Relatório de Refrigeração

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UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA
ESCOLA POLITÉCNICA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
GRUPO 2:
ALEXANDRE LOPEZ DEL CID
ERICK PEREIRA CERQUEIRA
LENOLI ALMEIDA SILVA
RAYANA HELLEN CARNEIRO ARAUJO
TAYS CLEYSSE NERI SILVA
PROJETO DE SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO
Salvador
2018
PROJETO DE UM SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO
ALEXANDRE LOPEZ DEL CID
ERICK PEREIRA CERQUEIRA
LENOLI ALMEIDA SILVA
RAYANA HELLEN CARNEIRO ARAUJO
TAYS CLEYSSE NERI SILVA
Trabalho de graduação apresentado a disciplina ENG176 – Refrigeração e Ar Condicionado do curso de Engenharia Mecânica da Universidade Federal da Bahia.
Orientador: Prof. Paulo Câmara
Salvador
2018
RESUMO
O presente projeto visa à construção de um sistema de refrigeração para pequenas unidades, utilizando R22 como fluido de trabalho, podendo suprir a demanda de variação de até 15°C de um determinado fluxo de água. O objetivo deste projeto é principalmente didático, ao introduzir os membros do grupo aos conhecimentos e técnicas da área de refrigeração, através da construção de um protótipo simples que tem em vista atender a necessidade de um sistema de ar-condicionado, caracterizado como de uso não-intensivo, de modo a cumprir sua finalidade de forma eficiente.
Este memorial contém os passos para o desenvolvimento do projeto, com enfoque no dimensionamento e montagem dos componentes.
Introdução
Refrigeração é a ação de resfriar determinado ambiente de forma controlada, tanto para viabilizar processos, processar e conservar produtos (refrigeração comercial e industrial) ou efetuar climatização para conforto térmico, tendo impacto direto e indireto na qualidade final de produtos e processos, além de desempenhar um importante papel na funcionalidade de equipamentos e também no ramo de controle, na metrologia.
Este projeto consiste na simplificação e adaptação de equipamentos em um sistema de refrigeração , sem alterar os níveis de segurança recomendados, que operem em intensidade de utilização baixa a média. O objetivo é refrigerar água a uma vazão média de 18kg/s em até 15°C, através do ciclo térmico do fluido refrigerante R22.
Metodologia
Os primeiros passos para o desenvolvimento deste projeto foi estabelecer os parâmetros de refrigeração do ambiente proposto (variação de 15°C em um fluxo de água 18kg/s) . A partir disto, o fator custo de construção foi tomado como prioridade para determinar as variáveis do projeto. Deste modo, avaliou-se a disponibilidade de equipamentos já existentes em outros setores da UFBa e assim conseguimos o empréstimo do compressor o BRAND KTN, modelo KX-B18rA030e a partir de sua capacidade, foi dimensionado todos os outros equipamentos. O dimensionamento foi feito em partes por cada integrante do grupo, testado no programa EES, que possui umas das mais completas bibliotecas de propriedades termodinâmicas e então construído o modelo em CAD. Após a confirmação dos resultados teóricos, orçamentou-se os produtos e ferramentas necessárias para a construção do sistema e com os insumos comprados, montou-se o protótipo, com as devidas adaptações à realidade. Com a funcionalidade do sistema real montado, comparamos os resultados obtidos com os valores teóricos encontrados e validamos o nosso projeto.
O ciclo de Refrigeração
Refrigeração
é o processo pelo qual se extrai calor de um determinado corpo ou meio proporcionando a este um nível de temperatura mais baixo que o do meio que o circunda, seja por meios mecânicos ou naturais
O ciclo de refrigeração
É um sistema térmico que continuamente transfere energia térmica (calor) de uma região de baixa temperatura para outra em alta temperatura. Como este fluxo contraria a tendência natural do calor, só é possível absorvendo trabalho externo
