refrigeração industrial - sistema frigorifico
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Projeto de um layout e seus componentes de um sistema de refrigeraçãoTRANSCRIPT
UNIVERSIDADE FEDERAL DO TRIÂNGULO MINEIRO
INSTITUTO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS E EXATAS
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
REFRIGERAÇÃO, VENTILAÇÃO E CONDICIONAMENTO DE AR
PROF.º DR. ANDERSON UBICES
Gustavo Emmanuel C. B. Guidetti – 201010695
TRABALHO 1 – DESENVOLVIMENTO DE LAY-OUT DO SISTEMA DE
REFRIGERAÇÃO
Uberaba-MG
2015
UNIVERSIDADE FEDERAL DO TRIÂNGULO MINEIRO
INSTITUTO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS E EXATAS
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
REFRIGERAÇÃO, VENTILAÇÃO E CONDICIONAMENTO DE AR
PROF.º DR. ANDERSON UBICES
Gustavo Emmanuel C. B. Guidetti – 201010695
TRABALHO 1 – DESENVOLVIMENTO DE LAY-OUT DO SISTEMA DE
REFRIGERAÇÃO
Trabalho apresentado com modo avaliativo da
Disciplina de Refrigeração, Ventilação
e Condicionamento de ar
do Curso De Engenharia Mecânica
da Universidade Federal
Do Triângulo Mineiro
Uberaba-MG
2015
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO .................................................................................... 1
1.1 Considerações Iniciais ............................................................................ 1
1.2 Ciclo de Compressão à Vapor ................................................................ 2
1.3 Ciclo de Múltiplos estágios ..................................................................... 3
2 OBJETIVO ........................................................................................... 4
2.1 Objetivo geral........................................................................................... 4
2.2 Objetivos específicos .............................................................................. 4
3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA .......................................................... 5
3.1 Componentes do Sistema ....................................................................... 5
3.1.1 Compressor ............................................................................................. 5
3.1.2 Evaporador .............................................................................................. 7
3.1.3 Condensador ........................................................................................... 9
3.1.4 Dispositivos de Expansão...................................................................... 10
4 DADOS DO PROJETO ..................................................................... 11
5 CONFIGURAÇÃO DOS SISTEMAS TÉRMICOS ............................ 12
5.1 Múltiplas Pressões - Compressores em Paralelo................................ 12
5.2 Múltiplas pressões - Compressores em Série ..................................... 14
5.3 Comparação dos Parâmetros dos Dois Sistemas ............................... 15
6 DIMENSIONAMENTO DOS COMPONENTES BÁSICOS DO
SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO............................................................. 16
6.1 Compressores ....................................................................................... 16
6.1.1 Compressor 1 ........................................................................................ 16
6.1.2 Compressor 2 ........................................................................................ 18
6.2 Condensador ......................................................................................... 21
6.2.1 Condensador Resfriado a Ar ................................................................. 21
6.2.2 Condensador Evaporativo ..................................................................... 22
6.3 Evaporador ............................................................................................ 23
6.3.1 Evaporador 1 ......................................................................................... 23
6.3.2 Evaporador 2 ......................................................................................... 25
6.3.3 Evaporador 3 ......................................................................................... 26
6.4 Válvulas de Expansão ........................................................................... 26
6.4.1 Válvula de Expansão 1 .......................................................................... 27
6.4.2 Válvula de Expansão 2 .......................................................................... 27
6.4.3 Válvula de Expansão 3 .......................................................................... 28
6.5 Válvula Redutora de Pressão ............................................................... 29
7 COMPONENTES EXTRAS E CONFIGURAÇÃO TÉCNICA DO
SISTEMA ................................................................................................. 30
7.1 Filtro Secador (G) .................................................................................. 31
7.2 Visor de liquido (SGI) ............................................................................ 31
7.3 Registro (BM) ......................................................................................... 31
7.4 Válvula Solenoide (EVR) ....................................................................... 31
7.5 Termostato (F) ....................................................................................... 32
7.6 Válvula de Retenção (NRV) ................................................................... 32
7.7 Separador de Óleo (OUB)...................................................................... 33
7.8 Regulador de Pressão (KVP) ................................................................ 33
7.9 Regulador de Pressão e Sucção (KVL) ................................................ 34
7.10 Pressostato Diferencial (MP) ................................................................ 34
7.11 Pressostato duplo KP15 ....................................................................... 34
8 CONCLUSÃO .................................................................................... 35
9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................. 35
10 ANEXOS ......................................................................................... 36
10.1 Anexo 1 - Catálogo Compressor 1 – Copeland Emerson ................... 36
10.2 Anexo 2 - Catálogo Compressor 2 –Copeland Emerson ................... 37
10.3 Anexo 3 - Catálogo Válvula Expansão 1 – Parker ............................... 38
10.4 Anexo 4 - Catálogo Válvula de Expansão 2 – Parker .......................... 39
10.5 Anexo 5 - Catálogo Válvula Expansão 3 - Parker ............................... 40
10.6 Anexo 6 - Catálogo Evaporador 1- Trineva ......................................... 41
10.7 Anexo 7 - Catálogo Evaporador 2- Trineva ......................................... 42
10.8 Anexo 8 - Catálogo Evaporador 3- Trineva ......................................... 43
10.9 Anexo 9 - Catálogo Condensador - Mipal ............................................ 44
10.10 Anexo 10 - Catálogo Torre de Resfriamento - Caravelas.................. 45
10.11 Anexo 11 - Catálogo Torre de Resfriamento - Caravelas.................. 46
10.12 Anexo 12 - Catálogo Válvula Redutora de Pressão - DanFoss ........ 47
10.13 Cálculos sistema com 2 Compressores em Série ............................ 48
10.14 Cálculos sistema com 2 Compressores em Paralelo ......................... 2
1
1 INTRODUÇÃO
1.1 Considerações Iniciais
A refrigeração é definida como qualquer processo que vise transferir continuamente a
energia térmica de uma região de baixa temperatura para uma de maior temperatura.
(Salvador, 1999).A refrigeração pode ser definida também pela ação de resfriar determinado
ambiente de forma controlada, tanto para viabilizar processos, processar e conservar produtos
ou efetuar climatização para conforto térmico. (Eich & Ioris, 2013)
O emprego dos meios de refrigeração já era do conhecimento humano mesmo na
época das mais antigas civilizações. Pode-se citar a civilização chinesa que, muitos séculos
antes do nascimento de Cristo, usavam o gelo natural (colhido nas superfícies dos rios e lagos
congelados e conservado com grandes cuidados, em poços cobertos com palha e cavados
na terra) com a finalidade de conservar o chá que consumiam. As civilizações gregas e
romanas que também aproveitavam o gelo colhido no alto das montanhas, a custo do braço
escravo, para o preparo de bebidas e alimentos gelados. (Silva, 2009)
O congelamento dos alimentos é considerado uma técnica excelente para
conservação de sua qualidade. De maneira gera, o congelamento preserva o saber, a textura
e o valor nutricional dos alimentos melhor do que qualquer outro método de conservação, em
função disso, quantidades cada vez maiores de alimentos têm sido congeladas no mundo.
(Salvador, 1999)
Existem três sistemas principados de refrigeração: os sistemas por absorção, os
sistemas por efeitos termoelétricos e os sistemas por compressão a vapor. Os mais usados
são os sistemas por compressão a vapor, principalmente em instalações industriais para
processamento e armazenagem de alimentos e em equipamentos de pequeno porte como
refrigeradores, ‘freezers’ e condicionadores de ar compactos. (Salvador, 1999)
A refrigeração comercial abrange os refrigeradores especiais ou de grande porte
usados em restaurantes, sorveterias, bares, açougues, laboratórios, etc. As temperaturas de
congelamento e estocagem situam-se, geralmente, entre -5°C a -30°C. Como regra geral, os
equipamentos industriais são maiores que os comerciais (em tamanho) e têm como
característica marcante o fato de requererem um operador de serviço. São aplicações típicas
industriais as fábricas de gelo, grandes instalações de empacotamento de gêneros
alimentícios (carnes, peixes, aves), cervejarias, fábricas de laticínios, de processamento de
bebidas concentradas e outras. A refrigeração marítima refere-se à refrigeração a bordo de
embarcações e inclui, por exemplo, a refrigeração para barcos de pesca e para embarcações
de transporte de cargas perecíveis. A refrigeração de transporte relaciona-se com
equipamentos de refrigeração em caminhões e vagões ferroviários refrigerados. (Silva, 2009)
2
As componentes essências de um sistema frigorifico por compressão a vapor são:
compresso, condensador, dispositivo de expansão, evaporador, sistema de controle,
tubulação e fluido refrigerante. (Salvador, 1999)
O fluido refrigerante é o fluido que absorve calor de uma substância do ambiente a ser
resfriado. Não há um fluido refrigerante que reúna todas as propriedades desejáveis, de modo
que, um refrigerante considerado bom para ser aplicado em determinado tipo de instalação
frigorífica nem sempre é recomendado para ser utilizado em outra. O bom refrigerante é
aquele que reúne o maior número possível de boas qualidades, relativamente a um
determinado fim. (Silva, 2009)
Os tipos de fluidos refrigerantes são:
CFC - São moléculas formadas pelos elementos cloro, flúor e carbono.
