Circuito de refrigeração - O básico

Circuito de refrigeração - O básico

Informações básicas sobre o funcionamento do circuito de refrigeração, os componentes utilizados e as peças envolvidas

Bem-vindo a este guia criado por Itieffe "Explorando o frio controlado - guia básico do circuito de refrigeração". Num mundo onde o controlo da temperatura é essencial para uma vasta gama de aplicações, este guia irá levá-lo numa fascinante viagem ao coração dos circuitos de refrigeração, revelando os segredos do funcionamento destes sistemas que nos permitem gerar e manter o frio.

Os circuitos refrigerantes estão presentes em muitos aspectos da nossa vida quotidiana, desde as casas às instalações industriais, dos supermercados aos laboratórios científicos. Mas o que realmente acontece dentro desses circuitos que nos permitem resfriar e manter as coisas em temperaturas controladas? Neste guia, exploraremos os fundamentos fundamentais dos circuitos refrigerantes, desmistificando os principais conceitos que os tornam possíveis.

Através de uma abordagem clara e acessível, iremos guiá-lo através dos princípios termodinâmicos que fundamentam o funcionamento de um circuito de refrigeração. Você aprenderá como o fluido refrigerante, sujeito a variações de pressão e temperatura, pode transferir calor de um ambiente para outro, permitindo atingir temperaturas inferiores às do ambiente circundante. Através de diagramas, explicações detalhadas e exemplos práticos, iremos guiá-lo pelas etapas que compõem um ciclo de refrigeração.

Circuito de refrigeração - O básico

Este guia não requer conhecimentos avançados de termodinâmica ou engenharia. Destina-se a quem deseja ter uma compreensão básica de como funcionam os circuitos de refrigeração e como são utilizados em diversos contextos. Quer você seja um estudante, um técnico ou apenas curioso para aprender algo novo, esperamos que este guia esclareça o complexo mas fascinante mundo dos circuitos refrigerantes.

Convidamo-lo a juntar-se a nós nesta viagem pelo frio controlado, onde as leis da termodinâmica se traduzem em tecnologias que influenciam o nosso conforto, a nossa saúde e a produção de bens essenciais. Que este guia seja a sua bússola enquanto você explora os mecanismos que nos permitem dominar o frio e usá-lo em nosso favor.

O CIRCUITO DE REFRIGERANTE

Não existem máquinas capazes de produzir frio, mas existem máquinas capazes de retirar calor de fluidos ou corpos (ar, água, metais, etc.).

Essas máquinas são genericamente chamadas de "geladeiras".

Eles são divididos em categorias com base em seu tipo e uso e são chamados de refrigeradores e freezers domésticos (temperaturas +4 -20 ° C), refrigeradores industriais e de laboratório (temperaturas de até -140 ° C), desumidificadores, condicionadores de ar e refrigeradores de água de qualquer tamanho e potencial.

Vamos analisar essas máquinas (neste caso levaremos em consideração a pequena refrigeração doméstica mesmo que as bases sejam as mesmas para todas as categorias).

Circuito de refrigeração - O básico

O REFRIGERADOR: CICLO DE COMPRESSÃO DE VAPOR PADRÃO

Sabe-se que o calor é transferido de áreas de alta temperatura para áreas de baixa temperatura. Este processo de transferência de calor ocorre de forma espontânea na natureza, sem a necessidade de intervenção de nenhuma máquina. Já o processo inverso, ou seja, a transferência de calor de áreas com temperatura mais baixa para áreas com temperatura mais alta, não ocorre de forma espontânea e requer o uso de máquinas especiais denominadas máquinas de refrigeração.

A Figura 1 mostra o diagrama do sistema de um circuito de refrigeração de compressão de vapor padrão.

Transformações do circuito de refrigeração

As transformações realizadas pelo fluido refrigerante no interior da unidade de refrigeração remontam às indicações do "ciclo de Carnot", do qual remetemos a explicação para outras localizações:

1_2 – O vapor saturado de baixa pressão é aspirado pelo compressor e sofre compressão adiabática reversível (compressão isoentrópica). O compressor comprime o vapor, aumentando sua pressão e temperatura e empurrando-o para dentro do condensador.