Um circuito de refrigeração é um agrupamento ordenado de componentes básicos com funções distintas e capacidades similares, de forma que a ausência de um deles tornará inviável a realização do ciclo de refrigeração. Para realização do ciclo de refrigeração é necessária a circulação de um fluido refrigerante neste circuito, o qual sofrerá variações de estado físico, pressão e consequentemente de temperatura durante seu trajeto. Ou seja, o circuito de refrigeração é composto dos componentes básicos e do fluido de refrigerante ou veículo condutor de calor. Os componentes básicos de um circuito de refrigeração por compressão de vapor são os seguintes: Compressor, condensador, dispositivo de expansão e evaporador.
Figura 1
Trecho 1 a 2 (Wc) – Processo de compressão.
Este processo é executado pelo compressor, o qual succiona o fluido refrigerante no estado de vapor a baixa temperatura e baixa pressão, comprime-o e descarrega-o para o condensador a alta pressão e alta temperatura causando uma consequente circulação do fluido refrigerante. Durante este processo é adicionado calor ao fluido refrigerante devido ao trabalho de compressão.
Trecho 2 a 3 (Qc) – Processo de condensação.
Este processo é executado no condensador, o qual recebe o fluido refrigerante a alta pressão e alta temperatura no estado de vapor. Devido à temperatura do fluido refrigerante estar mais alta que a do meio externo, o fluxo de calor se dará do condensador para o meio externo (o ar ambiente, por exemplo). Sabemos que todo o fluido no estado de vapor que cede calor condensa-se, é nesse princípio que está baseada a função do condensador.7
Trecho 3 a 4 – Processo de expansão.
Este processo baseia-se na relação de proporcionalidade, de forma direta, entre a pressão e a temperatura.
A expansão se processa da seguinte forma: 
1- O fluido refrigerante entra no dispositivo de expansão no estado líquido a alta pressão e alta temperatura. 
2- No interior do dispositivo ele encontra um ponto de diâmetro reduzido, causando uma restrição, isto faz com que a massa de fluido refrigerante seja reduzida. 
3- Em seguida essa massa de refrigerante, em quantidade reduzida, encontra um trecho de diâmetro ampliado em relação ao do interior do dispositivo. 
4- As moléculas de refrigerante, ao atingirem o trecho de diâmetro ampliado, afastam-se reduzindo o atrito entre elas diminuindo a pressão e consequentemente a temperatura. 
5- A pressão é reduzida ao nível proporcional à temperatura de evaporação desejada. 
Trecho 4 a 1 (Qo) – Processo de evaporação.
 Este processo é executado no evaporador, o qual recebe do dispositivo de expansão o fluido refrigerante a baixa pressão e baixa temperatura no estado líquido e promove a absorção de calor pelo mesmo e sua consequente evaporação. A quantidade de calor a ser absorvida está ligada a dois fatores: 
1- A diferença de temperatura existente entre o fluido refrigerante e o corpo ou meio a ser refrigerado. 
2- A quantidade de massa de fluido refrigerante a ser evaporada. Esses dois fatores influenciarão de forma direta na capacidade frigorífica do sistema, é fundamental que o evaporador tenha capacidade de evaporação do fluido refrigerante em sua totalidade, a fim de evitar danos ao compressor.
Componentes do Sistema
Evaporador
O evaporador é um trocador de calor que absorve o calor para o sistema de refrigeração. Ele recebe líquido refrigerante frio, de baixa pressão vindo do dispositivo de expansão e através da absorção do calor de alguma substância, vaporiza-o em seu interior. Essa substância pode ser o ar, água, outro fluído ou mesmo um sólido.
Existem muitos tipos de evaporadores. Podem ser classificados conforme o método utilizado para controlar o refrigerante. No sistema de refrigeração em questão, é utilizado do evaporador de tubo liso, por sua simplicidade de construção na forma que melhor atende as necessidades e sua eficiência.
Compressor
