REF - Capítulo 3 - Circuito Frigorígeno

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Capítulo 3 – Circuito Frigorígeno
Refrigeração
Industrial 
Prof.: Juvenil N. de Oliveira Jr.
3.1 Circuito Frigorígeno - Conceito
O circuito (sistema) é composto pela união entre o Compressor (1), Condensador (2), Dispositivo de Expansão (3) e o Evaporador (4). Além destes quatro componentes básicos, há um fluido que circula no interior deles, que é o fluido refrigerante. 
© Juvenil Júnior – Todos direitos reservados
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3.1 Circuito Frigorígeno
Lado de BAIXA PRESSÃO
Lado de ALTA PRESSÃO
Pressão de descarga
Pressão de sucção
Um Sistema de Refrigeração divide-se em duas partes, de acordo com a pressão exercida em ambas. 
A parte de baixa pressão consiste do evaporador e linha de sucção. 
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3.1 Circuito Frigorígeno
A pressão que exerce o fluido refrigerante nestas partes é a pressão de vaporização, evaporação ou saturação. 
Esta pressão também pode ser chamada de "pressão de sucção" ou "pressão do evaporador", geralmente é medida na válvula de entrada (sucção) do compressor através da instalação de um manômetro adequado. 
O lado de alta pressão, ou "lado de alta" do sistema, consiste da linha ou tubulação de descarga, condensador e linha de líquido. 
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3.1 Circuito Frigorígeno
A linha de líquido liga o condensador ao dispositivo de expansão. A pressão que exerce o fluido refrigerante nesta parte do sistema é alta pressão sob a qual condensa-se no condensador. Esta pressão denomina-se "pressão de condensação" ou "pressão de descarga". 
O compressor (1) promove a circulação do fluido refrigerante por todo o sistema (circuito) e com auxílio do dispositivo de expansão (3) (nesse caso é o tubo capilar) promove a elevação de pressão no condensador (2) e a redução de pressão no evaporador (4). 
3.2 Componentes do Sistema
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3.2 Componentes do Sistema
Responsável pela compressão e circulação do refrigerante.
 Ele comprime vapor, aumentando sua pressão e temperatura.
 Só deve comprimir vapor.
 No ciclo ideal, adiabático, o processo de compressão ocorre mantendo-se a entropia constante (processo isentrópico).
Compressor
3.2 Componentes do Sistema
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Rejeita calor para o ambiente ou meio externo. 
 É nele que ocorre a condensação do refrigerante.
 No ciclo ideal, o processo de condensação ocorre a uma pressão constante denominada pressão de condensação.
Condensador
3.2 Componentes do Sistema
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Condensador
O condensador elimina o calor para outro “fluido” que pode ser o Ar ou a Água, sabemos que o calor se transfere do fluido com temperatura maior para o outro com temperatura menor.
Se for o Ar que esteja absorvendo (recebendo) calor do fluido refrigerante, o Condensador é a Ar. Se for a água que esteja absorvendo (recebendo) calor do fluido refrigerante, o Condensador é a Água.
Se forem ambos o Ar e a Água que estejam absorvendo (recebendo) calor do fluido refrigerante, o Condensador é chamado de Evaporador.
3.2 Componentes do Sistema
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Realiza a queda de pressão no ciclo, caindo da pressão de condensação até a pressão de evaporação.
 Promove a expansão do líquido em líquido + gás, controlando a vazão de refrigerante para o evaporador.
 Só deve expandir líquido.
 No ciclo ideal, o processo de expansão ocorre a uma entalpia constante (processo isentálpico).
Dispositivos de Expansão
3.2 Componentes do Sistema
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Dispositivos de Expansão
Resumindo: São redutores de pressão e controladores do fluxo do fluido refrigerante liquefeito no condensador para o evaporador.
O fluido refrigerante flui através da VET para a baixa pressão no evaporador, o fluido refrigerante “líquido” resfria para a temperatura de evaporação correspondente a essa pressão mais baixa.
Para realizar esse resfriamento, o fluido refrigerante “líquido” deve ceder calor; e este é cedido para o meio mais próximo, que são as moléculas adjacentes do próprio fluido refrigerante.
