2000 refrigeração

2000 refrigeração

(Parte 1 de 3)

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 Bourdons manometers.

Palavras chaves: Refrigeração, válvula, expansão, controle, refrigerante.

1. Introdução3
2. Refrigeração3
2.1 Refrigeração doméstica4
2.2 O ciclo de refrigeração4
2.3 O ciclo real de compressão a vapor5
2.4 O diagrama de Pressão x Entalpia6
2.5 Condensadores7
2.6 Evaporador7
2.7 Compressor8
2.8 Os agentes de refrigeração8
2.9 O refrigerante9
2.10 Ar e gases não condensáveis9
2.1 Divisão do sistema9
2.12 A carga de refrigeração10
3.0 Controle de fluxo e dispositivo de expansão10
3.1 Válvulas de expansão manual10
3.2 Tubo capilar1
4.0 Técnicas experimentais12
4.1 Instalação da válvula13
4.2 Instalação dos manômetros14
4.3 Instalação dos termômetros15
5.0 Resultados16
5.1 Gráficos16
5.2 Conclusão21
Referências Bibliográficas2

Índice Página Anexo I ....................................................................................................................... 23

1.0 Introdução

Hoje em dia os refrigeradores saem de fábrica selados, onde o sistema de controle da temperatura se dá através do termostato, isso ocasiona uma grande variação da temperatura entre a partida e parada do compressor, além de ser um processo rápido de resfriamento, não permitindo assim ajustar a adequada carga de refrigeração para aplicações onde exista a necessidade de um resfriamento lento e controlado, desta forma torna-se difícil, ou mesmo impossível, a regulagem ou o controle do fluxo de refrigerante no sistema.

Por essas razões o trabalho visa adaptar uma válvula de expansão manual em um refrigerador doméstico. A colocação da válvula se deu entre a descarga do condensador e o início do tubo capilar, que se encontra dentro do tubo de sucção, com o intuito de desenvolver uma metodologia que reduza gradualmente a temperatura do refrigerador.

O trabalho também visa analisar a válvula qualitativamente, sendo capaz de indicá-la ou não para o controle de fluxo de refrigerante em sistemas de refrigeração.

Para conseguir dados suficientes para a realização do trabalho o refrigerador foi instrumentado em vários pontos, onde os parâmetros avaliados foram temperatura e pressão, deste modo o sistema foi avaliado com sensores de temperatura 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 foi medida a temperatura ambiente do laboratório onde está o refrigerador e a amperagem do compressor, mas elas não serão comentadas pelo fato de não ter ocorrido variações significantes no decorrer das medições, para as medidas de pressão foram instalados manômetros na sucção e descarga do compressor, e na saída da válvula de expansão.

O trabalho foi realizado baseado nas várias medições feitas variando-se a abertura parcial da válvula de expansão manual.

2.0 Refrigeração Geralmente define-se a refrigeração como qualquer processo de remoção de calor. Mais especificamente, a refrigeração é definida como o ramo da ciência que trata dos processos de redução e conservação da temperatura de um espaço ou material, abaixo da temperatura do ambiente circundante.

Para se conseguir isto, o calor deve ser removido do corpo que está sendo refrigerado e transferido para outro corpo, cuja temperatura esteja abaixo da do corpo refrigerado. Conforme Dossat, 1980, “uma vez que o calor removido do corpo refrigerado é transferido para outro corpo, é evidente que refrigeração e aquecimento, são na verdade, extremidades opostas do mesmo processo, muitas vezes, somente o resultado desejado distingue um do outro”.

2.1 Refrigeração doméstica

Os princípios da refrigeração doméstica e comercial são muito semelhantes, com exceção de que na refrigeração doméstica estamos lidando com unidades de refrigeração menores. A maioria delas usa compressores hermeticamente ou semi-hermeticamente vedados. Algumas têm válvulas de serviço, mas a maioria dos refrigeradores domésticos é completamente vedada, sem quaisquer válvulas de serviço.

O processo de refrigeração é mais comumente efetuado pela evaporação de um líquido refrigerante, e desse modo extraindo o calor do meio a ser resfriado. O ciclo de refrigeração é então composto principalmente de quatro etapas, (evaporação, condensação, compressão e expansão) cuja finalidade é retirar esse calor pela evaporação do refrigerante, e novamente colocá-lo no estado líquido a fim de que ele possa ser usado repetidamente, em um processo contínuo.

Nos modernos sistemas, o tubo capilar é um processo empregado para controlar o fluxo de refrigerante ao evaporador, enquanto os sistemas mais antigos são geralmente fornecidos com uma válvula de expansão com finalidade de controle da vazão do refrigerante.