2_3 – O calor Q2, calor de condensação, é transferido para o ar externo ou para outros fluidos, num processo de condensação a pressão constante, transformando o vapor em líquido. O trocador que realiza a transformação é denominado condensador. Um fluido sai do condensador na forma de um líquido saturado.

3_4 – Há passagem pela válvula de expansão (válvula de laminação), na qual o fluido passa da pressão mais alta para a pressão mais baixa produzindo o fenômeno de expansão. É com essa mudança de estado que o calor é retirado do ambiente ou fluido. O líquido, após a válvula de expansão, deixa de ser comprimido e retorna ao estado de vapor.

4_1 – O calor Q1 (calor retirado do ambiente ou do fluido envolvido) é recebido pelo sistema de refrigeração em temperatura mais baixa em um processo de evaporação a pressão constante através de um trocador de calor denominado evaporador, desta forma o ciclo se fecha e o refrigerante e pronto para realizar um novo ciclo de refrigeração.

 

MÁQUINAS DE REFRIGERAÇÃO COP

Para máquinas de refrigeração, é possível definir um indicador de eficiência: o Coeficiente de Desempenho (POLICIAL_F):

COP_F = efeito de lucro / despesa necessária = Q1 / EU_c

onde o efeito útil é o calor subtraído em baixa temperatura para manter um ambiente frio, enquanto o gasto necessário é representado pelo trabalho de compressão.

O policial_F e inversamente proporcional ao custo operacional da planta: quanto maior o trabalho de compressão, menor o coeficiente de desempenho.

SUB-REFRIGERAÇÃO E SOBREAQUECIMENTO

Na prática comum, em ciclos de compressão de vapor padrão, um sub-resfriamento do líquido é realizado antes de realizar a expansão (laminação). Desta forma, você tem a certeza de alimentar o membro de laminação com líquido e não com vapor (o que faria com que o dispositivo funcionasse mal). O superaquecimento é feito para garantir que o compressor seja alimentado com vapor e evitar que o fluido contenha vestígios de líquido. De fato, pode acontecer, neste caso, que o compressor comprima algum líquido fazendo com que ele se quebre. Portanto, é preferível que o fluido seja ligeiramente superaquecido na entrada do compressor. Esta operação é sempre realizada no ciclo de refrigeração independentemente de haver aumento ou diminuição do COP; desta forma, você pode ter certeza de que o compressor (órgão muito caro) funciona bem e por muito tempo.

ESQUEMA DE COMPORTAMENTO

A figura mostra um diagrama de um circuito de refrigeração genérico: pode-se observar como o ar em contato com o evaporador B libera calor Q1 proveniente do ambiente E, enquanto o outro ar externo é mais quente (mas sempre em temperatura inferior à de condensação ) aquece passando pelo condensador C e depois é enviado para fora (calor Q2). O circuito é completado pelo elemento rolante D.

 

COMPONENTES DO CIRCUITO REFRIGERANTE

O COMPRESSOR

O compressor é o “coração” do circuito de refrigeração. É a força motriz do sistema de refrigeração porque fornece o trabalho necessário para a realização do ciclo termodinâmico. Sua função é levar o fluido refrigerante vaporizado da pressão do evaporador (baixa pressão) para a pressão do condensador (alta pressão) que corresponde a uma temperatura de condensação compatível com a do fluido refrigerante externo (ar ou água).

Tipos de compressores de refrigeração

alternativa	hermético
	semi-hermético
	aberto
rotativo	parafuso
	parafuso único
	parafuso duplo
	espiral (rolar)
	paleta (palheta deslizante)
	pistão oscilante

Existem diferentes tipos de compressores que podem ser classificados por tipo de compressão e tipo de construção:

- dinâmica em que a compressão é obtida variando as condições de fluxo do fluido com conversão de energia

- volumétrica em que a compressão é obtida por redução mecânica do volume oferecido ao fluido em um capsulismo com geometria variável; eles são divididos em:

Compressores volumétricos alternativos

O compressor alternativo é essencialmente constituído por um cilindro dentro do qual funciona um pistão, com movimento alternado. O cilindro é fechado na parte superior por uma placa onde se obtêm duas aberturas equipadas com válvulas. Eles permitem que o cilindro seja conectado alternativamente, através do duto de sucção, ao evaporador e, através do duto de entrega, ao condensador. Por meio de uma biela e mecanismo de manivela, o pistão é conectado ao eixo de manivela que tem a função de transformar o movimento rotativo do motor ao qual está conectado de forma alternativa (geralmente um motor elétrico).

