Apostila_Refrigeração_Mustafa.pdf

Universidade Salvador - UNIFACS Departamento de Engenharia e Arquitetura

REFRIGERAÇÃO

Profº M.Sc. George de Souza Mustafa

Salvador, 2011

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1. INTRODUÇÃO 1.1 DEFINIÇÕES  Refrigeração: resfriamento de fluídos a níveis de temperatura inferiores à temperatura ambiente.  Tonelada de refrigeração: quantidade de calor removida do ambiente para a fusão de uma tonelada de gelo à temperatura de 0ºC durante 24 horas.  Efeito frigorífico: calor removido do sistema por unidade de massa de fluido refrigerante.  Refrigerante Primário: fluido que participa do ciclo de refrigeração.

1.2 TIPOS DE SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO Os principais tipos de sistemas de refrigeração são:    

Refrigeração por Compressão Mecânica Refrigeração por Absorção Refrigeração por Termocompressão Refrigeração a Gás

2. REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO MECÂNICA 2.1 UTILIZAÇÃO A refrigeração por compressão mecânica é o sistema mais utilizado em unidades industriais, sendo utilizada para temperaturas na faixa de – 130 a + 5 ºC, em capacidades de até 5.000 toneladas de refrigeração. É o sistema utilizado também em aparelhos de ar condicionado e geladeiras. 2.2 CARACTERÍSTICAS DOS DIAGRAMAS T-S E P-H

T

H

P

T

P

S

S

H

Diagrama T-S

Diagrama P-H 2

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2.3 CICLO DE CARNOT INVERTIDO É o ciclo mais eficiente. Entretanto, não é realizável na prática, pois tanto o compressor como a turbina trabalhariam com misturas bifásicas.

D Condensador C Turbina Compressor

B

A Evaporador

Os quatros componentes básicos são:  Um evaporador, no qual o calor é absorvido do processo, vaporizando o fluido refrigerante e resfriando o processo.  Um compressor, que comprime os vapores saídos do evaporador, aumentando sua pressão e temperatura.  Um condensador, que condensa o vapor superaquecido saído do compressor, geralmente por intermédio de água ou ar.  Uma turbina, que reduz a pressão do condensado até o nível correspondente à temperatura desejada no evaporador. Onde: QA = HB – HÁ = calor absorvido pelo refrigerante [Kcal/kg] QR = HD – HC = calor rejeitado pelo refrigerante [Kcal/kg] W = HC – HB = trabalho de compressão [Kcal/kg] A eficiência do ciclo é expressa pelo seu coeficiente de performance: COP =

efeito refrigerante trabalho de compressão

=

QA W

=

HB – HÁ HC – HB

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2.4 CICLO REAL SIMPLES Neste caso, a turbina é substituída por uma válvula de expansão ou qualquer outro tipo de restrição capaz de trabalhar com fluido bifásico. O fluido refrigerante é totalmente vaporizado no evaporador, de modo a não permitir o ingresso de líquido no compressor. Em alguns casos, o vapor formado é inclusive superaquecido no evaporador. Caso a diferença de pressões entre o compressor e o evaporador seja muito grande, o compressor utilizado poderá ter mais de um estágio.

Este ciclo apresenta um COP menor devido à expansão na válvula, que é irreversível, e ao trabalho de compressão requerido. 2.5 CICLO COM RESFRIAMENTO DOS CILINDROS Este ciclo pode ser utilizado com compressores alternativos desde que a temperatura alcançada pelo fluido refrigerante seja superior à temperatura da água de resfriamento dos cilindros. Consegue-se, com isso, transformar a compressão de isentrópica em politrópica, diminuindo-se o trabalho requerido na compressão.

Devido ao menor trabalho de compressão, este ciclo tem maior COP que o ciclo de compressão real simples. 4

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2.6 CICLO COM “INTERCOOLER” Este ciclo também é utilizado para redução do trabalho de compressão. Entretanto, só pode ser utilizado para compressão em mais de um estágio e desde que a temperatura alcançada pelo refrigerante seja superior à da água de resfriamento do “intercooler”.

Devido ao menor trabalho de compressão, este ciclo tem maior COP que o ciclo de compressão real simples. 2.7 CICLO COM RESFRIAMENTO ENTRE ESTÁGIOS POR DESSUPERAQUECEDOR Este ciclo é usado quando, no caso de dois compressores acoplados em série, a temperatura de descarga pode alcançar valores muito altos, gerando problemas de tensão e expansão térmica nos materiais do compressor. No dessuperaquecedor colocado entre os dois compressores o gás de descarga é misturado a uma quantidade de refrigerante líquido.

