Baixe 2000 refrigeração e outras Notas de estudo em PDF para Cultura, somente na Docsity! ESTUDO DA CAPACIDADE CALORÍFICA DE UM REFRIGERADOR Mateus Mesquita Inacio Orientador: Prof. Paulo Otto Beyer Área de Concentração: Ciências Térmicas Resumo Este trabalho tem como objetivo analisar a variação da vazão mássica de refrigerante em um refrigerador doméstico para se obter uma capacidade calorífica ajustável. Para verificar o funcionamento do refrigerador doméstico fez-se variações de vazões através do controle com uma válvula de expansão manual, com a finalidade de obter uma capacidade calorífica desejada, neste caso específico, a capacidade calorífica nominal do compressor hermético que compõem o refrigerador doméstico – 340 litros – fabricado pela Consul. O trabalho foi realizado baseado nas várias medições feitas variando-se a abertura parcial da válvula de expansão manual. Os parâmetros que foram avaliados são temperatura e pressão, por isso o sistema foi monitorado com sensores de temperatura e manômetros de Bourdon. Abstract “Study of the Calorific Capacity of a Refrigerator” This work has as objective analyzes the variation of the refrigerant massic flow rate in a domestic refrigerator to obtain an adjustable calorific capacity. To verify the operation of the domestic refrigerator it was made flow rates variations through the control with a valve of manual expansion, with the purpose of obtaining a wanted calorific capacity, in this specific case, the nominal calorific capacity of the hermetic compressor that compose the domestic refrigerator - 340 liters - manufactured by the Consul. The work was accomplished based on the several done measurements being varied the partial opening of the valve of manual expansion. The parameters that were appraised are temperature and pressure, for that the system was monitored with sensor of temperature and Bourdon´s manometers. 2 Palavras chaves: Refrigeração, válvula, expansão, controle, refrigerante. Índice Página 1. Introdução .............................................................................................................. 3 2. Refrigeração ........................................................................................................... 3 2.1 Refrigeração doméstica ........................................................................... 4 2.2 O ciclo de refrigeração ............................................................................. 4 2.3 O ciclo real de compressão a vapor .......................................................... 5 2.4 O diagrama de Pressão x Entalpia............................................................. 6 2.5 Condensadores .......................................................................................... 7 2.6 Evaporador ................................................................................................ 7 2.7 Compressor ............................................................................................... 8 2.8 Os agentes de refrigeração ........................................................................ 8 2.9 O refrigerante ............................................................................................ 9 2.10 Ar e gases não condensáveis ................................................................... 9 2.11 Divisão do sistema .................................................................................. 9 2.12 A carga de refrigeração ........................................................................... 10 3.0 Controle de fluxo e dispositivo de expansão ........................................................ 10 3.1 Válvulas de expansão manual ................................................................... 10 3.2 Tubo capilar .............................................................................................. 11 4.0 Técnicas experimentais ......................................................................................... 12 4.1 Instalação da válvula ................................................................................. 13 4.2 Instalação dos manômetros ....................................................................... 14 4.3 Instalação dos termômetros ....................................................................... 15 5.0 Resultados ............................................................................................................. 16 5.1 Gráficos ..................................................................................................... 16 5.2 Conclusão .................................................................................................. 21 Referências Bibliográficas .......................................................................................... 