Diagrama do sistema de válvulas de pistão do cilindro

Durante a fase de admissão, o pistão se move para baixo, as válvulas de admissão se abrem, colocando a câmara do cilindro em comunicação com a área de baixa pressão do circuito. Uma vez atingido o volume útil, aquele que ocorre no ponto morto inferior (PMI), o pistão começa a reduzir o volume da câmara do cilindro e a comprimir o fluido. As válvulas de admissão fecham, enquanto as válvulas de entrega abrem apenas quando a pressão dentro do cilindro é igual à presente na parte superior do circuito. A taxa de compressão (e o símbolo ρ é indicado) é a razão entre a pressão de condensação e a pressão de evaporação.

Os compressores alternativos podem, por sua vez, ser classificados de acordo com o método de construção em:

 

Compressores Rotary Scroll

Nos compressores Scroll, também chamados de "espirais orbitais", a compressão do gás ocorre graças à ação combinada de duas espirais involutas acopladas. A primeira espiral permanece fixa enquanto a segunda realiza um movimento orbital (não uma rotação), graças a esta configuração, bolsas de gás são criadas entre as bobinas que se movem para dentro, encolhendo e comprimindo. A compressão obtida é extremamente uniforme, evitando assim as clássicas “pulsações” características dos compressores alternativos.

Compressores giratórios duplos

Os problemas mais comuns relacionados aos compressores scroll rotativos dizem respeito à lubrificação correta na partida com risco de gripagem, à presença de grandes quantidades de óleo no circuito com ciclos de recuperação relativamente frequentes e finalmente à perda de eficiência em cargas parciais devido à limitação de capacidade em baixas frequências. Para resolver estes problemas, foi projetado um novo compressor Twin Rotary, no qual existem duas palhetas.

Graças à sua rotação em contrafase, as forças centrífugas opostas que atuam no eixo de rotação garantem maior estabilidade em baixas rotações. O “Rotor Duplo” permite maior uniformidade de rotação durante as operações de compressão e redução do atrito em comparação com máquinas rotativas clássicas. As palhetas ficam totalmente imersas no óleo, reduzindo significativamente o ruído produzido e as vibrações transmitidas ao circuito de refrigeração, mantendo sempre uma excelente lubrificação. Não possuindo uma fase depressiva para retirar o lubrificante, a quantidade de óleo que é introduzida no circuito de refrigeração é muito menor do que no compressor Scroll.

Em particular:

1 = sucção

2 = compressão

3 = dreno

COMPRESSORES DE PEÇAS ELÉTRICAS

As conformações das partes elétricas dos compressores de refrigeração adaptadas a cada necessidade de acordo com os vários tipos de diagramas de conexão das alimentações elétricas são descritas acessando o link abaixo. Os vários componentes elétricos necessários para iniciar e operar o compressor são descritos e são essencialmente: relés, protetores térmicos (clicson), capacitores eletrolíticos, etc.

Veja: "Diagramas das peças elétricas do compressor"

 

OS PERMUTADORES DE CALOR

Trocadores de calor (neste caso, condensadores e evaporadores) são dispositivos que permitem a troca de calor entre dois fluidos em temperaturas diferentes. Nos trocadores de calor, os dois fluidos não se misturam: o calor é trocado por convecção em ambos os fluidos e por condução através do meio de separação entre eles.

O condensador

O condensador do circuito refrigerante desempenha a função de dissipar o calor absorvido pelo refrigerante através de um fluido que pode ser água ou ar. Devido à compressão dada pelo compressor, o fluido chega ao condensador em condições de vapor superaquecido onde esfria e condensa, transferindo seu calor para o fluido de resfriamento, após o que sai do condensador em condições líquidas.