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2.8 CICLO COM SUBRESFRIAMENTO Este ciclo tem como vantagem o aumento do efeito refrigerante com a conseqüente redução da quantidade de refrigerante circulante. O subresfriamento é usualmente feito no próprio condensador. Consegue-se assim um aumento de 6 a 8% na eficiência do ciclo. Pode ser qualquer tipo de ciclo, apenas é necessário que o condensador possua área de troca térmica suficiente para subresfriar o fluido refrigerante.

Condensador

2.9 CICLO COM INTER-RESFRIAMENTO REGENERATIVO Neste ciclo o líquido saturado do condensador é subresfriado em um trocador adicional por meio do superaquecimento do vapor gerado no evaporador. Consegue-se assim um aumento no efeito refrigerante mas também se aumenta o trabalho requerido por unidade de massa do refrigerante, pois as isentrópicas nos diagramas P-H não são paralelas, mas divergentes, no sentido do aumento de pressão; assim o COP pode ser maior ou menor que o do ciclo de compressão real simples. Uma vantagem adicional é garantia de fornecimento de vapor seco no compressor.

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2.10 CICLO COM ECONOMIZADOR ABERTO Este ciclo só pode ser utilizado para compressão em mais de um estágio, sendo o economizador uma variante do “intercooler” do ciclo de compressão com “intercooler”. Foram incluídos dois componentes, um vaso para “flasheamento” do condensado (economizador) e uma nova válvula de expansão. O condensado é expandido até uma pressão intermediária devido à primeira restrição, e o vapor e líquido formados são separados no economizador; este vapor (saturado) é então adicionado ao vapor superaquecido efluente do 1º estágio do compressor, baixando sua temperatura, sendo então a mistura alimentada à sucção do 2º estágio de compressão. Note-se que os dois estágios de compressão lidam com vazões diferentes de refrigerantes, sendo o trabalho fornecido pelo compressor expresso por: W = W 1 + W 2 = m1 x (HC – HB) + m2 x (HE – HD)

m2

E

F

m2 – m1

D

I G

H

m1

C A B

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2.11 CICLO COM ECONOMIZADOR FECHADO Este ciclo é uma variante do ciclo do item anterior. O efluente do condensador é dividido em duas correntes, sendo uma “flasheada” à pressão intermediária entre os estágios do compressor, e a outra subresfriada pela vaporização do líquido resultante do “flasheamento” da primeira corrente. A corrente subresfriada é então enviada para o evaporador, após expansão na 2ª válvula de controle. Este ciclo é usado quando o evaporador está distante do condensador e se deseja aproveitar a diferença de pressão existente entre o condensador e o evaporador e é menos eficiente que o ciclo com economizador aberto.

F

G

E D

I

H

J

C

A B

2.12 CICLO COM CARGAS SECUNDÁRIAS Este ciclo é utilizado quando são necessários dois evaporadores operando a temperaturas e pressões diferentes.

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Para o caso de cargas proporcionais:

F

E I

D

G

H

C

A B

Para o caso de cargas não proporcionais: F

E D

H

G

C B

A

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2.13 CICLO EM CASCATA Este ciclo é utilizado quando se deseja obter temperaturas muito baixas, sendo utilizados dois ou mais refrigerantes. Cada ciclo pode ser qualquer um dos ciclos anteriores. A particularidade deste ciclo é que o condensador do refrigerante de baixa temperatura é o evaporador do refrigerante de alta temperatura.

CC

DD

BB AA

D

C

B

A

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2.14 REFRIGERANTES UTILIZADOS EM CICLOS DE COMPRESSÃO Alguns dos principais refrigerantes são:

NÚMERO

R-10 R-11 R-12 R-13 R-14 R-20 R-21 R-22 R-23 R-30 R-50 R-160 R-170 R-290 R-600 R-630 R-717 R-718 R-744 R-1150 R-1270

NOME

Tetracloreto de Carbono Triclorofluormetano Diclorodifluormetano Clorotrifluormetano Tetrafluoreto de Carbono Clorofórmio Diclorofluormetano Clorodifluormetano Trifluormetano Cloreto de Metileno Metano Cloreto de Etila Etano Propano N-Butano Metilamina Amônia Água Dióxido de Carbono Eteno Propeno