(Exemplos: R-11, R-12, R-22, R-502, etc.), cuja a utilização se baseia
principalmente em ar condicionado automotivo, refrigeração comercial,
refrigeração doméstica (refrigeradores e freezers) etc.
Vale ressaltar que os CFC’s destroem a camada de ozônio. A camada de
ozônio sendo danificada permite que raios ultravioletas (UV) do sol alcancem
à superfície da Terra. As indústrias químicas nacionais cessaram a produção
de CFC’s e a importação destas substâncias virgens está controlada. Para
converter ou substituir um equipamento operado com CFC foram criados dois
tipos de refrigerantes alternativos: HCFC’s e HFC’s.
HCFC - Alguns átomos de cloro são substituídos por hidrogênio (Exemplos: R-
22, R-141b, etc.) utilizados principalmente em ar condicionado de janela, Split,
self, câmaras frigoríficas, etc.
HFC - Todos os átomos de cloro são substituídos por hidrogênio (Ex: R-134a,
R-404A, R-407C, etc.) utilizando em condicionado automotivo, refrigeração
comercial, refrigeração doméstica (refrigeradores e freezers), etc.
1.2 Ciclo de Compressão à Vapor
O ciclo de refrigeração visa transferir continuamente a energia térmica de uma região
de baixa temperatura para uma de maior temperatura, à custa de fornecimento de trabalho.
Neste ciclo, o trabalho fornecido ao compressor é utilizado para elevar a pressão e a
temperatura de vapor de fluido refrigerante que chega ao compressor. Esse vapor de alta
pressão e temperatura vai para o condensador onde rejeita calor para o meio, condensando
o fluído refrigerante. O liquido condensado segue em direção a um dispositivo de expansão
onde o fluido passa de estado líquido a alta pressão para um mistura líquido-vapor a baixa
pressão e temperatura. O fluido refringente então retira calor do ambiente ou sistema a ser
3
refrigerado, utilizando esse calor para se vaporiza, seguindo em direção ao compressor, onde
completa o ciclo.
O ciclo padrão de compressão a Vapor e o esquema do ciclo é ilustrado na Figura 1,
os seus processos podem ser definidos como:
Figura 1 – Esquema e Ciclo Padrão de Compressão a Vapor – Fonte: (Salvador, 1999)
1 – 2: Compressão Isentrópica até a pressão de condensação;
2 – 3: Resfriamento e condensação do vapor até liquido saturado a pressão constante;
3 – 4: Expansão isoentálpica até a pressão de e evaporação;
4 – 1: Evaporação a pressão constante até o estado de vapor saturado.
O parâmetro de eficiência utilizado por sistema de refrigeração é o Coeficiente de
Eficiência (COP – ‘Coeficiente of Prormace’) definido como:
calor removidodoambientenabaixatemperaturaCOP
trabalholíquido (1)
1.3 Ciclo de Múltiplos estágios
A compressão múltiplos estágios é utilizada a fim de minimizar os problemas
decorrentes da elevada diferença entre temperatura de evaporação e condensação
normalmente encontrada na refrigeração e reduzir a potência de compressão necessária.
Utilizando de pressões intermediárias. O esquema e ciclo do sistema com múltiplos estágios
pressões está ilustrado na Figura 2 abaixo.
4
Figura 2 – Ciclo a Vapor de Múltiplos Estágios – Fonte: (Salvador, 1999)
A fim de reduzir o trabalho de compressão, pode-se eliminar o vapor no tanque flash.
Nesse tanque o liquido proveniente do condensador é expandido até uma pressão
intermediaria. O vapor gerado nesse processo é comprimido até a pressão de condensação.
O liquido, por sua vez é dirigido para um dispositivo de expansão onde sua pressão está
reduzida até aquela evaporação. (Salvador, 1999)
2 OBJETIVO
2.1 Objetivo geral
O objetivo geral deste trabalho é desenvolver o layout de dois sistemas de refrigeração
de acordo com a estrutura arquitetônica de um comércio de carnes fornecido, e obter uma
análise que justifique a melhor disposição conforme os dados técnicos do sistema de
refrigeração.
2.2 Objetivos específicos
- descrever as possibilidades de configuração do sistema;
- fazer levantamento das propriedades, cargas térmicas, rendimentos dos sistemas
conforme a configuração;
- realizar uma comparação visando identificar a melhor disposição entre os sistemas.
5
3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
3.1 Componentes do Sistema
Na Figura 3 a seguir podemos visualizar o esquema simplificado dos componentes
que fazem parte de um sistema de refrigeração a vapor. Para um sistema completo deveriam
ser incluídos os filtros, reservatórios, válvulas e equipamentos de controle.
Figura 3 – Componentes básicos de um sistema de refrigeração. Fonte: (Silva, 2009)
3.1.1 Compressor
Compressores podem ser considerados como os principais equipamentos que
compõem sistemas de compressão de vapor. Os principais tipos de compressores utilizados
em sistemas frigoríficos são: alternativo, parafuso, centrífugo e de palhetas. (Silva, 2009)
Os compressores alternativos são preferidos quando usado fluidos refrigerantes de
calor de vaporização volumétrico elevado, trabalhando em instalações de pequeno e médio
porte. Os compressores alternativos são construídos em distintas concepções, destacando
entre elas os tipos aberto, semi-hermético e selado (hermético). O compressor aberto é o
único tipo adequado a instalações de amônia, sendo compatível também com refrigerantes
halogenados. No compressor semi-hermético, a carcaça exterior aloja tanto o compressor
como o motor. Esta combinação permite que o motor seja refrigerado pelo próprio fluido
refrigerante. (Eich & Ioris, 2013)
Um modelo simples, comumente observado na literatura, é o modelo que supõe a
inexistência na variação no fluxo de massa entre a entrada e a saída do compressor. Tal
modelo permite computar o fluxo de massa e a entalpia na saída do compressor. A vazão
6
mássica através do compressor pode ser calculada pode ser calculada através da equação 2
(Silva, 2009):
f vmf NV (2)
Onde:
N = rotação do compressor em rps;
V = volume deslocado;
f = densidade do refrigerante na entrada do compressor;
v = eficiência volumétrica.
Para calcular a eficiência volumétrica dos compressores utiliza-se a equação 3 a seguir
(Silva, 2009):
1
v
p
c
cc
v r r
e
Pc c
P
(3)
Onde:
rc = fator de folga do compressor (razão entre volume morto e volume deslocado);
cP = pressão de condensação do refrigerante;
eP = pressão de evaporação do refrigerante;
vc = calor especifico para volume constante na entrada do compressor;
pc =calor especifico para pressão constante na entrada do compressor.
Em um primeiro momento, a entalpia na saída do compressor pode ser calculada
levando se em consideração que o processo de compressão é isentrópico (s= cte). A diferença
entra as entalpias encontradas na entrada e na saída do compressor (trabalho de
compressão) é dividido pela eficiência de compressão. Então, as temperaturas e entalpias
são recalculadas de maneira a representar o novo valor do trabalho de compressão. Sendo
que os parâmetros são obtidos pelos catálogos (Silva, 2009)
7
3.1.2 Evaporador
O evaporador é um dos componentes principais de um sistema de refrigeração, e tem
a finalidade de extrair calor do meio a ser resfriado, isto é, extrair calor do ar, água ou outras
substâncias. É a parte do sistema de refrigeração onde o fluido refrigerante sofre uma
mudança de estado, saindo da fase líquida para a fase gasosa. É chamado, às vezes, de
serpentina de resfriamento, resfriador da unidade, serpentina de congelamento, congelador,
etc. (Silva, 2009)
A eficiência do evaporador em um sistema de refrigeração depende de três principais
requisitos, que devem ser considerados no projeto e seleção do mesmo:
• Ter uma superfície suficiente para absorver a carga de calor necessária, sem
uma diferença excessiva de temperatura entre o refrigerante e a substância a resfriar.
• Deve apresentar espaço suficiente para o refrigerante líquido e também espaço
adequado para que o vapor do refrigerante se separe do líquido.
• Ter espaço suficiente para a circulação do refrigerante sem queda de pressão
excessiva entre a entrada e a saída.
A capacidade da refrigeração em que o trocador resfria através do ar pode ser obtida
através da Equação 4:
logmQ U A t (4)
Onde:
Q = fluxo de calor (kW)
U = coeficiente global de transferência de calor (kW/m² ºC)
A = área de troca de calor (m²)
logmt = diferença média logarítmica de temperaturas de entrada e saída do ar (ºC).
Entretanto para se obter a relação de diferença média logarítmica da temperatura
utiliza-se a Equação 5, a seguir:
e r s rlog
(t t ) (t t )
ln
m
e r
s r
tt t
t t
(5)
Onde:
et = temperatura de entrada de ar (ºC)
8
rt = temperatura de saída de ar (ºC)
st = temperatura do refrigerante (ºC).
