ciclo refrigeração refrigerantes

ciclo refrigeração refrigerantes

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Ciclo de Refrigera€ o e Refrigerantes Ciclo de Refrigera€ o e Refrigerantes

Controle Térmico de Ambientes

Criogenia:

Em meados do século XIX o homem descobriu a propriedade criogênica de gases: a capacidade de retirar calor de um sistema quando submetido à expansão. E começou a fazer gelo, industrialmente, em grande escala. A partir dessa época, então, tem início a atividade comercial de conservação de alimentos em grande escala. Não havia, sequer, os grandes entrepostos frigoríficos, mas sim as fábricas de gelo. Nos setores comercial e residencial este gelo industrial era usado para fazer essa conservação dos alimentos em pequena escala.

Os gases refrigerantes usados neste início da história da refrigeração eram a amônia, o dióxido de enxofre e o cloreto de metil. A refrigeração era, assim, um processo perigoso: explosivo, inflamável e tóxico! Além do que, necessitavam de pressão elevada para atingir capacidade criogênica necessária à fabricação econômica de gelo. Os compressores frigoríficos de então, dada a limitação tecnológica da época, eram tidos como máquinas perigosas, sujeitas a explosão. (Imagine se o compressor frigorífico do ar-condicionado do seu carro estivesse sujeito a explodir! Poderia causar um estrago similar ao que mostra a figura abaixo!)

Somente em 1932 o cientista Thomas Midgely Jr inventou o Refrigerante 12, mais conhecido como Freon 12. O Freon 12 é um cloro-flúor-carbono (CFC) que tem a característica de ser endotérmico quando expande ou quando vaporiza. O Freon não é inflamável, não é explosivo, não é tóxico e não corroi metais. A pressão necessária para que suas propriedades criogênicas ocorram com transferência apreciável de calor para ser aplicada praticamente, era bem inferior à requerida pelos gases refrigerantes conhecidos até então. Enfim, um “gás ideal”, “maravilhoso”. Isto é, até descobrirem que o Freon destrói o ozônio da atmosfera, tão importante para barrar o excesso de radiação solar ultravioleta na superfície da Terra:

O3 + UV = O2 + O

O excesso de radiação UV deteriora a visão dos seres, altera a fotossíntese de vários cultivares, como a soja, o feijão, de hortaliças, como o repolho, além de intensificar o desenvolvimento de câncer de pele nos seres humanos.

E o Freon, nessas alturas, já era usado para outros fins:

Freon 1 (CFC-1) >> produção de espumas de poliestireno Freon 12 (CFC-12) >> ciclos de refrigeração Freon 13 (CFC-13) >> limpeza de circuito eletrônico

Solução:

Usar outros gases refrigerantes, o hidro-cloro-fluor-carbono – HCFC – e o isobutano, por exemplo.

Banimento dos CFCs: Regulação a nível mundial >>Protocolo de Montreal!!

O Ciclo de Refrigeração

Os ciclos de refrigeração, isto é, ciclos termodinâmicos de fluidos refrigerantes em equipamentos frigoríficos por compressão de vapor, são adequadamente representados em diagramas P x h (pressão-entalpia, diagrama de Mollier) e diagrama T x s (temperatura-entropia).

Diagrama de Mollier (P x h) para o refrigerante 2 (Freon 2)

Observe, no diagrama de Mollier, as regiões de líquido sub-resfriado, à esquerda de x = 0, de vapor úmido, 0 < x < 1, no envelope, e vapor superaquecido, à direita de x = 1.

O ciclo de compressão de vapor é o mais utilizado em equipamentos frigoríficos para produção de frio: para conforto térmico ambiente e para resfriamento e congelamento de produtos.

Frigorífico de produtos por compressão de vapor por expansão direta

O esquema acima representar um sistema frigorífico para produtos: os ovos estão na câmara frigorífica, que é mantida à temperatura baixa pela troca de calor que ocorre no evaporador. O evaporador é um trocador de calor (no caso, de tubos aletados) que resfria o ar que circula na câmara, movimentado pela ação do ventilador. No evaporador ocorre a evaporação do fluido refrigerante, idealmente um processo isobárico (na realidade, com pequena variação de pressão). Ainda no interior da câmara, próximo do evaporador, está o dispositivo de expansão (a válvula termostática). Este então é um dispositivo frigorífico de expansão direta: a expansão ocorre no ambiente a ser resfriado. No exterior da câmara estão o compressor e o condensador (e outros dispositivos auxuliares, como o vaso acumulador e o filtro). Esse é exatamente o esquema de uma geladeira comum, por compressão de vapor.

Outras possibilidades de sistemas frigoríficos (geladeiras, condicionadores de ar, resfriadores diretos e indiretos, etc) são as de ciclo de gás (não há mudança de fase), absorção (veremos rapidamente mais à frente) e a de efeito Peltier (há alguma informação sobre o efeito Peltier no texto de temperatura em http://www.fem.unicamp.br/~instmed.