TEMPERATURA DE EBULIÇÃO (ºC) 76,6 23,8 -29,8 -81,4 -127,9 61,1 14,5 -40,8 -82,0 40,0 -161,4 12,3 -88,6 -42,2 -0,6 -6,4 -33,4 100 -78,0 -103,9 -48,0

Os fluidos refrigerantes devem obedecer as seguintes características:          

Permanecer fluido em todo o sistema; Permanecer abaixo da pressão crítica para poder condensar; Não exceder a temperatura de degradação; Calor latente alto de modo a se utilizar vazões menores; Baixa viscosidade; Alta condutividade térmica; Estabilidade química e térmica; Não ser inflamável; Atóxico; Baixo custo.

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2.15 SELEÇÃO DO REFRIGERANTE PRIMÁRIO, PRESSÕES E TEMPERATURAS 

Temperatura do evaporador É tipicamente de 2 a 10ºC inferior à temperatura de saída do fluido de processo.



Temperatura do condensador A temperatura de condensação (ou final de subresfriamento, conforme o caso) deve ser tipicamente de 2 a 10ºC superior à temperatura do meio de resfriamento e inferior à temperatura crítica.



Pressão do evaporador Conhecendo-se o refrigerante, esta é amarrada pela temperatura de evaporação.



Pressão do condensador Conhecendo-se o refrigerante, esta é amarrada pela temperatura de condensação.



Refrigerante Um critério para seleção do refrigerante é que a pressão do evaporador não deve ser inferior à atmosférica para que não haja entrada de ar no sistema. A pressão de condensação deve ser inferior à pressão crítica e a temperatura de evaporação deve ser superior à de fusão.

2.16 EQUIPAMENTOS UTILIZADOS EM CICLOS DE COMPRESSÃO 

Condensadores Podem ser trocadores casco-e-tubo, resfriadores a ar, condensadores evaporativos ou trocadores “plate-fin”.



Evaporadores São usualmente trocadores casco-e-tubo, tipo “kettle”, ou trocadores “plate-fin”.

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

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Compressores Podem ser alternativos (pequenas capacidades), centrífugos (grandes capacidades) ou de parafuso (altíssimas capacidades).



Válvulas de Expansão São usualmente válvulas de controle cuja abertura é controlada pelo nível de líquido no trocador.



Economizadores Abertos São separadores líquido-vapor de desenho especial.



Economizadores Fechados Podem ser trocadores casco-e-tubo ou casco-e-serpentina.



Garrafa Desaeradora e Sistema de Purga de Incondensáveis Para eliminar ar existente na partida ou durante a operação (com a pressão de evaporação menor do que 1 atm).



Vasos de Acúmulo Para armazenamento de líquido efluente do condensador ou separação do vapor efluente da válvula.



Secadores Para eliminação de umidade, que pode congelar, reagir com o refrigerante etc..



Filtros Para remoção de sujeira.



Separadores de Óleo Para remoção de óleo arrastado do compressor.

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3. REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO 3.1 UTILIZAÇÃO Os ciclos de refrigeração por absorção podem ser utilizados para capacidades de até 5.000 toneladas de refrigeração. Caso o refrigerante empregado seja o sistema água-LiBr, pode-se obter temperaturas de até 5ºC, e caso o refrigerante seja o sistema amônia-água pode-se obter temperaturas de até – 40ºC. 3.2 CICLO EM UM ESTÁGIO Este ciclo substitui o compressor do ciclo de compressão por um conjunto de equipamentos que também tem como objetivo o aumento da pressão e temperatura do refrigerante. A figura abaixo representa o ciclo para o sistema amônia-água. Água

QR1 QR

NH3 vapor

Vapor

QA1

Sol. Diluída NH3

QA Água QR2

Sol. Concentrada NH3

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A amônia vaporizada no evaporador é absorvida por uma solução aquosa diluída de amônia, sendo o calor de solução removido por água de resfriamento; a solução fica então concentrada, sendo bombeada (aumento de pressão) para o gerador de vapor, onde a ela é aquecida (aumento de temperatura) por meio de vapor ou outro meio de aquecimento qualquer. Este aquecimento provoca a vaporização da amônia, gerando uma solução fraca de amônia que volta à absorvedora cedendo calor à solução concentrada; amônia vaporizada é retificada para eliminação de água e enviada ao condensador para seguir o ciclo usual. Neste ciclo temos: QA QA1 QR QR1 QR2 W