22 Anexo I ....................................................................................................................... 23 5 3. Quando o líquido refrigerante quente sai do condensador para entrar no tubo capilar, um filtro secante remove toda umidade ou impureza. 4. O tubo capilar é cuidadosamente calibrado no comprimento e no diâmetro interno, para permitir a passagem da exata quantidade de líquido refrigerante exigido para cada unidade. Um comprimento do tubo capilar é colocado dentro da linha de sucção, formando um trocador de calor que auxilia a esfriar o líquido refrigerante quente no tubo capilar. O tubo capilar nesse caso liga-se ao tubo de diâmetro maior do evaporador. 5. Quando o refrigerante deixa o tubo capilar e entra no tubo maior do evaporador em baixa pressão como uma mistura de líquido e vapor. No processo de passagem através do evaporador, o refrigerante absorve calor da área de armazenagem e é gradualmente transformado, de um líquido e uma mistura de vapor, em vapor. 6. O gás refrigerante à baixa pressão saindo da serpentina do evaporador retorna ao compressor através da linha de sucção, que é parte do trocador de calor, completando desse modo o ciclo. 2.3 O ciclo real de compressão a vapor Segundo Stoecker, 1985, o ciclo real de compressão a vapor apresenta algumas diferenças em relação ao ciclo padrão, caracterizando-se pela ineficiência dos processos envolvidos. Superpondo-se os ciclos padrão de compressão a vapor e o real, como na figura a seguir, algumas comparações podem ser feitas. As principais diferenças entre esses ciclos residem nas perdas de carga no evaporador e condensador, no sub-resfriamento do líquido que deixa o condensador e no superaquecimento do vapor na aspiração do compressor. O ciclo padrão admite que não haja perda de carga no evaporador e no condensador. Em virtude do atrito, ocorre uma perda de carga no ciclo real, resultando um trabalho de compressão maior entre os estados 1 e 2 do que no ciclo padrão. O sub-resfriamento do líquido que deixa o condensador é uma prática generalizada, garantindo que o fluido que entra na válvula de expansão seja líquido. O superaquecimento do vapor que deixa o evaporador evita que gotículas de líquido adentrem o compressor. Finalmente, outra diferença entre os ciclos é o fato de a compressão no ciclo real não ser isoentrópica, ocorrendo ineficiência devido ao atrito e outras perdas. 6 Figura 2.1: o ciclo de compressão a vapor real comparado ao padrão. 2.4 O diagrama de Pressão x Entalpia A condição do refrigerante, em qualquer condição termodinâmica, pode ser representada como um ponto do gráfico ph. O ponto no gráfico ph que representa a condição do refrigerante em qualquer condição termodinâmica particular, pode ser localizado, se duas propriedades do refrigerante forem conhecidas. Uma vez que o ponto de estado tenha sido localizado no gráfico, as outras propriedades do refrigerante nesta condição podem ser determinadas diretamente do referido gráfico. O gráfico é dividido em três áreas que são separadas umas das outras pelas linhas de líquido e vapor saturados. A área à esquerda da linha de líquido saturado, no gráfico, é chamada de região sub-resfriada. O refrigerante, em qualquer ponto da região sub-resfriada, fica na fase líquida e sua temperatura fica abaixo da temperatura de saturação correspondente a sua pressão. A área à direita da linha de vapor saturado é a região superaquecida e o refrigerante permanece na forma de um vapor superaquecido. A secção do gráfico, entre as linhas de líquido e vapor saturados, é a região mista e representa a mudança na fase do refrigerante entre as fases líquidas e de vapor. Em qualquer ponto entre as duas linhas de saturação, o refrigerante permanece na forma de uma mistura líquido-vapor. A distância entre as duas linhas ao longo de qualquer linha de pressão constante, quando lida na base do gráfico, é o calor latente de vaporização, do refrigerante a esta pressão. As linhas de líquido e vapor saturados não são paralelas exatamente umas às outras, porque o calor latente de vaporização do refrigerante varia com a pressão à qual ocorre a mudança de fase. 7 No gráfico a mudança da fase líquida para a de vapor, ocorre progressivamente da esquerda para a direita, enquanto que a mudança da fase de vapor para a líquida ocorre da direita para a esquerda. Junto à linha de líquido saturado, a mistura líquido-vapor é principalmente líquida, enquanto que junto à linha de vapor saturado, esta mistura é principalmente vapor. As linhas de qualidade constante, prolongando-se do alto até a base pela secção central do gráfico, e aproximadamente paralelas às linhas de líquido e vapor saturados, indicam a porcentagem de vapor na mistura com um aumento de 10%. As linhas horizontais que se estendem ao longo do gráfico, são linhas de pressão constante