O compressor é um equipamento industrial concebido para aumentar a pressão de um fluido em estado gasoso (ar, vapor de água, hidrogênio, etc. O compressordisponibilizado para a construção do nosso modelo de refrigerador foi o BRAND KTN, modelo KX-B18rA030 e é um equipamento do tipo rotativo. 
Nos compressores rotativos, os gases são comprimidos por elementos giratórios. Outras das particularidades destes tipos de compressores são por exemplo as menores perdas mecânicas por atrito, pois dispensam um maior número de peças móveis, a menor contaminação de ar com óleo lubrificante, a ausência de reações variáveis sobre as fundações que provocam vibrações, o fato de a compressão ser feita de um modo continuo e não intermitente, como sucede nos alternativos e a ausência de válvulas de admissão e de descarga que diminui as perdas melhorando o rendimento volumétrico. Outro aspecto muito importante, para os diferentes tipos, prende-se com a economia de energia, com os rendimentos volumétrico, associados a fugas, e mecânico, associado a movimentos relativos entre as peças que constituem a máquina, e com a manutenção dos mesmos.
Condensador
Um condensador tem como finalidade condensar vapores gerados pelo aquecimento de líquidos em processos de destilação simples. Ele é dividido em duas partes: Uma onde passa o vapor que se tem interesse em condensar e outra onde passa um líquido (normalmente água) resfriado para baixar a temperatura interna do condensador. Um vapor aquecido entra no condensador e encontra uma superfície com uma temperatura inferior ao seu ponto de ebulição, e então condensa (ou liquefaz).
Dispositivo de Expansão
O dispositivo de expansão está instalado entre a saída do condensador e a entrada do evaporador. O refrigerante, com alta pressão e temperatura vindo do condensador, entra no dispositivo de expansão e sai dele com uma mistura de líquido e vapor de baixa pressão e baixa temperatura. Essa mistura que entra no evaporador é conhecida como "flash gas". É essa diferença de pressão entre o lado de alta e baixa que faz com o refrigerante evapore no evaporador a uma temperatura suficientemente baixa para absorver o calor do ar ambiente e que ele condense no condensador a uma temperatura alta o suficiente para remover o calor para o ar externo. Como não ocorre rejeição do calor no dispositivo de expansão, apenas queda de temperatura, parte do calor sensível transforma-se em calor latente.
Dos diversos tipos de dispositivos existentes, o tubo capilar é o mais simples. Trata-se de um tubo de cobre de pequeno diâmetro e comprimento fixo. Este será o dispositivo de expansão do sistema. Uma das principais vantagens de contar com a atuação de Tubos capilares dentro do sistema é a simplicidade com a qual ele trabalha. Não apresenta partes móveis, portanto, é fácil a instalação e a posterior utilização do material. Os Tubos capilares também apresentam vantagens econômicas, pois são produtos de baixo custo. Isso leva a um excelente custo benefício, afinal, o tubo é completamente eficiente dentro de sua atuação e, mesmo assim, não gera custos elevados. 
Além de já custar pouco, os Tubos capilares também fazem com que os gastos do sistema sejam reduzidos. Isso acontece, pois é diminuída a quantidade e, posteriormente, o custo da refrigeração, além de eliminar a necessidade de um tanque coletor. 
Dimensionamento do Sistema
Compressor
 O compressor foi disponibilizado pela SUMAI, e possui as características citadas no quadro abaixo. A partir destas informações, os outros equipamentos do sistema foram dimensionados.
Evaporador
Dados do Fluido R22
	temperatura de entrada do R22 [°C]
	8
	temperatura de saída do R22 [°C]
	11
	calor específico do R22 [J/kg.K]
	629,2
	viscosidade dinâmica do R22 [Pa.s]
	0,00022
	pressão do R22 [bar]
	4,2329
	vazão do R22 [kg/s]
	1,84212
Dados da Água
	Temperatura de entrada da água [°C]
	25
	temperatura de saída da água [°C]
	10
	calor específico da água [J/kg.K]
	4178
	viscosidade dinâmica da água [Pa.s]
	0,000769
	pressão da água [bar]
	1
	vazão da água [kg/s]
	18,02319611
	coeficiente global inicial [W/m²K]
	300