Embora o evaporador seja as vezes um componente muito simples, ele é a parte mais
importante do sistema. O evaporador tem como única função retirar calor de alguma
substância. Como esse calor tem que ser absorvido pelo evaporador, a eficiência do sistema
depende do projeto e da operação adequada do mesmo.(Eich & Ioris, 2013)
O coeficiente global é a analise essencial e frequentemente mais imprecisa dos
trocadores de calor. Este coeficiente é a resistência térmica total entre a troca de calor de dois
fluidos, ele é determinado levando em conta a resistência condutiva e convectiva dos fluidos
separados por paredes planas ou cilíndricas e os resultados aplicam-se a paredes limpas e
sem aletas. A resistência à troca de calor aumenta com o trocador de calor em operação
sendo por reações químicas entre fluido e trocador de calor, ferrugem, decomposição de
resíduos do fluido. Este efeito levantado determina o fator de incrustação, (Ri), no qual o valor
depende da velocidade do fluido, da temperatura e tempo de trabalho. O coeficiente global de
calor é determinado a partir do conhecimento dos coeficientes de transferência de calor nos
fluidos quente e frio, dos fatores de incrustação da superfície e de parâmetros geométricos
apropriados.
Na Tabela 1, são apresentados alguns coeficientes globais de transferência de calor
de tipos de evaporadores.
Tabela 1 – Coeficientes global de transferência de Calor – Fonte: (Eich & Ioris, 2013)
9
3.1.3 Condensador
Condensadores são os elementos do sistema de refrigeração que têm a função de
transformar o gás quente, que é descarregado do compressor a alta pressão, em líquido. Para
isso, rejeita o calor contido no fluido refrigerante para alguma fonte de resfriamento.
Ao ser admitido no condensador, o fluido refrigerante está no mesmo estado que na
descarga do compressor, ou seja, gás quente a alta pressão. Como em um sistema de
refrigeração o objetivo é evaporar o refrigerante (para resfriar), o refrigerante no estado
gasoso deve ser condensado antes de retomar ao evaporador.
O processo de condensação do fluido refrigerante se dá ao longo de um trocador de
calor, denominado condensador, em três fases distintas que são: Dessuperaquecimento,
Condensação e Sub-Resfriamento. (Silva, 2009).
O calor transferido nesta fase depende essencialmente do fluído e da relação de
compressão. A quantidade de calor fornecida a fonte quente é denominada de capacidade
calorifica).
Os tipos de condensadores mais usados em refrigeração são:
Condensadores de casco e tubos (shell and tube);
Condensadores de casco e serpentina (shell and coil);
Condensadores de tubos duplos;
Condensadores atmosféricos;
Condensadores evaporativos e
Condensadores resfriados a ar.
Na refrigeração industrial o tipo de condensador predominante é o condensador
evaporativo, conhecido também como torres de resfriamentos. Composto por bomba d’água,
borrifadores, ventilador, eliminadores de gotas e uma serpentina condensadora para o
refrigerante.
As torres de resfriamento são classificadas como sistemas de resfriamento
evaporativo, o que consiste na transformação de calor sensível em calor latente, onde a água
e o ar são fluídos de trabalho. (Eich & Ioris, 2013)
O dimensionamento e seleção dos condensadores é normalmente feito a partir de
dados de catálogos, utilizando-se a mesma formulação usada no caso dos resfriadores para
a taxa de transferência de calor. (Salvador, 1999)
Para um condensador resfriado a ar há uma relação definida entre o tamanho (área
de face) do condensador e a quantidade de ar circulado uma vez que a velocidade do ar
através do condensador é crítica dentro de certos limites. O bom projeto prescreve a
mínima velocidade de ar que produzirá fluxo turbulento e um alto coeficiente de
10
transmissão. Normalmente, as velocidades de ar sobre condensadores resfriados a ar
são entre 2,5 e 5 m/s. A velocidade do ar que passa através de um condensador resfriado
é dada por:
arar
f
Qv
A (6)
Onde:
arv =Velocidade do ar, m/s;
arQ = vazão de ar, m³/s;
fA = Área de face, m².
3.1.4 Dispositivos de Expansão
Os dispositivos de expansão são importantes componentes para o funcionamento de
sistemas de refrigeração. Tais dispositivos têm como principal função reduzir a pressão na
entrada do evaporador e regular a vazão de refrigerante. Os dispositivos de expansão mais
comumente utilizados são os tubos capilares e as válvulas de expansão termostática. Os
tubos capilares consistem em tubos de pequeno diâmetro que atuam como uma restrição ao
fluxo, diminuindo a pressão. (Brandão, 2005)
As válvulas de expansão termostáticas regulam a injeção de líquido refrigerante nos
evaporadores. A injeção é controlada em função do superaquecimento do refrigerante, as
válvulas são especialmente adequadas para a injeção de líquidos em evaporadores secos,
nos quais o superaquecimento na saída do evaporador é proporcional à carga do
mesmo.(Eich & Ioris, 2013)
Considera-se que a variação de entalpia em tais dispositivos é nula, ou seja, h entrada =
h saída. (Silva, 2009)
O dimensionamento e seleção das válvulas de expansão é normalmente feito a partir
de dados de catálogos, e para o dimensionamento dos tubos capilares para título de
comparação com as válvulas será usado o programa Capillary Tube v1.2 em plataforma EES
produzido pela marca TECUMSEH®.
11
4 DADOS DO PROJETO
Conforme a Figura. 4 abaixo, está ilustrado a planta baixa da disposição das câmaras
frias do comércio de carnes, detalhando uma divisão com duas câmaras com temperaturas
diferentes, a primeira destinada à um congelamento de carne com temperatura de -25°C com
capacidade de refrigeração de 15kW e a outra para um resfriamento de carne com
temperatura de 0°C e capacidade de refrigeração de 10kW. Além de possuir uma ante câmara
com 10°C e capacidade de refrigeração de 1 kW e uma sala que será utilizada como casa de
máquinas.
Figura 4 – Planta arquitetônica da câmara fria
Para que haja troca de calor entre o evaporador e as salas será estipulado que a
temperatura do evaporador deverá estar no máximo 6°C abaixo da temperatura de cada sala.
Assim será definido para a temperatura de evaporação da sala de congelamento
T_eva_cong= -31°C, para a temperatura de evaporação da sala de resfriamento T_eva_resf=
- 6°C e para a temperatura de evaporação da ante câmara T_eva_ante= 4°C.
Será também definido a temperatura de condensação mínima em T_cond= 30°C.
Entretanto será considerado a utilização de um subresfriamento e um superaquecimento de
5°C por medidas de segurança, tentando restringindo a entrada somente de vapor
superaquecido no compressor e de liquido subresfriado na válvula de expansão.
Será utilizado para o sistema o fluido R22.
12
5 CONFIGURAÇÃO DOS SISTEMAS TÉRMICOS
É apresentado duas configurações para uma análise de comparação, e assim de
acordo com os resultados escolhido o sistema que apresenta uma maior eficiência, que
favoreça a durabilidade e a manutenção do sistema. E parra isso, foi utilizado duas
configurações de múltiplas pressões contendo disposição de dois compressores em paralelo
e em série.
5.1 Múltiplas Pressões - Compressores em Paralelo
A configuração representada na Figura 5 contém um sistema de refrigeração com um
evaporador por ambiente (3 evaporadores) sendo que cada um possui uma respectiva carga
térmica. Possui também dois compressores ligado em paralelo, uma válvula de expansão para
cada evaporador, um condensador e uma válvula de redução de pressão que servirá para
reduzir a pressão que sairá do terceiro evaporador para que ocorra a mistura com a vazão na
mesma pressão do segundo evaporador, a qual evita o retorno do fluido para a menor
pressão.
Figura 5 – Configuração sistema com 2 compressores em paralelo
13
Na Figura 6 encontra-se detalhado o gráfico com o ciclo termodinâmico representativo
da configuração com 2 compressores em paralelo, contendo a numeração de cada estado
sinalizado na Figura 5.
Figura 6 - Gráfico P x h do ciclo termodinâmico com 2 compressores em paralelo
14
5.2 Múltiplas pressões - Compressores em Série
A seguinte configuração representada na Figura 7 descreve o sistema de refrigeração
com a mesma configuração do sistema anterior, entretanto, alterando somente a disposição
dos compressores, ou seja utiliza-se dois compressores trabalhando em série. Utilizando
também as mesmas configurações de temperatura de evaporação e condensação e cargas
térmicas do sistema anterior.
Figura 7 – Configuração sistema com 2 compressores em série
Na Figura 8 encontra-se detalhado o gráfico com o ciclo termodinâmico representativo
da configuração com 2 compressores em série, contendo a numeração de cada estado
sinalizado na Figura 7.
15
Figura 7 - Gráfico P x h do ciclo termodinâmico com 2 compressores em série
5.3 Comparação dos Parâmetros dos Dois Sistemas
Após analisar as propriedades de todas os estados, obteve-se os dados da vazão
mássica correspondente a cada evaporador. Analisou-se também a vazão volumétrica de
entrada e saída de cada compressor, além dos respectivos trabalhos e suas temperaturas de
saída do fluido. Os coeficientes de rendimento do sistema de resfriamento para cada
configuração também foram calculados, e estão descritos na Tabela 2 abaixo para
comparação.