e as verticais, são linhas de entalpia constante. As linhas de temperatura constante, na região sub-resfriada, são quase verticais no gráfico, e paralelas às linhas de entalpia constante. Na secção central, uma vez que o refrigerante mude de condição a uma pressão e temperatura constantes, as linhas de temperatura constante são paralelas e coincide com as linhas de pressão constante. Na linha de vapor saturado, as linhas de temperatura constante mudam outra vez de direção na região de vapor superaquecido, dirigindo-se à base do gráfico. As linhas retas que se estendem em diagonal e quase verticalmente através da região de vapor superaquecido, são linhas de entropia constante. As linhas aproximadamente horizontais, que atravessam a região de vapor superaquecido, são linhas de volume constante. Os valores de qualquer uma das várias propriedades do refrigerante, que têm importância no ciclo de refrigeração, podem ser lidos diretamente do gráfico ph. Ao final deste trabalho esta anexado um diagrama ph do R134a, com o ciclo do refrigerador desenhado na condição da válvula toda aberta. 2.5 Condensadores Visto que o refrigerante sai do compressor na forma de vapor à alta pressão, algum modo deve ser encontrado para trazer o vapor de volta à forma líquida. Essa é a função da unidade de condensação: condensar o vapor novamente em um líquido, de modo que ele possa ser reutilizado no ciclo de refrigeração. Neste caso o condensador é do tipo refrigerado a ar por meio de circulação de ar natural. 2.6 Evaporador A função do evaporador é absorver o calor do gabinete refrigerador, sendo esse calor introduzido pelos gêneros alimentícios colocados no refrigerador, por perda de isolação e pelas aberturas de porta. Os evaporadores usados atualmente são do tipo de expansão direta, devido à 10 Durante as operações de serviço, esta pressão é usualmente medida no compressor, pela instalação de um medidor montado no tubo de serviço. O lado de alta pressão do sistema compõe-se do compressor, da exaustão, do condensador, do tanque coletor e da linha de líquido. A pressão exercida pelo refrigerante nesta parte do sistema é a pressão alta sob a qual ele é condensado no condensador. Os pontos de divisão entre os lados de alta e baixa pressão do sistema são o controle do fluxo do refrigerante, onde a pressão do refrigerante é reduzida da pressão de condensação para a de vaporização, e as válvulas de exaustão do compressor, através das quais escapa o vapor a alta pressão após a compressão. 2.12 A carga de refrigeração O regime ao qual o calor deve ser removido do material ou câmara refrigerada, a fim de produzir e manter as condições de temperatura desejada é chamado carga de refrigeração ou carga térmica. Na maioria das aplicações de refrigeração, a carga total de esfriamento no equipamento de refrigeração, é a soma dos ganhos de calor de várias fontes diferentes: o calor transmitido por condução através de paredes isoladas, o calor que deve ser removido do ar quente que entra na câmara através de portas abertas e fechadas e o calor que deve ser removido do produto refrigerado para reduzir a temperatura deste à temperatura de armazenamento. 3.0 Controle de fluxo e dispositivo de expansão Independente do tipo, a função do controle de fluxo de refrigerante é regular o refrigerante líquido da linha de líquido dentro do evaporador a uma taxa proporcional com a taxa à qual a vaporização do líquido está ocorrendo na última unidade, e manter um diferencial de pressão entre os lados de alta e baixa do sistema, a fim de permitir ao refrigerante vaporizar sob a pressão baixa desejada no evaporador e ao mesmo tempo condensar a uma pressão elevada no condensador. O dispositivo de expansão tem duas finalidades: a de reduzir a pressão do refrigerante líquido e a de regular a vazão do refrigerante que entra no evaporador. 3.1 Válvulas de expansão manual As válvulas de expansão manual são válvulas de agulha acionadas à mão. A taxa de fluxo de líquido através da válvula depende do diferencial da pressão através do orifício da válvula e do grau de abertura da válvula, sendo o último ajustável manualmente. Considerando que o diferencial de pressão através da válvula permanece o mesmo, a taxa de fluxo, por intermédio de 11 uma válvula de expansão manual permanecerá constante sempre, sem importar a pressão ou carga do evaporador. Conforme observado por Trott, 1989, “a principal desvantagem da válvula de expansão manual é que ela é inflexível às mudanças na carga do sistema, portanto deve ser reajustada manualmente cada vez que muda a carga do sistema, a fim de evitar falta de lubrificação ou sobre-alimentação do evaporador, dependendo da direção da mudança da carga”. Figura 3.1: Desenho esquemático da válvula, retirado do catálogo eletrônico do fabricante. 