Veja um sistema indireto: o ambiente (ou processo) será resfriado ou condicionado for um fluido secundário, isto é, um fluido de transferência que não é o refrigerante com o qual opera o ciclo. No caso, figura abaixo, o fluido de trabalho é resfriado pelo refrigerante no evaporador e “transporta o frio” para o ambiente adequado. Um tal sistema é conhecido no meio técnico como “chiller”, do inglês, isto é, um resfriador.

Esquema de um “chiller” de água

Neste chiller mostrado na figura acima, o refrigerante circula do compressor para o condensador, passa pelo vaso acumulador, expande-se na válvula de expansão termostática, evapora-se no evaporador, retirando calor de um fluxo de água. É esta água resfriada que será utilizada no processo para resfriar um ambiente, um produto, um outro fluxo de líquido. Assim, este é um sistema indireto. A figura mostra duas possibilidades para a condensação: condensador resfriado a ar (trocador de tubo aletado, normalmente), ou condensador resfriado a líquido (geralmente um trocador casco-e-tubo - shell and tube). Quando um condensador resfriado com líquido é usado, a maioria das vezes a água é o fluido de resfriamento, e uma torre de refrigeração (para resfriar a água aquecida no condensador, para que possa ser usada em um circuito fechado) é usada. O evaporador do chiller é um casco-e-tubo.

Compressor

Condensador a ar remoto Válvulas de Expansão

Evaporadores Evaporadores

A geladeira doméstica: um exemplo de ciclo de compressão de vapor A geladeira doméstica: um exemplo de ciclo de compressão de vapor

Mas, efetivamente, o que é o ciclo frigorífico de compressão de vapor? Ele consiste de uma série de processos executados sobre e por um fluido de trabalho, denominado de refrigerante. A geladeira da sua casa, por exemplo, e o aparelho de ar condicionado de janela, da sala de aula, ambos devem funcionar com o Refrigerante 2, o mais comum, também conhecido por Freon 2 (em tempo, ciclos de compressão modernos já estão utilizando refrigerantes “ecológicos”, que não afetam a camada de ozônio da atmosfera pois refrigerantes cloro-fluor-carbonados destroem o ozônio O3 da atmosfera). Assim como o ciclo de compressão de uma geladeira de boteco, o ar-condicionado de seu carro, o sistema de condicionamento central de um edifício, de um “shopping center”, e vários outros, industriais, comerciais e residenciais.

O ciclo é constituído dos seguintes processos:

1. compressão de vapor, isto é, um compressor realiza trabalho sobre o vapor, transfere potência a ele;

2. a condensação do vapor, que ocorre no condensador (o trocador de calor à direita, na figura acima);

3. a expansão do líquido após o condensador, que ocorre na válvula termostática ou em um tubo capilar;

4. a evaporação do líquido no evaporador.

Como em toda análise de ciclos, vamos começar analisando um ciclo ideal de compressão de vapor. Vale lembrar, novamente, que ciclos reais desviam-se dos ciclos idealizados, isto é, o ciclo ideal serve, para nossa análise do ciclo real, como uma referência, um objetivo a atingir (apesar de inalcançável, mas engenheiro tem um quê de alquimista, e segue em frente) , através da melhoria de cada processo que o constitui. Veja então um ciclo ideal de compressão de vapor, na figura seguinte, representado esquematicamente e no diagrama de Mollier (P versus h):

Representação esquemática do ciclo ideal de refrigeração por compressão de vapor no diagrama de Mollier

Ciclo de compressão de vapor ideal no diagrama de Mollier

O equacionamento do ciclo ideal: seja a formulação simples da Equação da Energia, conforme dada abaixo, aplicável para um sistema em regime permanente, para um escoamento unidimensional com uma entrada e uma saída, isto é, ms = me = m.

mgVhmgVh es

Cada um dos processos que formam o ciclo devem ser analisados separadamente:

Compressão >> Modelo Ideal do Compressor

No compressor só há um fluxo de entrada e um de saída: me = ms = m. Vamos desprezar a variação das energias cinética e potencial entre a entrada e saída do compressor; e vamos admitir que o processo de compressão é adiabático e reversível, isto é, é isoentrópico, veja a figura. Assim, se o processo ocorre em regime permanente e se W é o trabalho realizado sobre o VC, mgVhmgVhdE

ees s

As propriedades do refrigerante em 2 são conhecidas desde que se fixe a pressão de condensação, pois o processo é isoentrópico.

Condensador e Evaporador >> Modelo Ideal do Condensador e do Evaporador

As premissas são:

1. regime permanente; 2. só existe trabalho de escoamento (incluído na entalpia);

3. só existe um fluxo de entrada e um fluxo de saída, me = ms = m;

4. variações de energia cinética e potencial são desprezíveis frente à variação da entalpia, e

5. a pressão é constante (esta é uma aproximação!).

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