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Grupo HCT Minicurso: Ar Condicionado e Refrigeração Projeto e Dimensionamento Prof. Carlos Pádua Refrigeração – Conceitos básicos Refrigeração: É o processo de retirar calor de um corpo ou ambiente e rejeitá-lo para outro de temperatura maior. Refrigerantes: As substâncias que evaporam a baixas temperaturas constituem o meio mais conveniente para remover calor. Quando líquidos são evaporados, isto é, transformados em vapor, são absorvidas quantidades de calor relativamente grandes. Muitos das substâncias usadas como refrigerantes evaporam a temperaturas inferiores a –190C sob condições normais de pressão atmosférica. Mudança de fase:. Todas as substâncias podem existir em três diferentes fases: sólido, líquido e gasoso (ou vapor). A água é o mais natural exemplo de substância que nós encontramos usualmente nas três fases, sendo que ela recebe diferentes nomes em cada fase (gelo, água e vapor) o que pode causar alguma confusão quando estamos tratando de outras substâncias. Porém, sabemos que nas três diferentes fases a água tem a mesma fórmula química H2O. Substâncias diferentes possuem diferentes pontos de fusão (solidificação) e evaporação (condensação). A maioria das substâncias utilizadas como refrigerante, têm seu ponto de fusão em torno de -100°C. 2 Tipos de refrigeração Refrigeração de compressor de vapor: É o processo mais empregado em sistemas de ar condicionado. É necessária a utilização de um compressor para fornecer trabalho e elevar a pressão do fluido refrigerante (refrigeração mecânica). Os componentes básicos de um ciclo de compressão mecânica incluem um conjunto compressor-motor, evaporador, condensador e um dispositivo de expansão (ou controlador de fluxo de fluido refrigerante), que interligados formam um circuito fechado de refrigeração (por onde circula o fluido refrigerante). Refrigeração por absorção: Esse processo não utiliza a compressão para a elevação da pressão do fluido refrigerante. O processo de elevação é realizado por meio de uma reação físico-química, que é a absorção do fluido refrigerante no estado vapor a baixa pressão (na saída do evaporador) por uma substância líquida, chamada de fluido absorvente, seguido de um processo mecânico que é o bombeamento da solução líquida rica em fluido refrigerante. Portanto, para produzir o efeito de refrigeração utiliza energia térmica num ciclo com fluidos refrigerante e absorvedor. A energia térmica necessária pode ser fornecida diretamente por um queimador de gás (queima direta) ou ser proveniente de rejeito de uma caldeira (cogeração). Refrigeração Termelétrica: Utiliza o efeito Peltier (princípio dos termopares). Uma corrente elétrica induz uma diferença de temperatura entre as extremidades de um condutor. Tem baixa eficiência. 3 Temperatura x Pressão: Se uma substância está presente em duas fases ao mesmo tempo, isto é, está passando por um processo de mudança de fase , a temperatura e a pressão se tornam dependentes. Neste caso, as fases estão em equilíbrio térmico (condição de saturação), e se a temperatura da mistura bifásica é aumentada, a pressão também irá aumentar. A relação entre a pressão e temperatura para a condição de saturação (líquido e vapor) é chamada de “curva da pressão de vapor”. Usando essa curva, podemos determinar qual a pressão corresponde à temperatura de evaporação ou condensação em um determinado processo. Processo simples de refrigeração A refrigeração pode ser obtida de uma maneira simples usando um fluido refrigerante, como a amônia, proveniente de uma garrafa onde ela se encontra pressurizada. A garrafa é ligada a uma serpentina para resfriar água ou ar, como mostra a figura acima. A amônia quando deixa a garrafa tem a sua pressão reduzida e passa por um processo de expansão/evaporação nos tubos. Haverá um fluxo contínuo de calor do ar/água circulante