3.2 Tubo capilar Os tubos capilares são usados em todos os sistemas frigoríficos pequenos. O refrigerante líquido que entra no tubo capilar perde pressão à medida que escoa por ele, em virtude do atrito e da aceleração do fluido. A vazão pelo tubo capilar aumenta em virtude da diferença entre as pressões de condensação e evaporação. A pressão de evaporação não varia livremente para uma dada pressão de condensação, devido às condições de transferência de calor no evaporador. Se as exigências de transferência de calor não forem satisfeitas pela condição de equilíbrio entre o tubo capilar e o compressor, pode 12 resultar um processo transitório em que o evaporador seja alimentado em excesso ou alimentado deficientemente. Diversas combinações de diâmetro interno e comprimento de tubo podem ser feitas para obter o efeito desejado. Entretanto, para uma dada combinação, não é possível regular a vazão para variações da carga ou das pressões de descarga e aspiração. O compressor e o dispositivo de expansão atingem uma condição de equilíbrio na qual as pressões de aspiração e de descarga são tais que o compressor bombeia exatamente a quantidade de refrigerante com que o dispositivo de expansão alimenta o evaporador. Mas geralmente a condição de desequilíbrio entre esses componentes é temporária. Os tubos capilares apresentam vantagens e desvantagens. Suas vantagens são de tal ordem que os torna universalmente aceitos em unidades seladas de fábrica. Eles são simples, não apresentam partes móveis e são baratos, além de permitir a equalização das pressões no sistema durante as paradas. Assim o motor de acionamento do compressor pode ser de baixo torque de partida. Dentre as desvantagens dos tubos capilares aparecem a impossibilidade de regulagem para satisfazer distintas condições de carga, a possibilidade de obstrução por matéria estranha e a exigência de uma carga de refrigerante dentro de limites estreitos. Segundo Dossat, 1980 esta última condição impôs o uso de tubos capilares em unidades herméticas, para as quais a possibilidade de vazamentos é reduzida. O tubo capilar é projetado para uma faixa de condições de operação, qualquer variação de carga térmica ou da temperatura de condensação em relação às de projeto acarreta uma redução de eficiência operacional. 4.0 Técnicas experimentais Para que fosse possível repor o líquido refrigerante no sistema foi colocada uma extensão na tubulação de serviço do compressor. Esta extensão, num primeiro momento, foi utilizada para testar a soldagem da válvula, ou seja, para verificar se, após a instalação da válvula, não havia vazamentos no sistema. Para isso foi colocado Nitrogênio e após um vácuo de 200µm Hg (0,0266 Pa). Após isso foi colocado o refrigerante R134a novamente no sistema. 15 No sistema foram instalados três manômetros de tubo de Bourdon, os quais mediam as pressões na saída da válvula, na sucção e descarga do compressor. 4.3 Instalação dos termômetros Para o monitoramento da temperatura colocou-se termômetros eletrônicos na sucção e descarga do compressor, na entrada e saída da válvula de expansão, no gabinete e no evaporador (no interior do refrigerador), e também, no decorrer dos experimentos, mediu-se a temperatura ambiente, mas esta não variou consideravelmente durante o experimento. Figura 4.4: esta foto mostra o refrigerador, usado neste trabalho, que se encontra no LAFRIG. 16 5.0 Resultados Os dados obtidos foram transformados em tabelas e essas em gráficos para que fosse possível comparar os resultados obtidos variando-se o ângulo de abertura da válvula. As medições foram feitas variando-se um grau a cada vez, mas neste trabalho só são apresentados os resultados entre as medidas com a válvula toda aberta e o menor ângulo de abertura utilizado no experimento. 5.1 Gráficos A partir dos dados obtidos, variando-se o ângulo de abertura da válvula de expansão, foram gerados gráficos, com a utilização do programa Grapher. A seguir são mostrados alguns dos resultados obtidos a partir da geração de curvas pela interpolação dos dados das tabelas, onde: P1 = pressão na saída da válvula de expansão, P2 = pressão na sucção do compressor, P3 = pressão na descarga do compressor, T1 = temperatura na saída da válvula de expansão, T2 = temperatura na sucção do compressor, T3 = temperatura no evaporador, T4 = temperatura no gabinete, T5 = temperatura na descarga do compressor, T6 = temperatura na entrada da válvula de expansão. 17 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 minutos 0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00 1000.00 1100.00 1200.00 1300.00 kPa P1 - Saída valv P2 - Sucção comp P3 - Descarga comp Pressões Válvula Toda Aberta Gráfico 5.1: com a válvula toda aberta a pressão da saída da válvula é igual a pressão de descarga do compressor, ou seja, a válvula não está atuando no sistema. 