Tabela 2 – Valores de parâmetros calculados para ambos os sistemas
Conforme os dados apresentados na Tabela 2 anterior, pode-se perceber que há uma
grande diferença entre as duas configurações analisadas. A disposição em paralelo mostrou
como desvantagem as altas temperaturas do fluído refrigerante na saída dos compressores,
bem superiores as temperaturas de saída dos compressores em série, e isso influência
significativamente na vida útil dos compressores. Apresentou também uma quantidade de
trabalho executado pelo compressor 1 muito maior que no ciclo com compressores em série,
resultando como consequência um coeficiente de rendimento inferior ao do ciclo com
M 1 M 2 T_sai_c1 T_sai_c2 W_c1 W_c2 V_ent_c1 V_ent_c2 V_sai_c1 V_sai_c2
Kg/s Kg/s °C °C KW KW L/s L/s L/s L/s
Paralelo 0,09 0,05 0,005 70,13 52,89 4,8 1,707 13,14 3,66 2,22 1,408 3,99
Série 0,09 0,05 0,005 16,19 43,03 2,11 3,99 13,14 8,75 5,78 3,28 4,26
M 3 kg/s COP
16
compressores em série, sendo o COP no sistema em paralelo de 3,99 enquanto o de série
teve um aumento para 4,26.
6 DIMENSIONAMENTO DOS COMPONENTES BÁSICOS DO
SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO
6.1 Compressores
Utilizando a configuração com os compressores ligados em série, faz-se necessário
dimensionar cada compressor utilizando de catálogos técnicos para que as condições
adequadas de trabalho dos compressores obedeçam as propriedades exigidas pelo sistema.
Foram definidos compressores alternativos semi-herméticos de padrões industrias,
pois estes são compressores que fornecem acesso as válvulas e aos pistões, facilitando
futuras manutenções. Estes compressores possuem também características para
trabalharem dentro das faixas da capacidade de refrigeração e potência de compressão
exigidas, ideias para trabalhos com fluido refrigerante halogenados, como o R-22 e com
sistemas de baixa e média pressão (LBP/MBP) que faz jus ao projeto proposto.
6.1.1 Compressor 1
O compressor 1 é o compressor que deverá funcionar a mais baixa pressão do sistema
(P1= 157,1kPa) e também a mais baixa temperatura de evaporação (T1= -26°C), responsável
pela carga de resfriamento somente do evaporador 1. O qual trabalhará nas condições
exigidas, conforme mostra a Tabela 3, levando em consideração que o fluido sai com um
superaquecimento de 5°C do evaporador.
Tabela 3 – Propriedades de Trabalho do Compressor 1
Para trabalhar nessas condições foi escolhido um compressor 6SLW-2500, modelo
alternativo semi-hermético da marca Copeland/Emerson Climate Technologies®, escolhido
pelo catálogo descrito no Anexo 1.
Temperatura de Evaporação T_eva_cong= -31°C
Temperatura de Condensação T_cond= 30°C
Temperatura de Entrada do fluido T_1= -26°C
Temperatura de Saida no Compressor T_2=16,19°C
Capacidade Refrigeração Exigida Q_refr_comp1=15kW
Potencia de Compressão Exigida W_com_1=2,109kW
Compressor 1
17
O compressor escolhido possui como dados técnicos os valores apresentados na
Tabela 4 abaixo.
Tabela 4 – Dados Técnicos do compressor 6SLW-2500 – Fonte: (Catálogo Emerson)
A Figura 8 abaixo detalha o compressor, define cada linha de entrada e saída, mostra
a entrada e conexões para sensores, entre outros detalhes.
Figura 8 – Desenho Técnico do Compressor 6SLW-2500 – Fonte (Catálogo Emerson)
Evaporating Temperature T_eva= - 35°C
Cond.Temperature T_cond= 30°C
Capacity 16,71kW
Power Input 11,01kW
Frequency 50Hz
Quantidade de Cilindros 6 cilindros
Bore 68,3 mm
Stroke 55,6 mm
HP nominal 25HP
Rotações 1450 rpm
Displacement 106 m³/h
Discharge line diametro 2 1/8"
Power 380-420V - 3PH
Oil Charge 3,4 liters
Net Weight 210 kg
Gross Weight 237 kg
Compressor 1 - 6SLW-2500
18
Levando em consideração as equações 2 e 3 pode-se calcular o valor exigido da
potência do compressor levando em conta a eficiência volumétrica calculada para o
compressor, as quais estão indicados na Tabela 5.
Tabela 5 – Eficiência Volumétrica do Compressor 1 - 6SLW-2500. Fonte: (Catálogo Emerson)
Assim pode-se observar que como o compressor foi escolhido com uma margem de
folga para a quantidade de potência de compressão necessária, mesmo levando em
consideração a e eficiência volumétrica de 0,73, o compressor escolhido serve para
estabelecer os parâmetros desejados, e ainda trabalhará bem abaixo da potência máxima,
provocando um aumento da vida útil deste.
6.1.2 Compressor 2
O compressor 2 é o compressor que deverá funcionar com a vazão de entrada após a
mistura das duas vazões dos evaporadores 2 e 3. Recebendo um fluxo com pressão
P2=407,8kPa. Trabalhará com as condições, conforme mostra a Tabela 6, levando em
consideração que o fluido sai com um superaquecimento de 5°C do evaporador 2 e 3. Mesmo
assim, após a mistura, devido ao balanço de energia o fluido encontrará em regime de
saturação com título de x11=0,98, o que se encontra dentro do aceitável pelo compressor da
quantidade de liquido na mistura.
Compressores 6SLW-2500 Unid
Bore 68,30 mm
Stroke 55,60 mm
Fator de Folga 0,23
Pressao de Condensação 407,80 kPa
Pressao de Evaporaçao 157,10 kPa
Calor especifico volume constante na entrada 0,53 kJ/kg-k
Calor especifico pressao constante na entrada 0,64 kJ/kg-k
Eficiencia Volumetrica 0,73
Rotação 1450,00 rpm
Volume deslocado 106,00 m³/h
densidade do refrigerante na entrada 6,92 kg/m3
Vazão Massica 3,59 kg/s
Potencia Exigida pelo sistema 2,11 kW
Potencia Necessaria pela Eficiencia 2,89 kw
19
Tabela 6– Propriedades de trabalho do Compressor 1
Para trabalhar nessas condições foi escolhido um compressor 3SS1-1500, modelo
alternativo semi-hermético da marca Copeland/Emerson Climate Technologies®, escolhido
pelo catálogo que se encontra no Anexo 2.
O compressor escolhido possui como dados técnicos os valores apresentados na
Tabela 7 abaixo.
Tabela 7 – Dados Técnicos do compressor 3SS1-1500– Fonte: (Catálogo Emerson)
A figura 9 abaixo apresenta o desenho técnico do compressor, contendo as definições
de cada linha de entrada e saída, mostra a entrada e conexões para sensores entre outros
detalhes.
Temperatura de Evaporação T_eva_cong= - 6°C
Temperatura de Condensação T_cond= 30°C
Temperatura de Entrada do fluido T_1= - 6°C
Temperatura de Saida no Compressor T_2= 43,03°C
Capacidade Refrigeração Exigida Q_refr_comp1= 25,97kW
Potencia de Compressão Exigida W_com_1= 3,988kW
Compressor 2
Compressores 3SS1-1500 Unid
Bore 63,50 mm
Stroke 61,90 mm
Fator de Folga 0,03
Pressao de Condensação 1192,00 kPa
Pressao de Evaporaçao 407,80 kPa
Calor especifico volume constante na entrada 0,57 kJ/kg-k
Calor especifico pressao constante na entrada 0,73 kJ/kg-k
Eficiencia Volumetrica 0,97
Rotação 1450,00 rpm
Volume deslocado 49,00 m³/h
densidade do refrigerante na entrada 17,51 kg/m3
Vazão Massica 5,56 kg/s
Potencia Exigida pelo sistema 3,99 kW
Potencia Necessaria pela Eficiencia 4,13 kw
20
Figura 9 – Desenho Técnico do Compressor 3SS1-1500 – Fonte (Catálogo Emerson)
Levando em consideração as equações 2 e 3 calculou-se o valor da eficiência
volumétrica para o compressor, através dos dados, e esses valores estão indicados na Tabela
8.