O refrigerante entra no condensador em condição de superaquecimento. Após um curto trecho, o refrigerante atinge condições de saturação e a partir daqui inicia o trecho afetado pela mudança de fase, que geralmente ocupa grande parte do trocador. Mesmo que na mudança de fase haja queda de temperatura devido à queda de pressão sofrida pelo refrigerante. Uma vez totalmente condensado, o refrigerante líquido é sub-resfriado até sair do condensador. O fluido de transferência de calor que absorve o calor da condensação é geralmente monofásico e, portanto, sua temperatura aumenta ao longo do caminho dentro do trocador. A classificação dos condensadores é geralmente feita com base no fluido de transferência de calor utilizado:

O evaporador

O evaporador desempenha a função de remover o calor indesejado do fluido a ser tratado (ar ou água) para transferi-lo para o circuito. O refrigerante entra no evaporador com um título de cerca de 10%, devido à queda de pressão durante a mudança de fase o refrigerante diminui sua temperatura mesmo que absorva calor até atingir as condições de vapor saturado seco. O refrigerante é superaquecido até sair do evaporador, para ser novamente aspirado pelo compressor. Existem evaporadores ventilados que aumentam sua eficácia por meio de ventilador e evaporadores estáticos que não recorrem a este dispositivo. Os evaporadores estáticos oferecem diversas vantagens em células refrigeradas utilizadas para alimentos, pois removem menos umidade do ambiente do que as ventiladas.

 

FLUIDO TÉRMICO

O fluido de transferência de calor que libera o calor da evaporação é geralmente monofásico (normalmente ar ou água) e, portanto, sua temperatura diminui ao longo do caminho dentro do trocador. No caso do ar, às vezes empurrado por um ventilador, ele toca nos tubos do evaporador, dando calor ao refrigerante (calor latente de evaporação), fazendo-o evaporar. À medida que o refrigerante evapora, ele absorve o calor do ambiente. O ar é resfriado e enviado de volta para a sala. Para facilitar a evaporação do refrigerante, são usados ​​tubos de cobre com alto coeficiente de condutividade térmica. Os tubos de cobre são inseridos em uma série de aletas finas que aumentam a área de superfície da área de contato com o ar.

OS REFRIGERANTES

Os fluidos refrigerantes são os meios pelos quais ocorre a transferência de calor nas diversas partes do circuito de refrigeração. O primeiro refrigerante utilizado em máquinas de refrigeração por compressão de vapor foi o éter etílico, escolhido e utilizado por volta de meados do século passado por Perkins e Harrison devido à sua inflamabilidade e toxicidade e à baixa confiabilidade dos sistemas de vedação ao longo do tempo, seu uso foi abandonado. Na segunda metade do século XIX, foram introduzidos outros refrigerantes, como dióxido de carbono, amônia e cloreto de metila; o uso desses refrigerantes sem dúvida contribuiu para o desenvolvimento de máquinas de refrigeração por compressão de vapor.

No entanto, o problema de segurança, devido à toxicidade e inflamabilidade de quase todos os refrigerantes listados, permaneceu até que refrigerantes sintéticos como R30, R11, R113, R21, etc. obtido a partir do metano e do etano pela substituição total ou parcial dos átomos de hidrogênio pelos de cloro, flúor e às vezes bromo. Graças às suas excelentes características termofísicas e aos seus requisitos de estabilidade e segurança, os clorofluorcarbonos (CFCs) estabeleceram-se como os refrigerantes predominantes para substituir os anteriormente utilizados, entre os quais praticamente só restava o amoníaco (R22) para aplicações industriais.

Mas o problema ambiental, em termos de destruição do ozônio e aquecimento global devido ao efeito estufa, deslegitimou parcialmente o papel desempenhado pelos chamados CFCs nos últimos cinquenta anos; daí a necessidade de substituir os CFCs por outros fluidos, o que levou o mundo técnico a imaginar e examinar as várias possibilidades, mas ao mesmo tempo colocou o problema de "retroajuste", ou seja, a conversão de todos os sistemas existentes e sua adaptação a novos refrigerantes.