= calor absorvido no evaporador = calor absorvido no regenerador = calor rejeitado no condensador = calor rejeitado no retificador = calor rejeitado no absorvedor = trabalho fornecido pela bomba

COP =

QA QA1 + W



QA QA1

3.3 CICLO EM VÁRIOS ESTÁGIOS Fazendo-se a etapa de absorção em vários estágios consegue-se reduzir quantidade de energia requerida no regenerador, a quantidade de água de resfriamento, a área total de troca térmica e a quantidade de solução circulante. Além disto, consegue-se também utilizar meios de aquecimento de temperaturas mais baixas no regenerador, possibilitando assim o uso de calor residual de processo de conteúdo energético mais baixo.

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4. REFRIGERAÇÃO POR TERMOCOMPRESSÃO 4.1 UTILIZAÇÃO A refrigeração por termocompressão é utilizada para obtenção de água na faixa de temperaturas de 2 a 25ºC. 4.2 CICLO COM CONDENSADOR BAROMÉTRICO Neste ciclo, o vácuo equivalente à temperatura desejada da água gelada é mantido no tanque de “flash” por meio de ejetor. A água a ser resfriada é introduzida no tanque, sendo o vapor formado retirado, comprimido e transportado pelo ejetor até o condensador barométrico, onde os vapores motivo e de “flash” são condensados, por contato direto, e os incondensáveis (principalmente ar que entra nos equipamentos devido ao vácuo) são removidos por um ejetor secundário (junto com o vapor d’água de saturação) e enviados a outro condensador barométrico ou para a atmosfera.

4.3 CICLO COM CONDENSADOR CASCO-E-TUBO Neste ciclo, o condensador barométrico é substituído por um trocador casco-e-tubo que utiliza água de torre de resfriamento para efetuar a condensação.

4.4 CICLO COM CONDENSADOR EVAPORATIVO O condensador evaporativo é um equipamento que reúne a torre de resfriamento e o condensador casco-e-tubo no mesmo bloco.

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5. PROCESSOS CRIOGÊNICOS 5.1 INTRODUÇÃO Processos criogênicos são utilizados para liquefação de gases a baixa temperaturas (inferiores a – 128ºC). Três processos podem ser utilizados para efetuar a refrigeração: refrigeração em cascata, processo Linde e processo Claude. 5.2 REFRIGERAÇÃO EM CASCATA É composto de vários ciclos de refrigeração por compressão mecânica em cascata, com o refrigerante mais volátil absorvendo calor do sistema a ser refrigerado e rejeitando-o para um refrigerante de maior ponto de ebulição. Pode-se obter uma temperatura de até – 210ºC, o ponto triplo do nitrogênio. Uma aplicação típica deste processo é a obtenção de gás natural liqüefeito, quando usados propano, eteno e metano em cascata. Uma variante deste processo é a utilização de um refrigerante misto de propano, etano e metano; isto permite o uso de apenas um compressor. Após a compressão, o refrigerante é apenas parcialmente condensado, quando uma fase vapor rica em etano e metano e uma fase líquida rica em propano, que é expandida e vaporizada, condensando o etano e resfriando o metano e o gás natural. O etano é expandido e vaporizado, resfriando o metano e o gás natural. O metano é expandido resfriando o gás natural, que é a seguir expandido em uma válvula, liquefazendo-se parcialmente. Caso se deseje fracionar o gás natural é necessário a inclusão de várias colunas de destilação.

5.3 PROCESSO LINDE Consiste na expansão de um gás comprimido resfriado através de uma válvula. É utilizado também para obtenção de hidrogênio e hélio líquidos, sendo necessário observar que a expansão só pode ser feita caso aqueles gases estejam a temperaturas inferiores a – 73ºC e – 230ºC, respectivamente, para que o coeficiente de Joule-Thompson (T/P)H seja positivo, isto é, que o gás se resfrie ao ser reduzida a sua pressão. Deste modo, é usual pré-resfriar-se o gás com nitrogênio líquido no caso de hidrogênio, e com hidrogênio líquido no caso do hélio.