2.2 O ciclo de refrigeração

Um ciclo, segundo Anderson, 1983, “é um intervalo ou período de tempo ocupado por um turno ou curso de acontecimentos na mesma ordem ou série”. A palavra ciclo, como é aplicada aqui, significa uma série de operações na qual o calor é inicialmente absorvido pelo refrigerante, transformando-o de líquido em gás, e em seguida o gás é comprimido e forçado para dentro do condensador, onde o calor é absorvido pelo ar circulante, trazendo assim o refrigerante novamente ao seu estado líquido original. O ciclo de operações consiste dos seguintes passos: 1. O compressor bombeia o refrigerante através de todo o sistema. Ele admite refrigerante gasoso frio através da linha de sucção das serpentinas de congelamento do evaporador. Ao mesmo tempo, ele comprime o gás e bombeia-o para a linha de descarga. O gás fortemente comprimido tem sua temperatura elevada e entra no condensador. 2. O condensador é a serpentina de esfriamento do gás refrigerante quente. No condensador, o calor é expelido para o ar ambiente exterior do gabinete. Durante este processo, o gás refrigerante dissipa o calor removido de dentro do gabinete que transforma-o no estado líquido.

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.

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.

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 sua execução simples, baixo custo e compacidade, e também porque oferece uma temperatura mais uniforme e um rápido resfriamento.

O evaporador consiste simplesmente em uma tubulação metálica feita em torno do compartimento do congelador, para produzir uma área com temperaturas suficientes para congelamento, e fornecer o efeito de esfriamento desejado aos compartimentos de depósitos de alimentos.

Em funcionamento, quando o refrigerante sai do tubo capilar e entra na tubulação maior das chapas, sai em baixa temperatura e pressão, como uma mistura de líquido e gás. Essa mistura fria passa através da chapa superior e depois à chapa inferior, descendo através de cada chapa adicional até que chega ao acumulador. No processo de passagem através da tubulação da chapa, o refrigerante absorve calor da área de depósito de alimentos, e vai gradualmente transformandose, de um líquido e vapor, em um vapor.

2.7 Compressor Nos refrigeradores o gás refrigerante frio é utilizado no resfriamento do motor. Nas aplicações de pequeno porte, tais como geladeiras, congeladores e aparelhos de ar condicionado residencial utilizam compressores herméticos. As únicas ligações com a carcaça do compressor são as conexões da linha de aspiração e de descarga e os terminais elétricos. O refrigerador, usado no trabalho, tem um compressor hermético do tipo alternativo, com uma potência de 1/8 HP ( 93,2 W).

2.8 Os agentes de refrigeração

Em qualquer processo de refrigeração, a substância empregada como absorvente de calor ou agente de esfriamento, é chamado de refrigerante.

Todos os processos de refrigeração podem ser classificados como sensíveis ou latentes, de acordo com o efeito que o calor absorvido tem sobre o refrigerante. Quando o calor absorvido causa uma elevação na temperatura do refrigerante, o processo de esfriamento é chamado sensível, enquanto que quando o calor absorvido causa uma mudança no estado físico do refrigerante (por liquefação ou vaporização), o processo de esfriamento é chamado latente. Em qualquer dos processos, se o efeito de refrigeração deve ser contínuo, a temperatura do refrigerante deve ser mantida continuamente abaixo da temperatura da câmara ou do material que está sendo refrigerado.

2.9 O refrigerante

Um refrigerante é qualquer corpo ou substância que age como um agente refrigerante térmico, pela absorção de calor de outro corpo ou substância. Com relação ao ciclo de compressão do vapor, o refrigerante é o fluido de trabalho do ciclo que alternadamente vaporiza e condensa quando absorve e cede calor, respectivamente. Para ser adequado para o uso como um refrigerante no ciclo de compressão do vapor, um fluido deve possuir certas propriedades químicas, físicas e termodinâmicas que o tornem tanto seguro como econômico para o uso.

Deve ser reconhecido, por princípio, que não existe refrigerante “ideal” e que, por causa das grandes diferenças nas condições e requisitos das varias aplicações, não existe nenhum refrigerante que seja adequado para todas as aplicações. Por isso, um refrigerante aproxima-se do ideal somente na proporção em que suas propriedades correspondem às condições e aos requisitos da aplicação ao qual ele vai ser usado. O refrigerante usado atualmente em todos os refrigeradores domésticos, e neste trabalho, é o Tetrafluoretano ou R134a, cuja fórmula química é CF3CH2F, conforme ASHRAE Fundamentals, 1997, que é um refrigerante isento de Cloro e, portanto, não agressivo à camada de Ozônio.

2.10 Ar e gases não condensáveis Conforme descrito por Stoecker, 1985, se ar ou outros gases não condensáveis entram no sistema de refrigeração, eles são transportados ao condensador onde reduzirão a eficiência do sistema, pois a pressão total no condensador se elevará, o que implica uma maior potência necessária ao compressor por capacidade unitária de refrigeração, a pressão do condensador é aumentada para um valor maior que a pressão de saturação do refrigerante e esta diferença é igual à pressão parcial dos gases não condensáveis, e também ao invés dos gases não condensáveis se difundirem ao longo do condensador, estes aderem às paredes dos tubos do condensador e isto provoca uma redução da área disponível à condensação, o que também provoca um aumento na pressão de condensação.

2.1 Divisão do sistema Um sistema é dividido em duas partes, de acordo com a pressão exercida pelo refrigerante nestas duas partes. A parte de baixa pressão do sistema é composta pelo controle do fluxo do refrigerante, pelo evaporador, e pela linha de admissão. A pressão exercida pelo refrigerante nestes elementos é a pressão baixa sob a qual o refrigerante vaporiza no evaporador.

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