Cálculo da Taxa de transferência de calor
Considerando-se que o sistema opera em regime permanente e desprezando-se as variações de energia cinética e potencial, pela primeira lei da termodinâmica, tem-se:
Os valores encontrados para as entalpias foram calculados no software EES, que nos retornou os seguintes valores: 
Assim, a taxa de transferência de calor do evaporador é:
Q=3,924 [kJ/s]
Diferença média da temperatura logarítmica
Quando se deseja estudar os mecanismos de transferência de calor em trocadores (serpentina de água gelada, evaporadores, condensadores, etc.), deve-se utilizar a diferença de temperatura média logarítmica (∆Tml) para o cálculo do fluxo de calor, pois desta forma estarão sendo considerados os diferentes valores do diferencial de temperaturas entre os dois fluidos, ao longo de todo o trocador. A diferença de temperatura média logarítmica, para um trocador de calor operando com correntes paralelas é dada por:
Utilizando os dados de entrada e saída para o fluído, temos que:
∆Tml= 6,167°C=279,317K
Dimensões do tubo de cobre
A partir da equação de Transferência de calor, é possível agora encontrar o valor da área de transferência:
Através da área de troca calculada a partir do Coeficiente de Transferência Global (A=0,0415 m²), e dos parâmetros pré-fixados pelo Compressor utilizado (diâmetro e espessura do tubo de cobre), temos as medidas finais para o evaporador:
	diâmetro do tubo de cobre [pol]
	¼”
	espessura do tubo de cobre [mm]
	0,76
	comprimento do tubo de cobre [m]
	2,35
Condensador
Dados do Fluido R22 no condensador
	Vazão do R22 [kg/s]
	1,842
	Temperatura de entrada do R22(°C)
	40
	Temperatura de saída do R22 (°C)
	36
	Temperatura ambiente (°C)
	25
	Temperatura de saída do ar (°C)
	30
	K1 (coeficiente convectivo do R22) (W/mK)
	150
	K2 (coeficiente convectivo do Ar) (W/mK)
	300
	V Coeficiente global de transferência de calor (W/m²K)
	100
Calor dissipado pelo Condensador
Conforme mencionado, a função do condensador é transferir calor do fluido frigorífico para o meio de resfriamento do condensador (água ou ar). Este fluxo de calor pode ser determina através de um balanço de energia no volume de controle. Considerando o regime permanente, tem-se:
Utilizando os dados de entrada e saída do fluido R22 no condensador, fez um pequeno programa no EES que nos retornou os seguintes valores para e 
= 409,7kJ/kg
= 244,5kJ/kg
Logo, o calor dissipado no condensador é: 
Q = 314,7 [kJ/s] 
Outra equação que possibilita o dimensionamento do condensador é a de Transferência de calor
Onde A é a área total de transferência de calor Tlm é a diferença logarítmica da temperatura entre o ar e o fluido dentro do tubo e Uo é o coeficiente global de transferência, calculado através dos coeficientes convectivos do fluido R22 e do ar. 
Dimensões do condensador
Comparando com a Equação de Transferência de calor com a do calor dissipado no condensador, encontra-se o valor da área:
A=0,1073 m³: 
A partir disto, temos que:
Onde Nt=1 (n° de tubos) e L é o comprimento do tubo do condensador que desejamos encontrar.
Os valores possíveis para o comprimento do condensador em função do diâmetro estão na tabela abaixo.
	Di [Pol]
	Li [m]
	0.25
	5,379
	375
	3,586
	0.5
	2,689
	0.75
	1,121
	1
	1,345
Dimensão escolhida: 
Diâmetro 0.25” e L=5,379m
Dispositivo de Expansão
Através de simulações no programa EES, foi calculada que a pressão de saída do condensador (e entrada no TC) é de 15,34 bar, ao mesmo tempo em que a pressão de entrada no evaporador é de 4,23 bar. O dispositivo de expansão deve promover então uma queda de pressão de pelo menos 11,11 bar. 
Com o auxílio de softwares específicos para dimensionamento de tubos capilares (DanCap), que leva em consideração o estado bifásico do fluído entre outros detalhes importantes, foi definido que a dimensão ideal do Tubo capilar é de 2,5mmde diâmetro e 1,08 metros de comprimento. 
Rotina no EES
Versão .ees e .pdf do programa estarão anexadas ao relatório
	
