domingo, 28 de abril de 2013

Controle Térmico de Ambientes


Controle Térmico de Ambientes
(Fernando França, DE – FEM Unicamp, ffranca@fem.unicamp.br) 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.
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 ultra-violeta 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 11 (CFC-11) >> 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 22 (Freon 22)
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 super-aquecido, 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
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 
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, 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.
Neste chiller , 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.  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
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 22, o mais comum, também conhecido por Freon 22 (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: . compressão de vapor, isto é, um compressor realiza trabalho sobre o vapor, transfere potência a ele;  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; . 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, representado esquematicamente e no diagrama de Mollier (P versus h):
o 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.
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, .
Assim, se o processo ocorre em regime permanente e se W é o trabalho realizado sobre o VC,
Os estados, representados por números, 
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:  regime permanente;  só existe trabalho de escoamento (incluído na entalpia); só existe um fluxo de entrada e um fluxo de saída, me = ms = m;  variações de energia cinética e potencial são desprezíveis frente à variação da entalpia, e a pressão é constante (esta é uma aproximação!).
Assim: Condensador ideal:  Evaporador ideal:
Válvula de Expansão >> Modelo Ideal da Expansão
As premissas são: . regime permanente;  processo adiabático; . só existe um fluxo de entrada e um fluxo de saída, me = ms = m; . variação de energia potencial é desprezível . variação de energia cinética pode ser desprezível.
Assim: Expansão ideal: Isto é, Evaporador ideal: (processo isoentálpico!)
Conseqüentemente, é irreversível pois não é isoentrópico (volte ao diagrama de Mollier para verificar): isto é, um processo adiabático isoentálpico não é isoentrópico (e não é reversível)
Representação esquemática do ciclo ideal de refrigeração por compressão de vapor no diagrama T versus s. Ciclo ideal de compressão de vapor, diagrama T x s Ciclo real de compressão de vapor, diagrama T x s Diferenças entre os ciclos ideal e real de refrigeração por compressão de vapor no diagrama P versus h (Mollier).
Em um ciclo de refrigeração, o objetivo é a remoção de calor do ambiente a ser refrigerado.
Assim, seu COP – Coeficiente de Performance, isto é, Coeficient of Performance, é definido como sendo a razão entre o calor retirado e o trabalho realizado:\ Idealmente,
O COP depende:  da temperatura de evaporação (vaporização);  da temperatura de condensação  propriedades (funções de estado) do refrigerante na sucção do compressor, e. de todos os componentes do sistema: compressor, condensador, etc, etc.
Refrigeradores Domésticos
O refrigerador doméstico é hoje, sem dúvida, o mais importante entre os eletrodomésticos.
Refrigeradores domésticos, as populares geladeiras e “freezers” são sempre máquinas frigoríficas por compressão de vapor, e o R-12 é ainda o refrigerante mais utilizado, apesar de que, a partir do Protocolo de Montreal, de 1990, tem sido progressivamente substituído por R134a, R600 (n-butane), R600a (iso-butane) ou R600b (cyclo-pentane).
Os refrigerantes hidrocarbonetos “modernos”, butano e pentano, têm pressão de vapor mais baixa que os Freon e o R134, fazendo com que a pressão no evaporador esteja abaixo da atmosférica, vácuo, algum valor por volta de 58 kPa., Propriedades de refrigerantes de uso doméstico
Refrigerante R12 R134a R600a Nome, fórmula Dicloro-difluoro-metano, CCl2F2 1,1,1,2-tetrafluoro-etano, CF3CH2F Iso-butano, CH3)3CH Massa molar [kg/mol] 0.121 0.102 0.058
Temperatura ebulição [K] 243.2 246.6 261.5
Temperatura Crítica [K] 388 374 408
Pressão Critica [MPa] 4.01 4.07 3.65
Densidade a 25 ºC [kg/m3] 1470 1370 600 Pressão vapor a 25 ºC [kPa] 124 107 58
Enthalpia vaporização a 25 ºC [kJ/kg] 163 216 376
Exemplo de cálculo de ciclo de refrigeração: U
m sistema de refrigeração por compressão de vapor opera com Freon-12.
A vazão mássica do sistema operando em condição de regime permanente é de 6 kg/min.
O Freon entra no compressor como vapor saturado a 1,5 bar, e sai a 7 bar.
Assuma que o compressor tem rendimento isoentrópico de 70%.
O condensador é do tipo tubo aletado, resfriado com o ar ambiente.
Na saída do condensador o Freon está como líquido saturado.
A temperatura da câmara frigorífica é –10 0C e a temperatura ambiente é 22 0C.
Considere que as trocas de calor no sistema ocorram somente no evaporador e no condensador, e que evaporação e condensação ocorram sob pressão constante.
Pede-se:  a representação dos processos termodinâmicos do ciclo nos diagramas P x h e T x s; 2-
A eficiência de Carnot deste ciclo; 3- O COP do ciclo;
A capacidade de refrigeração do ciclo; 
O rendimento exergético do ciclo.
Notar que h2s é facilmente obtido se a compressão é isoentrópica.
E que h2 é calculado sabendo-se a eficiência do processo de compressão.
Assim, h2 = h1 + (h2s – h1)/0,7 = 217,88 [kJ/kg]  a representação dos processos termodinâmicos:  a eficiência de Carnot, COPc:  a eficiência do ciclo, COP:  a capacidade de reefrigeração, em kW:
Exercícios sugeridos: 
Um ciclo ideal de refrigeração por compressão de vapor opera com Freon 12.
As temperaturas fria e quente são, respectivamente, 20 0C e 40 0C (câmara frigorífica e ambiente, no caso, estão à temperatura de evaporação e condensação, o que é teórico, evidentemente).
O refrigerante entra no compressor como vapor saturado a 20 0C e sai do condensador como líquido saturado a 40 0C.
O fluxo mássico é 0,008 kg/s.
Calcular a potência do compressor, a capacidade de refrigeração em TR (toneladas de refrigeração), a eficiência do ciclo e sua eficiência de Carnot.
Respostas:
0,0747 kW; 0,277 TR; 13,03; 14,65. 2.
Altere as temperaturas de evaporação e condensação dadas no problema , de forma a se ter um processo que se aproxime mais de um processo real.
Considere que a temperatura de evaporação é, agora, 12 0C.
E a pressão de condensação é 1,4 Mpa.
Calcular a potência do compressor, a capacidade de refrigeração em TR e a nova eficiência do ciclo. Solução: 0,16 kW, 0,23 TR e 5. .
Recalcular o ciclo do problema  mas considerando agora que a eficiência isoentrópica do compressor é 80% e que o líquido sai do condensador a 48 0C. Solução: 0,20 kW, 0,25 TR e 4,35.


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