Os novos refrigerantes

A partir do final da década de 70, a indústria química passou a trabalhar na identificação de novas substâncias adequadas para uso em sistemas de refrigeração, substituindo os CFCs e posteriormente também os HCFCs que estavam criando diversos problemas ambientais, como a diminuição do ozônio estratosférico. As substâncias identificadas, pertencentes à classe dos hidrofluorocarbonos HFC, foram avaliadas tanto do ponto de vista toxicológico (International PAFT Consortium) como do ponto de vista ambiental (AFEAS International Consortium). Os novos refrigerantes são caracterizados por uma alta estabilidade química, o que os torna adequados para uso em quase todas as condições operacionais que podem ser encontradas em sistemas de refrigeração e ar condicionado. Esses novos fluidos são misturas de vários compostos e, dependendo de seu comportamento, são definidos:

- Azeótropos: são misturas que não alteram sua composição volumétrica ou sua temperatura de saturação durante a evaporação (ausência de efeito de deslizamento); portanto, mudanças de estado ocorrem em um pressão e temperatura constantes.

- Quase Azeótropos: apresentam uma ligeira variação de temperatura durante a transição de estado (pequeno efeito de deslizamento) que no entanto não compromete o desempenho e funcionamento do sistema.

- Zeotrópicos: possuem um efeito de "deslizamento" acentuado, ou seja, a passagem dos estados ocorre a pressão constante, mas não a temperaturas constantes. Ao projetar o maquinário, essa particularidade deve ser levada em consideração se você pretende usar um fluido zeotrópico. Sendo esta mistura formada por uma parte mais volátil e outra menos volátil, em caso de vazamento o componente mais leve vazará facilmente. Dessa forma, apenas o componente mais pesado permanecerá no circuito, geralmente com características de resfriamento fracas. Portanto, em caso de falha, o sistema deve primeiro ser completamente esvaziado e a mistura “recriada”, reabastecendo o componente perdido e, finalmente, após ter reparado o vazamento, o circuito deve ser reabastecido.

Os principais refrigerantes HFC:

- R134A

- R407C

- R410A

Para obter mais detalhes, consulte os seguintes links:

Gás refrigerante

Cartões de gás refrigerante

Relação de pressão da temperatura do refrigerante

Aplicações típicas

Aplicações típicas de gás refrigerante com indicação do tipo de fluido, número R, qual produto ele substitui, composição e fabricante.

Veja a versão completa "Aplicações típicas de gás refrigerante"

O ÓRGÃO LAMINANTE

De um ponto de vista puramente termodinâmico, o membro de laminação serve para baixar a pressão e a temperatura entre os dois trocadores de calor do ciclo reverso de compressão de vapor. Na prática, sua função principal é regular o fluxo do fluido refrigerante do condensador ao evaporador de forma que seja sempre compatível com a capacidade de refrigeração que o sistema deve garantir. A classificação entre os diferentes corpos rolantes é baseada na capacidade de adaptar sua geometria às diferentes condições de carga (variação da capacidade de resfriamento necessária).

O tubo capilar

É o órgão de laminação mais comum em máquinas de refrigeração pequenas e muito pequenas e condicionadores de ar. O refrigerante líquido é forçado a passar por esse tubo extremamente estreito. A energia perdida ao passar pelo capilar leva o refrigerante de um estado de alta pressão para um estado de pressão muito baixa. nestes casos, condições de operação diferentes das nominais são estabelecidas espontaneamente com diminuição da eficiência.

A válvula de expansão termostática

As válvulas de expansão termostática controlam a injeção de refrigerante líquido nos evaporadores e protegem o motor do compressor do refrigerante líquido. 

A válvula de expansão termostática permite manter o superaquecimento (ou o nível do refrigerante) constante em situações de carga variável no sistema de refrigeração, de forma a economizar energia.

A válvula de laminação eletrônica

Ela atua como uma válvula termostática, exceto que não é autoativada por meio do sistema de pressão criado na válvula. É um verdadeiro sistema de controle eletrônico operado eletronicamente.

Elementos rotativos que adaptam sua geometria à carga:

• válvula de expansão termostática
• válvula de expansão eletrônica

Elementos rotativos que NÃO adaptam sua geometria à carga:

• tubo capilar
• válvula de pressão constante

 

ACESSÓRIOS PRINCIPAIS

 

Outros tipos de termostato

Antiguidade (perene)

• Refrigeração

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