3.2 Componentes do Sistema
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Dispositivos de Expansão
Ao ceder este calor a uma pressão mais baixa, ocorre (ainda no dispositivo de expansão) a evaporação de parte do fluido refrigerante “líquido”, até o ponto em que a mistura de vapor e líquido tenha atingido a temperatura de saturação (evaporação) correspondente a esta pressão mais baixa.
O fluido refrigerante “vapor” resultante desta evaporação é chamado “Flash Gás” e sua quantidade é referida como “Percentual de Flash Gás”. 
3.2 Componentes do Sistema
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Dispositivos de Expansão
Quanto menor o Flash Gás, haverá mais fluido refrigerante “líquido” no evaporador para retirar calor e o rendimento do equipamento aumenta. 
É impossível existir um circuito sem Flash Gás, pois o fluido refrigerante tem que perder calor para entrar no evaporador.
É desejável que o fluido refrigerante líquido tenha um baixo calor específico o que diminuirá o Flash Gás ao mínimo.
O líquido vaporiza-se à pressão e temperatura constante, absorvendo calor latente de vaporização do fluido que está sendo refrigerado (o ar do interior de uma câmara frigorífica, por exemplo), passando esse calor através das paredes do tubo do evaporador para o fluido refrigerante. 
3.2 Componentes do Sistema
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Evaporador
 Retira calor do ambiente ou meio a ser refrigerado. 
 É nele que ocorre a evaporação do refrigerante.
 No ciclo ideal, o processo de evaporação ocorre a uma pressão constante denominada pressão de evaporação.
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3.3 Superaquecimento e Sub-resfriamento
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Vamos abordar a definição do “Superaquecimento” e “Sub-resfriamento” através do diagrama Pressão e Entalpia (P-h).
3.3 Superaquecimento e Sub-resfriamento
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Do ponto B ao C: absorção de calor realizado no evaporador
Do ponto C ao : calor adicional absorvido pelo gás refrigerante quanto ele passa nas seções finais do evaporador e também dentro da linha de sucção.
Superaquecimento.
3.3 Superaquecimento e Sub-resfriamento
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Do ponto ao D: é adicionada uma grande quantidade de calor durante o trabalho de compressão. Este calor, geralmente chamado calor mecânico da compressão, explica-se pelo fato de que, quando se realiza trabalho sobre um fluido, a sua temperatura aumenta na razão da taxa de compressão.
Do ponto ao D: devido ao calor adicionado por estas fontes, o gás refrigerante atinge o condensador altamente superaquecido (ponto D), isto é, a uma temperatura mais alta do que a temperatura de saturação que corresponde à pressão de condensação (ponte E).
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Do ponto D ao E: o gás superaquecido é resfriado para a temperatura de saturação.
Do ponto A ao : Antes de deixar o condensador, o refrigerante líquido é resfriado a uma temperatura abaixo daquela a que foi condensado.
Sub-resfriamento: calculado pela diferença de temperatura entre a temperatura de condensação e a temperatura do líquido refrigerante na linha de líquido.
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Este processo ocorre na saída do condensador, ocasião onde, depois da completa condensação do gás refrigerante (ponto A), é reduzida a temperatura deste líquido para garantir na entrada da válvula de expansão líquido sub-resfriado (ponto ).
Assim, serão avaliadas perdas de rendimento do sistema frigorífico através da presença indesejável de “flash gás” (evaporação instantânea do líquido) na linha de líquido.
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De acordo com as boas práticas de refrigeração, é geralmente desejável um sub-resfriamento natural do líquido (proveniente do condensador) variando de 3 à 5K.
Do ponto ao B: este líquido refrigerante já sub-resfriado passa pela válvula de expansão, sofrendo uma brusca queda de pressão, que provocará a evaporação de uma pequena parcela do líquido refrigerante abaixando a temperatura do restante do líquido que entrará no evaporador.
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Cálculo do Superaquecimento útil:
Função da válvula de expansão termostática: Manter o evaporador com suficiente quantidade de refrigerante para satisfazer todas as condições de carga térmica prevista para o sistema, controlando também a temperatura de evaporação e o que chamamos de superaquecimento.
No ponto X o líquido está totalmente evaporado, caso a válvula for regulada para 6K de superaquecimento, o gás que passa pelo bulbo remoto deve estar 6K mais quente do que temperatura do refrigerante em evaporação.