Tabela 8 – Eficiência Volumétrica do Compressor 1 - 6SLW-2500. Fonte: (Catálogo Emerson)
Compressores 3SS1-1500 Unid
Bore 63,5 mm
Stroke 61,9 mm
Fator de Folga 0,03
Pressao de Condensação 1192 kPa
Pressao de Evaporaçao 407,8 kPa
Calor especifico volume constante na entrada 0,5678 kJ/kg-k
Calor especifico pressao constante na entrada 0,725 kJ/kg-k
Eficiencia Volumetrica 0,965972004
Rotação 1450 rpm
Volume deslocado 49 m³/h
densidade do refrigerante na entrada 17,51 kg/m3
Vazão Massica 5,563665572 ks/s
Potencia Exigida pelo sistema 3,988 kW
Potencia Necessaria pela Eficiencia 4,128484039 kw
21
Para o segundo compressor também observou-se que mesmo com a eficiência
volumétrica de 0,96, a potência de compressão ainda continua bem abaixo do máximo exigido
para realizar a compressão, e obter as propriedades desejadas no fluido refrigerante.
6.2 Condensador
6.2.1 Condensador Resfriado a Ar
O condensador a ar realizara a rejeição de calor do fluido refrigerante para o ar através
de uma transferência condução-convecção forçada, provocando um efeito de condensação
do vapor superaquecido até o líquido subresfriado.
E no caso desse projeto, o condensador necessita trabalhar com uma carga térmica
de 29,96kW ou 25760,96Kcal/h. Na Tabela 9 encontra-se as condições técnicas necessária
de trabalho para o compressor.
Tabela 9 – Propriedades de trabalho do Condensador
Adotando a temperatura de entrada do ar de 35°C, atendendo a carga térmica exigida,
escolheu-se o condensador CdSuper1500 da marca MIPAL ® com coifa e motor, cujo
catálogo se encontra no ANEXO 9. Os dados técnicos do condensador encontram-se na
Tabela 10 a seguir.
Tabela 10 – Dados Técnicos do Condensador CdSuper150 –Fonte: (Catalogo Mipal)
Pode-se observar que o condensador possui pouco a mais da capacidade exigida pelo
sistema, além de que a velocidade do fluxo mínimo está entre o sugerido na bibliografia para
manter um regime turbulento e que favoreça a troca de calor no condensador, isso devido à
dificuldade de se promover um fluxo satisfatório em locais fechados, como casa de máquinas.
Unid
Temperatura de Condensação T_cond= 30°C °C
Temperatura de Entrada do fluido T_12= 43,03 °C °C
Temperatura de Saida do fluido T_3_sub= 25°C °C
Taxa de transf. de calor do condensador Q_cond= 29,96 kW kW
Taxa de transf. de calor do condensador Q_cond= 25760,96 Kcal/h
Condensador
Condensador Unid
Refer.Comercial 15 HP
Capacidade 29800 Kcal/h
Vazão de ar 20000 m³/h
Area de troca térmica 95 m²
Velocidade do ar 3,51 m/s
22
6.2.2 Condensador Evaporativo
Entretanto, em meios industriais, faz-se mais o uso de um sistema de resfriamento
evaporativo do condensado, assim justifica a explanação de uma torre de resfriamento no
sistema.
Considerando que toda a quantidade de calor rejeitado pelo fluido refrigerante seria a
mesma carga térmica utilizado pelo sistema da torre de resfriamento, e que a água quente
que chegasse na torre de resfriamento estivesse a mesma temperatura com que o fluido
chegue ao condensador a ar, ou seja 43,03°C e estipulando que a água saia em uma
temperatura de 30°C. Podemos obter os valores da Tabela 11 através do catálogo identificado
no ANEXO 11
Para calcular a vazão da água utiliza-se da Equação 7:
.(tw1 tw 2)água
água
QcondV
cp
(7)
Onde:
águaV =Vazão da água em m³/h;
Qcond =Quantidade de calor rejeitado em kcal/h;
águacp =Calor especifico da agua;
tw1=temperatura da agua quente em °C;
tw 2=temperatura da agua resfriada em °C.
E seguindo o catalogo que se encontra no ANEXO 12 e com os dados indicado na
Tabela 11 podemos definir qual torre de resfriamento fornecerá a vazão de água pretendida.
Tabela 11 – Dados de projeto e propriedades da Torre de Resfriamento
Torre de Resfriamento Unid
Quantidade de Calor Rejeitado 29,96 kW
Quantidade de Calor Rejeitado 25760,96 Kcal/h
Vazão de Agua 1970,837 m³/h
temperatura da agua quente 43,03 °C
temperatura da agua resfriada 30 °C
temperatura de bulbo humido do local 24 °C
calor especifico da agua 4,2 kJ/Kg.K
?t(Salto Termico) 13,03 °C
a(Approach) 6 °C
Fator de capacidade 8 -
Modelo TCM 116
23
No caso a torre de resfriamento encontrado foi do modelo TCM-116 com uma vazão
de 2097m³/h, cujo desenho técnico está ilustrado na Figura 10 abaixo.
Figura 10 – Torre de Resfriamento TCM-116 – Caravela Ambiental. Fonte: (Catálogo
Caravela)
6.3 Evaporador
6.3.1 Evaporador 1
Adotando a temperatura de entrada do ar 5°C acima da temperatura padrão desejada
de cada câmara fria, obteve-se os valores da Tabela 12 abaixo como dados de escolha para
o Evaporador da câmara de congelamento.
Tabela 12 – Dados de escolha do Evaporador 1
Assim pode-se escolher pela capacidade nominal de Q=14584Kcal/h, o evaporador do
modelo FTBN (D)13 da marca TRINEVA, utilizado para aplicação em baixas temperatura,
conforme indicado no catálogo, onde encontra-se todos os dados sobre dimensões, conexões
Evaporadores 1 Unid
Fluxo de calor 15,00 kW
Fluxo de calor 12897,67 kcal/h
temperatura de entrada de ar -20,00 °C
temperatura de saida de ar -25,00 °C
temperatura do refrigerante -31,00 °C
Diferença Media Logaritima de Temperatura 1,10 °C
UA 13,62 kW/m² ºC
UA 11714,19 kcal/m²h.°C
24
e desempenho técnico, ilustrado no Anexo 6. O gabinete e feito em alumínio liso, com
bandejas basculantes para acesso as resistências e manutenção. Contem motoventiladores
com rotores externos com baixo consumo de energia e rolamentos blindados. Possui uma
flecha de ar de 18 metros facilitando a dissipação.
Os dados técnicos do evaporador estão indicados na Tabela 13 abaixo.
Tabela 13 – Dados Técnicos Evaporador FTBN (D) 13 – TRINEVA. Fonte: Catalogo
A serpentina é construída com aletas corrugada auto espaçadas de alumínio e
tubulação de cobre de 5/8”, com espaçamento de 8mm entre as aletas. Contém uma válvula
Schrades para medição de pressão de sucção. Contém um sistema de degelo elétrico
exclusivo modulado que proporciona o degelo eficiente e facilita a instalação e troca de
resistências.
O desenho técnico do evaporador encontra-se na figura 11 abaixo.
Figura 11 – Desenho Técnico do Evaporador FTBN (D) 13 – TRINEVA – Fonte Catalogo
Evaporador FTBN(D) 13 1 Unid
Vazão do Ar 16800 m³/h
Area Radiante 99,4 m²
Quantidade de Motoventiladores ф= 400mm 4 -
Poténcia dos Motoventiladores 1000 W
Corrente a 220V 3,2 A
Corrente a 380V 2 A
Módulos 8 -
Bandeijas 1 -
Potência 12800 W
Corrente a 220V - 1F 58,2 A
Corrente a 220V - 3F 33,6 A
Corrente a 380V - 3F 19,4 A
Resistências
25
6.3.2 Evaporador 2
Adotando a temperatura de entrada do ar 5°C acima da temperatura padrão desejada
de cada câmara fria, obteve-se os valores da Tabela 14 abaixo como dados de escolha para
o Evaporador da câmara de resfriamento.
Tabela 14 – Dados de escolha do Evaporador 2
Assim pode-se escolher pela capacidade nominal de Q=8773Kcal/h, o evaporador do
modelo FTBN (D) 9 da marca TRINEVA, utilizado para aplicação em baixas temperatura,
conforme indicado no catálogo, onde encontra-se todos os dados sobre dimensões, conexões
e desempenho técnico, no Anexo 7. O gabinete e feito em alumínio liso, com bandejas
basculantes para acesso as resistências e manutenção. Contem motoventiladores com
rotores externos com baixo consumo de energia e rolamentos blindados. Possui uma flecha
de ar de 18 metros facilitando a dissipação.
Os dados técnicos do evaporador estão indicados na tabela 15 abaixo.
Tabela 15 – Dados Técnicos Evaporador FTBN (D) 13 – TRINEVA. Fonte: Catalogo
TRINEVA
Evaporadores 2 Unid
Fluxo de calor 10,00 kW
Fluxo de calor 8598,42 kcal/h
temperatura de entrada de ar 5,00 °C
temperatura de saida de ar 0,00 °C
temperatura do refrigerante -6,00 °C
Diferença Media Logaritima de Temperatura 1,10 °C
UA 9,08 kW/m² ºC
UA 7809,46 kcal/m²h.°C
Evaporador FTBN(D) 9 2 Unid
Vazão do Ar 8400 m³/h
Area Radiante 48,8 m²
Quantidade de Motoventiladores ф= 400mm 2 -
Poténcia dos Motoventiladores 500 W
Corrente a 220V 1,6 A
Corrente a 380V 1 A
Módulos 4 -
Bandeijas 1 -
Potência 60 W
Corrente a 220V - 1F 30,9 A
Corrente a 220V - 3F 17,8 A
Corrente a 380V - 3F 10,3 A
Resistências
26
A serpentina é construída com aletas corrugada auto espaçadas de alumínio e
tubulação de cobre de 5/8”, com espaçamento de 8mm entre as aletas. Contém uma válvula
Schrades para medição de pressão de sucção. Contém um sistema de degelo elétrico
exclusivo modulado que proporciona o degelo eficiente e facilita a instalação e troca de
resistências.