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5.4 PROCESSO CLAUDE É semelhante ao processo Linde, porém a expansão é realizada em uma turbina. A produção de oxigênio e nitrogênio a partir de ar é um exemplo típico deste processo. A descrição do fluxograma anexo é: 1º - O ar passa inicialmente por um filtro para eliminação de contaminantes ditos primários (poeira etc.); 2º - O ar é então comprimido até cerca de 600 psia em 3 compressores em série; 3º - O ar comprimido passa em um leito de peneiras moleculares para remoção dos contaminantes principais (CO2, água e hidrocarbonetos) por adsorção; 4º - O ar purificado é então resfriado em um trocador “plate-fin” por troca de calor com correntes de N2 e O2 residuais que deixam o processo e por freon de uma unidade auxiliar de refrigeração por compressão mecânica, saindo a cerca de –100ºC; 5º - O ar frio é então dividido em duas correntes: uma se dirige à turbina e é expandida até 70 psig e – 170ºC; outra se dirige a uma válvula de expansão tendo sua pressão reduzida também para 70 psig; 6º - Ambas as correntes se dirigem à coluna inferior de destilação, da qual se obtêm N2 gasoso como produto de topo e ar líquido enriquecido com O2 (40%) como produto de fundo; 7º - A coluna superior opera a 7 psig e fornece O 2 líquido como produto de fundo e N2 residual no topo que é aproveitado no pré-resfriamento; 8º - O N2 produzido pela coluna inferior é condensado no refervedor da coluna superior servido como meio de aquecimento para o fundo desta coluna. Uma variante deste processo é a compressão do ar até 100 psia e préresfriamento até 4ºC com freon, sendo então alimentado ao resfriador (no processo anterior, o ar entra no resfriador a 600 psia e temperatura ambiente).

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6. REFRIGERANTES SECUNDÁRIOS 6.1 PROPRIEDADES FÍSICAS DESEJÁVEIS  Segurança, relacionada principalmente a toxidez e inflamabilidade;  Viscosidade baixa, de modo a diminuir perdas de carga e resistências à transmissão de calor;  Calor específico alto, de modo a diminuir a vazão circulante;  Condutividade térmica alta, de modo a diminuir a resistência à transmissão de calor;  Ausência de corrosividade;  Ponto de fusão baixo, de forma que ele permaneça fluido em todo o ciclo;  Custo baixo.

6.2 REFRIGERANTES SECUNDÁRIOS UTILIZADOS 

Solução aquosa de NaCl: atóxico, não inflamável, muito corrosivo e só pode ser utilizado para temperaturas superiores a – 10ºC;



Solução aquosa de CaCl2: não inflamável, muito corrosivo; só pode ser utilizado para temperaturas superiores a – 35ºC; não pode ser utilizado em indústrias alimentícias; concentração máxima de 30%;



Etilenoglicol e soluções aquosas de etilenoglicol: inflamável, muito corrosivo, tóxico; só deve ser utilizado para temperaturas superiores a – 25ºC; não pode ser utilizado em indústrias alimentícias;



Solução aquosa de propilenoglicol: atóxico, inflamável, pouco corrosivo; só deve ser utilizado para temperaturas superiores a – 10ºC devido a sua alta viscosidade;



Solução aquosa de metanol: muito tóxico, muito inflamável, não corrosivo; só pode ser utilizado para temperaturas superiores a – 25ºC, sendo mais econômico na faixa mais baixa de temperaturas; excelentes propriedades de transmissão de calor (alta condutividade térmica e baixa viscosidade);



Solução aquosa de etanol: atóxico, muito inflamável; utilizado em indústrias de alimentos;



Cloreto de metileno: atóxico, não inflamável, não corrosivo (desde que se evite a entrada de água no sistema); utilizado para temperaturas na faixa de – 35ºC a – 85ºC; baixa viscosidade, mesmo nesta faixa de temperaturas;

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

Tricloroetileno: características semelhantes (mas não tão boas) quanto às do cloreto de metileno;



R-11: características semelhantes (mas não tão boas) quanto às do cloreto de metileno; mais caro que o cloreto de metileno mas tem a vantagem de não atacar o alumínio.

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. REGO, Ronaldo Tavares de Almeida, Liquefação de Gases. Petroquisa, Rio de Janeiro, 1982. 2. SMITH, J. M., VAN NESS, H. C., Introdução à Termodinâmica da Engenharia Química. Editora Guanabara Dois S.A., Rio de Janeiro, 1980.

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