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Cálculo do Superaquecimento útil:
Temperatura de evaporação 
(obtida através da pressão de sucção convertida em temperatura saturada).
Temperatura de sucção 
(obtida através do termômetro) 
3.3 Superaquecimento e Sub-resfriamento
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Cálculo do Superaquecimento Total:
É extremamente importante em qualquer sistema de refrigeração verificar o valor do superaquecimento do gás de sucção na entrada do compressor, principalmente nos casos onde o compressor está instalado distante do evaporador, como por exemplo, nas instalações do frio alimentar dos supermercados.
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Cálculo do Superaquecimento Total:
Temperatura de sucção
Temperatura de saturação do refrigerante
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Superaquecimento muito baixo pode resultar em retorno de líquido ao compressor, que poderá causar quebra mecânica prematura do compressor.
Superaquecimento muito alto resultará:
Altas temperaturas de descarga, o que poderá causar a carbonização do óleo, danos aos anéis dos pistões, paredes de cilindros e camisas, de um modo geral causará desgaste prematuro em todas as partes móveis do compressor.
Falta de resfriamento do motor elétrico do compressor, podendo causar a queima prematura do enrolamento do estator.
Diminuição da capacidade frigorífica do evaporador e aumento da potência consumida do compressor.
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Cálculo do Sub-resfriamento:
Temperatura de condensação
Temperatura da linha de líquido
É desejável obter um sub-resfriamento natural do líquido (proveniente do condensador) variando de 3 à 5K para evitar perdas de rendimento do sistema frigorífico através da presença indesejável de “flash gás” (evaporação instantânea do líquido) na linha de líquido.
3.3 Superaquecimento e Sub-resfriamento
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De acordo com os dados fornecidos pelo sistema, calcule: superaquecimento útil, superaquecimento total e sub-resfriamento natural.
Uma forma de remover o vapor da superfície de um líquido é absorvendo−o por meio de uma substância com a qual ele reaja quimicamente e nela se dissolva facilmente: o vapor d’água é absorvido rapidamente pelo ácido sulfúrico.
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3.4 Sistema por Absorção de vapor
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A figura a seguir mostra o esquema e os principais componentes do sistema de absorção. 
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Conjunto retira o vapor em baixa pressão do evaporador e o entrega em alta pressão no condensador, tal qual faz o compressor.
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3.4 Sistema por Absorção de vapor
Comparando os dois sistemas, verifica−se que o condensador, o evaporador e a válvula de expansão existem em ambos os sistemas. Entretanto, o compressor é substituído por um conjunto composto de absorvedor, bomba de solução forte, trocador de calor e gerador.
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3.4 Sistema por Absorção de vapor
Sistema NH3-H2O (Amônia-Água)
Onde a Amônia é o refrigerante e a água o absorvente.
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3.4 Sistema por Absorção de vapor
Absorvedor é alimentado com a solução fraca de água–amônia que absorve o vapor de amônia. 
A absorção da amônia pela água é um processo que libera grande quantidade de calor, e, se nenhum resfriamento for providenciado, a temperatura aumenta e o processo de absorção cessa. Geralmente, a mesma água usada para resfriar o condensador resfria antes o absorvedor, vinda de uma torre de resfriamento. 
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3.4 Sistema por Absorção de vapor
A solução forte, formada no absorvedor, tem sua pressão elevada pela bomba e é descarregada no gerador depois de passar no trocador de calor. 
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3.4 Sistema por Absorção de vapor
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No gerador, a solução forte é aquecida e o vapor produzido é então retificado para que amônia quase pura seja descarregada no condensador. 
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3.4 Sistema por Absorção de vapor
A solução fraca que é formada está quente. Por isso, um trocador de calor é interposto entre o gerador e o absorvedor a fim de aquecer a solução forte até a temperatura do gerador e resfriar a solução fraca até a temperatura do absorvedor. 
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3.4 Sistema por Absorção de vapor
Para manter a diferença de pressão entre o gerador e o absorvedor é instalada uma válvula na tubulação da solução fraca um pouco antes da entrada do líquido no absorvedor.
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3.4 Sistema por Absorção de vapor
A solução fraca é outra vez remetida ao absorvedor para receber mais amônia. 
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3.4 Sistema por Absorção de vapor