“Ciclo de Refrigeração – ENG176”
f$='R22'”fluido de trabalho”
T[0]=298,15 "K" "temperatura de entrada ar"
T[6]=30+273,15 "K"”temperatura de saída do ar”
"Compressor"
m_dot=1,842 "kg/s"
Wc=1,155 "W"
"entrada no compressor"
P[1]=4,2329 "bar"
T[1]=284,15 "K"
h[1]=Enthalpy(f$;T=T[1];P=P[1]) "kJ/kg"
"saída do compressor"
Wc=m_dot*(h[2]-h[1])
T[2]=40+273,15"K"
P[2]=Pressure(f$;h=h[2];T=T[2]) "bar"
"Condensador"
"entrada no condensador"
P[3]=P[2]
T[3]=36+273,15 "k" "T de saida do condensador"
h[3]=Enthalpy(f$;T=T[3];P=P[3])
deltaT1=T[0]-T[3]
deltaT2=T[6]-T[2]
Tlm=-(deltaT1-deltaT2)/ln(deltaT1/deltaT2)+273,15 "K"
Q2=m_dot*(h[2]-h[3]) "kW"
k[3]=30"W/m².K"
k[1]=15 "W/m².K"
V=(1/(1/k[1]+1/k[3]))
t= Q2
t=V*A*(Tlm)
"Dimensões do Condensador"
D=0,0127 "m"
L=A/(pi*D)
"Tubo Capilar"
P[4]=P[3] "pressão de saída do condensador"
P[5]=P[1] "pressão de entrada no evaporador"
"Evaporador"
T[5]=8+273,15 "entrada no evaporador"
h[5]=Enthalpy(f$;T=T[5];P=P[5]) "entalpia de entrada"
Q_eva=m_dot*(h[1]-h[5])
Tlm_e=279,317"K"
V_e=300 "W/m³K"
Q_eva*1000=V_e*A_e*(Tlm_e)
D_e=0,00635
L_eva=A_e/(pi*D_e)
SOLUTION
Unit Settings: SI K bar kJ mass deg
A = 0,1108 Ae = 0,04688 D = 0,0127
dT1 = -11 dT2 = -10 De = 0,00635
f$ = 'R22' L = 2,778 Leva = 2,35
m = 1,842 Q2 = 314,3 [kJ/kg] Qeva = 3,929 [kJ/kg]
t = 314,3 [kJ/kg] Tlm = 283,6 Tlme = 279,3
V = 10 Ve = 300 Wc = 1,155
“Diâmetros possíveis para o condensador”
Orçamento
	Material
	Preço (R$)
	Compressor
	Cedido pela Sumai
	Tubo de cobre 1/4" (2.5 m)
	
	Caixa de isopor (21L)
	
	Esponjoso 1/4 " e 1/2 "
	
	Eletrodos 
	
	Tubo capilar 1.2mm de diâmetro 
	
	Condensador 
	Cedido pela Sumai
	Tubos quadrado (estrutura)
	
	Conexões (tudo capilar 1/4 e 1/2)
	
Montagem do protótipo
*incluir fotos da montagem, comentários e comparar resultados
Extras (perigos do R22)
Resultado
Conclusão