O desenho técnico do evaporador encontra-se na figura 12 abaixo.
Figura 12 – Desenho Técnico do Evaporador FTBN (D) 9 – TRINEVA – Fonte:
(Catalogo TRINEVA)
6.3.3 Evaporador 3
Adotando a temperatura de entrada do ar 5°C acima da temperatura padrão desejada
de cada câmara fria, obteve-se os valores da Tabela 8 abaixo como dados de escolha para o
Evaporador da antecâmara.
Tabela 16 – Dados de escolha do Evaporador 3
6.4 Válvulas de Expansão
As válvulas de expansão são responsáveis pelo processo de redução de pressão de
uma maneira isoentálpica, fazendo com o liquido subresfriado, ou a mistura com baixa
titulação tolerável, à sofrerem uma expansão o que automaticamente reduz a temperatura do
fluido. Tais componentes foram definidos conforme mostrado nas Tabelas 17, 18 e 19 abaixo.
Evaporadores 3 Unid
Fluxo de calor 1,00 kW
temperatura de entrada de ar 15,00 °C
temperatura de saida de ar 10,00 °C
temperatura do refrigerante 4,00 °C
Diferença Media Logaritima de Temperatura 1,10 °C
UA 0,91 kW/m² ºC
UA 780,95 kcal/m²h.°C
27
6.4.1 Válvula de Expansão 1
A válvula de expansão 1 (VET1) foi escolhida conforme catalogo da fabricante Parker
a qual se encontra no Anexo XX.
A seguir na Tabela 3 encontra-se os valores das propriedades usadas para a escolha
da válvula de expansão1.
Tabela 17 – Dados Técnicos e Modelamento Válvula de Expansão. Fonte: Catalogo Parker
Através da capacidade nominal consegue-se fazer as devidas correções, conforme a
metodologia indicada pelo catalogo no ANEXO XX. Assim definiu-se que a VET1 necessita
ser uma válvula EG com equalizador externo utilizando cargas VZP40.
Foi analisado a situação das dimensões de um tubo capilar, caso fosse a necessidade
de substituição da válvula de expansão termostática por um tubo capilar, utilizando o
programa Capillary Tubo. Entretanto para a temperatura de evaporação menores que -22°C
o programa não efetua o cálculo, mais só para título de comparação foi utilizado tal
temperatura e uma de ambiente de 30°C e foi obtido um tubo com 0,1315 m utilizando um
diâmetro interno de 0,8mm.
6.4.2 Válvula de Expansão 2
A válvula de expansão 2 (VET2) foi escolhida conforme catálogo da fabricante Parker
a qual se encontra no ANEXO 4.
A seguir na Tabela 18 encontra-se os valores das propriedades usadas para a escolha
da válvula de expansão2
Capacidade Nominal Q.E.V= 15kW = 4,26TR
Temperatura de Evaporação T.E= -31°C
Temperatura de Condensação T.C= 30°C
Temperatura do Liquido Antes da VET T.L = 25°C
Pressao Evaporador P.E=157,1
Pressao Condensador P.C=1192kPa
Diferença de Pressao 1034,9kPa=10,349bar=150,09psi
Fator de Correçao temperatura líquido F.C=1,16
Fator de Correção para queda de pressao F.C=0,93
Capacidade Nominal da VET 3TR
Carga Termostática Recomendada 2,13
Capacidade Real da VET corrigida 3,2TR
Tipo da Válvula EG(Ext) / VC,VZP40
EV 1
Fator de Correção Para Capacidade
Fluido - R22
28
Tabela 18– Dados Técnicos e Modelamento Válvula de Expansão. Fonte: Catalogo Parker
Através da capacidade nominal consegue-se fazer as devidas correções, conforme a
metodologia indicada pelo catalogo no ANEXO 4. Assim definiu-se que a VET1 necessita ser
uma válvula EF com equalizador externo utilizando cargas VC.
Foi analisado a situação das dimensões de um tubo capilar, caso fosse a necessidade
de substituição da válvula de expansão, utilizando o programa Capillary Tubo. Com uma
temperatura de evaporação de -6°C, um diâmetro de 1mm e temperatura ambiente de 30°C
obteve um comprimento de 0,2068 m para o tubo capilar.
6.4.3 Válvula de Expansão 3
A válvula de expansão 3 (VET3) foi escolhida conforme catálogo da fabricante Parker
a qual se encontra no ANEXO 5. A seguir na Tabela 19 encontra-se os valores das
propriedades usadas para a escolha da válvula de expansão3.
Tabela 19 – Dados Técnicos e Modelamento Válvula de Expansão. Fonte: Catalogo Parker
Capacidade Nominal Q.E.V= 10kW = 2,84 TR
Temperatura de Evaporação T.E= - 6°C
Temperatura de Condensação T.C= 30°C
Temperatura do Liquido Antes da VET T.L = 25
Pressao Evaporador P.E=407,8kPa
Pressao Condensador P.C=1192kPa
Diferença de Pressao 784,2 Kpa = 113,73 psi
Fator de Correçao temperatura líquido F.C=1,16
Fator de Correção para queda de pressao F.C=0,95
Capacidade Nominal da VET 2-1/2TR
Carga Termostática Recomendada 2,56
Capacidade Real da VET corrigida 2,755TR
Tipo da Válvula EF(Ext) / carga VC
EV 2
Fluido - R22
Fator de Correção Para Capacidade
Capacidade Nominal Q.E.V= 1 kW = 0,28 TR
Temperatura de Evaporação T.E= 4°C
Temperatura de Condensação T.C= 30°C
Temperatura do Liquido Antes da VET T.L = 25
Pressao Evaporador P.E=566,2 kPa
Pressao Condensador P.C=1192kPa
Diferença de Pressao 625,8kPa = 90,76 psi
Fator de Correçao temperatura líquido F.C=1,16
Fator de Correção para queda de pressao F.C=0,95
Capacidade Nominal da VET 1/4 TR
Carga Termostática Recomendada 0,25
Capacidade Real da VET corrigida 0,275TR
Tipo da Válvula NI / VC,VZP40
Fator de Correção Para Capacidade
EV 3
Fluido - R22
29
Através da capacidade nominal consegue-se fazer as devidas correções, conforme a
metodologia indicada pelo catalogo no ANEXO 5. Assim definiu-se que a VET1 necessita ser
uma válvula de expansão termostática NI com equalizador externo utilizando cargas VZP40.
As dimensões de um tubo capilar, caso fosse a necessidade de substituição da válvula
de expansão, utilizando o programa Capillary Tubo. Com uma temperatura de evaporação de
4°C, um diâmetro de 1mm e temperatura ambiente de 30°C obteve um comprimento de
0,1735 m.
6.5 Válvula Redutora de Pressão
É utilizado uma válvula KVP reguladora de pressão de evaporação, utilizada para
diferenciar pressões de evaporação entre dois ou mais evaporadores em sistema com um
compressor. No caso utilizado para reduzir a pressão vinda o evaporador 3 antes de misturar
com a vazão do evaporador 2
De acordo com os dados analisados da válvula que se encontram no ANEXO 12,
escolheu-se a válvula KVP12 da marca DANFOSS® devido a possuir uma faixa de vazão
máxima já é aceitável.
30
7 COMPONENTES EXTRAS E CONFIGURAÇÃO TÉCNICA DO
SISTEMA
Na Figura 13 abaixo, encontra-se o layout técnico da disposição dos componentes
básicos e dos componentes secundários para a configuração do sistema de refrigeração da
casa de carnes solicitada.
Figura 13 – Configuração Técnica do Sistema Completo
31
7.1 Filtro Secador (G)
Os filtros secadores para linhas de líquido protegem os sistemas de refrigeração e ar
condicionado da umidade e partículas sólidas.Com a eliminação desses contaminantes, os
sistemas tornam-se mais seguros contra reações químicas e impurezas abrasivas.
Os filtros tipo DML têm uma composição de núcleo 100% molecular sieves. Todos os
filtros têm um núcleo sólido com material aglutinante retido em quantidade mínima.
O Eliminator® de tipo DML, com um núcleo sólido 100% molecular sieves, é otimizado
para utilização com refrigerantes HFC e óleo poliéster (POE), podendo ainda serem utilizados
em sistemas com refrigerantes HCFC e óleo mineral ou alquibenzeno.
7.2 Visor de liquido (SGI)
Os visores são utilizados para indicar:
O estado do refrigerante na tubulação de líquidos da instalação.