0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 minutos 0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00 1000.00 1100.00 1200.00 1300.00 1400.00 kPa P1 - Saída válv P2 - Sucção comp P3 - Descarga comp Pressões - Válvula Aberta 10º Gráfico 5.2: com a válvula parcialmente aberta existe uma diferença de pressão entre a saída da válvula e a descarga do compressor devido a obstrução da passagem do gás, no início o 20 0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 minutos 0.00 20.00 40.00 60.00 ºC Temperaturas do Compressor Válvula Aberta 10º T2 - Sucção T5 - Descarga Gráfico 5.6: temperaturas de sucção e descarga do compressor com a válvula parcialmente aberta. Como o trabalho do compressor diminui, ele esquenta menos na descarga do compressor com a válvula fechada e na sucção, como passa menos refrigerante no evaporador, o refrigerante sai mais quente aumentando a temperatura em relação a válvula aberta. 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 minutos -12.00 -8.00 -4.00 0.00 4.00 8.00 ºC Temperaturas Internas do Refrigerador Válvula Toda Aberta T3 - Evaporador T4 - Gabinete Gráfico 5.7: temperaturas internas do refrigerador, do gabinete e do evaporador, com a válvula toda aberta. A temperatura do evaporador diminuiu rapidamente, levando apenas 7 minutos para chegar a temperatura de –8ºC. 21 Como o diferencial de pressão é menor, passa mais fluido refrigerante, desta forma a temperatura cai mais rapidamente. 0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 minutos -12.00 -8.00 -4.00 0.00 4.00 8.00 ºC T3 - Evaporador T4 - Gabinete Temperaturas Internas do Refrigerador Válvula Aberta 10º Gráfico 5.8: temperaturas internas do refrigerador, do gabinete e do evaporador, com a válvula aberta 10º. É possível notar que a temperatura do evaporador varia lentamente, levando 84 minutos para alcançar a temperatura de –8ºC. 5.2 Conclusão Quando a válvula está fechada ela introduz uma grande perda de carga no sistema, aumentando o diferencial de pressão entre a sucção e a descarga do compressor, com isso a temperatura cai lentamente, ou seja, é possível obter velocidades de resfriamento e temperaturas finais de armazenagem predeterminadas pela aplicação do resfriamento. Como o diferencial de pressão aumenta, e como o bombeamento do compressor é fixo, diminui a vazão do refrigerante, diminuindo a capacidade do compressor produzir frio. Também vale salientar que como a temperatura de evaporação é mais alta isso prejudica a obtenção de temperaturas mais baixas no evaporador. É possível obter uma capacidade de refrigeração constante, sendo valida a sua utilização em sistemas onde uma grande variação da temperatura não é permitida, sendo possível a adaptação de um controle automático de abertura e fechamento da válvula. 22 O uso de um conversor de freqüência no controle do compressor, acionando a sua partida e parada é aconselhável e deve ser estudado, sendo necessário trocar o compressor. A válvula deve ser colocada o mais próximo possível do evaporador, diminuindo assim a perda de rendimento do sistema, e eliminando a possibilidade de expansão fora do evaporador. Em todos os testes deve ter havido expansão dentro do pedaço de tubo capilar que permaneceu, apesar da válvula ter sido colocada próxima ao evaporador, num próximo teste esse pedaço de tubo capilar deve ser retirado. Este método de conservação de alimentos, devidamente analisado e sistematizado, vai permitir a aplicação na mais ampla gama de alimentos, proporcionando melhores performance e, possivelmente, redução nos custos dos sistemas de conservação, a partir da otimização do uso da energia. Referências Bibliográficas Anderson, E. P., Palmquist, R. E., 1983. “Manual de Geladeiras”, Hemus. ASHRAE, 1997. “Fundamentals Handbook”, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Atlanta. ASHRAE, 1998. “Refrigeration Handbook”, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Atlanta. Bryant, A. C.,1991. “Refrigeration Equipment”, Butterworth-Heinemann, Oxford. Costa, E. C., 1982. “Refrigeração”, Edgard Blücher, São Paulo. Dossat, R. J., 1980. “Princípios de Refrigeração”, Hemus, Houston. Incropera, F. P., Witt, D. P., 1992. “Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa” LTC, West Lafayette. King, G. R., 1971. “Modern Refrigeration Practice”, McGraw-Hill, Santa Monica. Langley, B. C., 1978. “Refrigeration and Air-Conditioning”, Reston Publishing Company, Reston. Silva, R. B., 1970. “Manual de Refrigeração e Ar Condicionado”, EPUSP, São Paulo. Stoecker, W. F., Jones, J. W., 1985. “Refrigeração e Ar Condicionado”, McGraw-Hill, Ilinois. Trott, A. R., 1989. “Refrigeration and Air-Conditioning”, Butterworths, Londres. Wylen, G. V., Sonntag, R., Borgnakke, C., 1994 “Fundamentos da Termodinâmica Clássica”, Edgard Blücher, Michigan.