor, que possui dois ou mais níveis de baixa pressão. Entende-se por baixa pressão aquela reinante entre o dispositivo de expansão e da sucção do compressor. Um sistema multipressão pode ser encontrado, por exemplo, em uma indústria de laticínios, onde um evaporador opera a -35ºC (trinta e cinco graus Celsius negativos) para produzir sorvetes, enquanto outro evaporador opera a +2ºC para resfriar leite. Outro exemplo da aplicação de sistemas multipressão são os matadouros frigoríficos, onde existem câmaras de congelamento de carne bovina com temperaturas de vaporização da ordem de -35ºC e, entre outras, câmaras de desossa, onde a temperatura de vaporização é da ordem de +5ºC. Outra aplicação típica poderia ser um processo industrial no qual um arranjo de dois ou três estágios de compressão serve um evaporador com temperaturas abaixo de -20ºC.

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