O conteúdo de umidade do refrigerante.
O fluxo na linha de retorno de óleo de um separador de óleo.
Os visores SGI, SGN, SGR e SGRN podem ser utilizados para os refrigerantes CFC,
HCFC e HFC.
Os visores SGI e SGN têm um indicador que muda de cor para indicar o conteúdo de
umidade do refrigerante. Os visores SGR são utilizados para indicar o nível de líquido no
cárter de um compressor.
Os visores SGRN são similares aos SGR, mas são fornecidos com um indicador de
umidade.
7.3 Registro (BM)
A BML é uma válvula de fechamento manual utilizada em tubulações de líquido, de
sucção e de gás quente, em instalações de refrigeração.
7.4 Válvula Solenoide (EVR)
As válvulas EVR são válvulas solenoide de acionamento direto ou servo-acionadas
para linhas de líquido, de sucção e de gás quente com refrigerantes fluorados.
As válvulas EVR são fornecidas completas ou como componentes separados, ou seja,
o corpo da válvula, a bobina e os flanges podem ser pedidos separadamente.
As bobinas são:
Bobinas encapsuladas de longa duração, inclusive sob condições extremas.
Bobinas padrão para c.a. ou c.c.
32
Bobinas padrão disponíveis com cabo de três condutores, caixa de terminais
ou plug
Bobinas padrão de 12 V a 420 V, 50, 60 ou 50/60 Hz.
Bobinas padrão dimensionadas para uma máxima pressão diferencial de
abertura (MOPD) de até 21 bar.
As bobinas podem ser montadas e desmontadas sem necessidade de
ferramentas.
7.5 Termostato (F)
O termostato UT72 é um interruptor elétrico controlado por temperatura, com múltiplas
aplicações. O diferencial é fixo e seu ajuste é muito simples. O comando de ajuste pode ser
facilmente retirado por meio dos dois parafusos que servem para desmontar o termostato.
A temperatura é ajustada de acordo com a temperatura média desejada.
Suas aplicações são:
Câmaras.
Resfriadores de cerveja e refrescos.
Máquinas de sorvete.
Resfriadores de leite.
Expositores frigoríficos.
Instalações de ar condicionado.
Sistemas de recuperação de calor.
7.6 Válvula de Retenção (NRV)
As válvulas de retenção tipos NRV e NRVH podem ser utilizadas nas linhas de líquido,
de sucção e de gás quente, em instalações de refrigeração e ar condicionado com
refrigerantes fluorados.
Também podem ser fornecidas com conexões superdimensionadas, para maior
flexibilidade na utilização das válvulas de retenção.
Características:
A válvula assegura um único sentido de circulação correto.
Há versões retas e angulares.
Impede a migração e a condensação a partir de um evaporador quente para
um evaporador frio.
Possui um pistão amortecedor que a torna adequada para montagem em
tubulações nas quais podem ocorrer pulsações, como por exemplo na
tubulação de descarga do compressor.
33
As válvulas NRVH são fornecidas com uma mola para p = 0,3 bar.
São utilizadas em instalações de refrigeração com compressores conectados
em paralelo.
Possibilidade de conexões superdimensionadas, para maior flexibilidade de
uso.
7.7 Separador de Óleo (OUB)
O separador de óleo tipo OUB é utilizado em instalações de refrigeração nas quais é
necessário que o óleo lubrificante volte diretamente ao cárter do compressor em todas as
condições de funcionamento. Deste modo, o óleo fica retido no separador, evitando a
circulação do mesmo pelo sistema.
Caraterísticas:
Assegura o retorno do óleo ao cárter do compressor.
Evita quebra do compressor por falta de lubrificação. Prolonga a vida útil do
compressor.
Alta eficiência. O retorno automático do óleo ao cárter do compressor tem um
grande rendimento, graças à combinação dos efeitos produzidos pela redução
de velocidade e pela mudança de direção do gás de descarga, bem como da
absorção do óleo a alta temperatura.
Melhor aproveitamento da capacidade do condensador e do evaporador
(menor retenção de óleo).
Amortecimento de ruídos e pulsações no lado de alta pressão do sistema.
7.8 Regulador de Pressão (KVP)
A válvula KVP é montada na linha de sucção após o evaporador e é utilizada para:
Manter uma pressão de evaporação constante e portanto uma temperatura
constante na superfície do evaporador. A regulagem é feita controlando-se a
linha de sucção, adaptando-a a quantidade de gás refrigerante à carga do
evaporador.
Proteger contra uma pressão de evaporação demasiadamente baixa (por
exemplo, como proteção contra o congelamento, em um resfriador de água). A
válvula fecha quando a pressão no evaporador cai abaixo do valor ajustado.
34
A KVP também é utilizada para diferenciar pressões de evaporação entre dois
ou mais evaporadores em sistemas com um compressor.
7.9 Regulador de Pressão e Sucção (KVL)
A válvula reguladora de pressão de cárter tipo KVL é montada na linha de sucção,
antes do compressor. Protege o motor do compressor contra sobrecargas durante a partida,
após longos períodos de parada ou após degelo (pressão elevada no evaporador).
Regulagem de pressão exata e ajustável.
Ampla faixa de capacidades e de trabalho.
Desenho com amortecimento de pulsações.
Construção angular compacta, que facilita a montagem em qualquer posição.
Construção “hermética”, com solda de alta resistência.
Disponível em uma ampla gama de tamanhos, com conexões rosca e solda
ODF.
Para R-22, R-134a, R-404A / R-507 e R-407C e outros refrigerantes fluorados.
7.10 Pressostato Diferencial (MP)
Os pressostatos diferenciais de óleo MP 54 e MP55 são utilizados como interruptores
de segurança para proteger compressores de refrigeração contra lubrificação insuficiente.
Em caso de queda da pressão de óleo, o pressostato diferencial para o compressor
após o transcorrer de um certo tempo.
Os MP54 e 55 são utilizados em sistemas de refrigeração com refrigerantes fluorados.
O MP54 tem um diferencial de pressão fixo e incorpora um relé temporizador térmico com
tempo de disparo fixo.
O MP55 tem um diferencial de pressão ajustável e pode ser fornecido com ou sem relé
temporizador térmico.
7.11 Pressostato duplo KP15
Os pressostatos KP são utilizados como proteção contra uma pressão de sucção
demasiadamente baixa ou uma pressão de descarga excessiva em compressores para
instalações de refrigeração e ar condicionado.
Os pressostatos KP são utilizados também para ligar e parar compressores de
refrigeração e ventiladores de condensadores refrigerados a ar.
Os pressostatos KP estão providos de um comutador inversor unipolar (SPTD). A
posição do comutador depende do ajuste do pressostato e da pressão existente na conexão
de entrada.
35
Os pressostatos KP podem ser fornecidos com grau de proteção IP30, IP44 e IP55.
8 CONCLUSÃO
O sistema de refrigeração engloba possibilidades ínfimas para que seja feita sua
configuração, modelamento, montagem, instrumentação e manutenção. E pode-se assim
perceber que para seu cálculo e planejamento exige um nível alto de conhecimento técnico,
prático para que se conheça exatamente as prominências futuras que poderão vir a atrapalhar
o andamento o sistema.
Primeiro conclui-se que a disposição do ciclo múltiplo de pressões em refrigeração
pode tanto aumentar a eficiência e melhorar o tempo de vida do compressor, como a medida
que se aumenta a temperatura de evaporação para zonas de média e baixa pressão, a
eficiência de se utilizar um ciclo de múltiplas pressões perdem gradativamente seu sentido.
Pode-se perceber a grande quantidade de modelamento sistemática e padrão que
deve se seguir para projetar um sistema de refrigeração, a grande quantidade peças,
dimensões e características de seus aparelhos, entre outros pontos a se definir.
9 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Brandão, M. M.. Modelagem Numérica de Sistemas de Refrigeração por Compressão de
Vapor. Campinas, SP: Unicamp. Acesso em 05 de Abril de 2015, disponível em
http://www.bibliotecadigital.unicamp.br/document/?code=000439140 (2005)
Eich, C., & Ioris, M.. Dimensionamento de um Sistema de Refrigeração para uma
Pasteurizadora. Horizontina: Faculdade Horizontina. Acesso em 05 de Abril de 2015,
disponível em
http://www.fahor.com.br/publicacoes/TFC/EngMec/2013/Mec_Cristiano_Marcelo.pdf
Salvador, F.. Projeto de um Sistema de Refrigeração Industrial com 'Set-Point' Variável.
Acesso em 29 de Março de 2015, disponível em
http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3139/tde-05102010-
112239/publico/Dissertacao_Francisco_Salvador.pdf(2013)
Silva, A. Refrigeração industrial- Tecnologia em Processos Mecânicos. Mogi-Mirim: Faculdade
de Tecnologia de Mogi-Mirim. Acesso em 05 de Abril de 2015, disponível em
http://www.ebah.com.br/content/ABAAAA22cAI/refrigeracao-industrial. (2009)
36
10 ANEXOS
10.1 Anexo 1 - Catálogo Compressor 1 – Copeland Emerson
37
10.2 Anexo 2 - Catálogo Compressor 2 –Copeland Emerson
38
10.3 Anexo 3 - Catálogo Válvula Expansão 1 – Parker
39
10.4 Anexo 4 - Catálogo Válvula de Expansão 2 – Parker
40
10.5 Anexo 5 - Catálogo Válvula Expansão 3 - Parker
41
10.6 Anexo 6 - Catálogo Evaporador 1- Trineva
42
10.7 Anexo 7 - Catálogo Evaporador 2- Trineva
43
10.8 Anexo 8 - Catálogo Evaporador 3- Trineva
44
10.9 Anexo 9 - Catálogo Condensador - Mipal
45
10.10 Anexo 10 - Catálogo Torre de Resfriamento - Caravelas
46
10.11 Anexo 11 - Catálogo Torre de Resfriamento - Caravelas
47
10.12 Anexo 12 - Catálogo Válvula Redutora de Pressão - DanFoss
48
10.13 Cálculos sistema com 2 Compressores em Série
{Compressores em Série} {Evaporador1} T_1 = -31 T_1_super=T_1+5 T_4=T_1 {evaporador2} T_6=-6 T_7=T_6 T_7_super=T_7+5 {evaporador3} T_5=4 T_8=T_5 T_8_super=T_8+5 {condensador} T_3= 30 T_3_sub=T_3-5 x1=1 x7=1 x8=1 x3=0 P1 = PRESSURE(R22;T=T_1;x=x1) P1_super=P1 P4=P1 P7 = PRESSURE(R22;T=T_7;x=x7) P7_super=P7 P6=P7 P9=P7 P10=P7 P2=P7 P11=P7 P8 = PRESSURE(R22;T=T_8;x=x8) P8_super=P8 P5=P8 P3=PRESSURE(R22;T=T_3;x=x3) P3_sub=P3 P12=P3 s1_super=ENTROPY(R22;T=T_1_super;P=P1_super) s2=s1_super T_2=TEMPERATURE(R22;s=s2;P=P2) T_12=TEMPERATURE(R22;h=h12;P=P12) T_11=TEMPERATURE(R22;h=h11;P=P11) h1 = ENTHALPY(R22;T=T_1;x=x1)
h1_super=ENTHALPY(R22;T=T_1_super;P=P1_super) h2 = ENTHALPY(R22;P=P2;s=s2) h3 = ENTHALPY(R22;T=T_3;x=x3) h3_sub=ENTHALPY(R22;T=T_3_sub;P=P3_sub) h5 = h3_sub h6 = h3_sub h4=h3_sub h7 = ENTHALPY(R22;P=P7;x=x7) h7_super=ENTHALPY(R22;P=P7;T=T_7_super) h8 = ENTHALPY(R22;T=T_8;x=x8) h8_super = ENTHALPY(R22;P=P8_super;T=T_8_super) h9=h8_super h10 = (h9*m3)+(h7_super*m2)/(m3+m2) h11=((h10*(m3+m2))+(h2*m1))/(m3+m2+m1) x11=QUALITY(R22;h=h11;P=P11) s11=ENTROPY(R22;h=h11;P=P11) s12=s11 h12=ENTHALPY(R22;P=P12;s=s12) Q1 = 15 Q2= 10 Q3 = 1 Q_evap_total=Q1+Q2+Q3 m1 = Q1/(h1_super-h4) m2 = Q2/(h7_super-h6) m3 = Q3/(h8_super-h5) v1=VOLUME(R22;T=T_1_super;P=P1) v2=VOLUME(R22;T=T_2;P=P2) v11=VOLUME(R22;T=T_11;P=P11) v12=VOLUME(R22;T=T_12;P=P12) V_ent_com1=(m1*v1)*1000 V_sai_com1=(m1*v2)*1000 V_ent_com2=((m1+m2+m3)*v11)*1000 V_sai_com2=((m1+m2+m3)*v12)*1000 W_com_1 = (m1)*(h2-h1_super) W_com_2 = (m1+m2+m3)*(h12-h11) COP = (Q1+Q2+Q3)/(W_com_1+W_com_2) hsat=ENTHALPY(R22;P=P7;x=1)
2
h1[1]=h1_super h1[2]=h2 h1[3]=h11 h1[4]=h12 h1[5]=h3_sub h1[6]=h4 h1[7]=h1_super P1[1]=P1 P1[2]=P2 P1[3]=P11 P1[4]=P12 P1[5]=P3 P1[6]=P4 P1[7]=P1 h2[1]=h9 h2[2]=h8_super h2[3]=h5 h2[4]=h6 h2[5]=h10 h2[6]=h7 h2[7]=h9 P2[1]=P9
P2[2]=P8 P2[3]=P5 P2[4]=P6 P2[5]=P10 P2[6]=P7 P2[7]=P9 Q_refr_comp2=(m1+m2+m3)*(h11-h6) Q_refr_comp1=(m1)*(h1_super-h4) Q_cond=(m1+m2+m3)*(h12-h3_sub) T_ent_cond=T_12 T_sai_cond=T_3_sub v3=VOLUME(R22;T=T_3_sub;P=P3) V_ent_cond=((m1+m2+m3)*v12)*1000 V_sai_cond=((m1+m2+m3)*v3)*1000 RRC=((Q1+Q2+Q3)+(W_com_1+W_com_2))/((Q1+Q2+Q3)) m_cond=m1+m2+m3 Q_cond_RRC=Q_cond*RRC
10.14 Cálculos sistema com 2 Compressores em Paralelo
{Compressores em Paralelo} {Evaporador1} T_1 = -31 T_1_super=T_1+5 T_4=T_1 {evaporador2} T_6=-6 T_7=T_6 T_7_super=T_7+5 {evaporador3} T_5=4 T_8=T_5 T_8_super=T_8+5 {condensador} T_3= 30 T_3_sub=T_3-5 x1=1 x7=1 x8=1 x3=0 P1 = PRESSURE(R22;T=T_1;x=x1) P1_super=P1 P4=P1 P7 = PRESSURE(R22;T=T_7;x=x7) P7_super=P7 P6=P7
P9=P7 P8 = PRESSURE(R22;T=T_8;x=x8) P8_super=P8 P5=P8 P2=PRESSURE(R22;T=T_3;x=x3) P10=P2 P3=P2 P3_sub=P2 T_2=TEMPERATURE(R22;s=s2;P=P2) s1_super=ENTROPY(R22;T=T_1_super;P=P1_super) s2=s1_super h1 = ENTHALPY(R22;T=T_1;x=x1) h1_super=ENTHALPY(R22;T=T_1_super;P=P1_super) h2 = ENTHALPY(R22;P=P2;s=s2) h3 = ENTHALPY(R22;T=T_3;x=x3) h3_sub=ENTHALPY(R22;T=T_3_sub;P=P3_sub) h5 = h3_sub h6 = h3_sub h4=h3_sub h7 = ENTHALPY(R22;P=P7;x=x7) h7_super=ENTHALPY(R22;P=P7;T=T_7_super) h8 = ENTHALPY(R22;T=T_8;x=x8)
3
h8_super = ENTHALPY(R22;P=P8_super;T=T_8_super) h11=h8_super P11=P7_super h9 = (h11*m3+h7_super*m2)/(m3+m2) T_9=TEMPERATURE(R22;h=h9;P=P9) s9=ENTROPY(R22;h=h9;P=P9) s10=s9 h10 = ENTHALPY(R22;P=P10;s=s10) T_10=TEMPERATURE(R22;h=h10;P=P10) Q1 = 15 Q2= 10 Q3 = 1 m1 = Q1/(h1_super-h4) m2 = Q2/(h7_super-h6) m3 = Q3/(h8_super-h5) v1=VOLUME(R22;T=T_1_super;P=P1) v2=VOLUME(R22;T=T_2;P=P2) v9=VOLUME(R22;T=T_9;P=P9) v10=VOLUME(R22;T=T_10;P=P10) V_ent_com1=(m1*v1)*1000 V_sai_com1=(m1*v2)*1000 V_ent_com2=((m2+m3)*v9)*1000 V_sai_com2=((m2+m3)*v10)*1000 W_com_1 = (m1)*(h2-h1_super) W_com_2 = (m2+m3)*(h10-h9) COP = (Q1+Q2+Q3)/(W_com_1+W_com_2) hsat_t7=ENTHALPY(R22;P=P7;x=x7) h[1]=h1_super h[2]=h2 h[3]=h3_sub h[4]=h4 h[5]=h1_super h_1[1]=h11 h_1[2]=h8_super h_1[3]=h5 h_1[4]=h6 h_1[5]=h7_super h_1[6]=h9 h_1[7]=h10 h_1[8]=h9 P[1]=P1 P[2]=P2 P[3]=P3 P[4]=P4
P[5]=P1 P_1[1]=P11 P_1[2]=P8 P_1[3]=P5 P_1[4]=P6 P_1[5]=P7 P_1[6]=P9 P_1[7]=P10 P_1[8]=P9