através das paredes dos tubos da serpentina para a amônia. Esta, então, vaporizada, é dirigida por tubos para o exterior. Uma instalação como esta, fora os incômodos provocados pela amônia, fornecerá uma refrigeração satisfatória. Contudo, o custo da substituição da amônia perdida apesar de ela ser um dos refrigerantes mais baratos, será proibitivo. Por esses motivos (ecológicos e econômicos), a amônia ou qualquer outro refrigerante, deve ser usado continuamente, isto é, deve ser reaproveitado em um ciclo. Para este fim, é necessário que a instalação possua mais equipamentos, como será visto nas figuras a seguir. 4 Ciclo básico de refrigeração A ciência da refrigeração é baseada no fato de que o líquido refrigerante pode ser evaporado em qualquer temperatura que se deseje, desde que a sua pressão seja alterada. Assim, em um ciclo de refrigeração, o mesmo fluido refrigerante irá condensar a uma temperatura mais alta do que ele evapora, fazendo com que a sua pressão seja mais alta. Então teremos dois lados no ciclo: o lado de alta pressão e temperatura e o lado de baixa pressão e temperatura. 5 Ciclo básico de refrigeração – continuação A única razão para que um compressor seja introduzido no ciclo é fazer o aumento de pressão necessário para possibilitar a condensação do refrigerante a uma temperatura maior do que a de evaporação. Para fazer o refrigerante voltar à pressão de evaporação (lado de baixa) é necessário um dispositivo para adicionar a perda de pressão necessária. A válvula de expansão separa o lado de alta pressão do lado baixa pressão, completando, assim, o ciclo. 6 Ciclo básico de refrigeração - continuação Para tornar o ciclo de refrigeração operacionalmente mais eficiente e adequado a cada tipo de aplicação, vários tipos de acessórios são introduzidos. Alguns dos principais acessórios estão mostrados na figura abaixo. 7 Classificação dos sistemas de ar condicionado SISTEMAS EXP DIRETA EXP INDIRETA SELF-CONTAINED SPLIT -SYSTEMS APARELHO JANELA CHILLERS ALTERNATIVOS ROTATIVOS CENTÍFUGA COND. A AR COND. A ÁGUA COND. A AR COND. A ÁGUA COND. A AR COND. A ÁGUA INCORPORADO REMOTO 8 Sistemas de expansão direta Neste caso, a expansão do gás refrigerante se dá na serpentina do evaporador que absorve o calor diretamente do ar que passa através desta. As unidades que fazem parte deste sistema trazem todos os elementos necessários para o seu funcionamento incorporados (serpentina, compressor, condensador, ventilador, controles e acessórios). Em alguns casos os condensadores e/ou compressores podem ser instalados remotamente à unidade principal. O agente de rejeição de calor pode ser o ar ambiente ou um circuito de água de resfriamento (condensação). O insuflamento do ar pode ser feito diretamente no ambiente ou por meio de dutos. Existem vários tipos de sistemas de expansão direta, sendo os mais comuns: - Aparelhos de janela ou parede; - Unidades tipo “Split system” ou sistema dividido; - Sistemas divididos para dutos (Splitão); - Unidades “Self-contained” ou compactas, que podem ser subdividas em: • Condensador a ar incorporado • Condensador a ar remoto • Condensador a água - Unidades do tipo “Roof top”; - Unidades de fluxo de refrigerante variável (VRV ou VRF). Notas: 1. As variações de sistemas acima são função da possibilidade de separação do ciclo de refrigeração em diferentes unidades ou do tipo de fluido de resfriamento utilizado no condensador. 2. Outras variações/classificações de equipamentos de expansão direta que existem no mercado são função do tipo de montagem (roof top) ou de sofisticações no controle (VRV). 9 Sistemas de expansão direta – Aparelho de janela e Splits 10 Split-System highwall Aparelho de janela MultiSplit Expansão direta com condensação a ar Split built-in underceiling (teto/piso) Split cassete Unidade externa Emprego indiscriminado de unidades Splits-System 11 (Fonte da imagem: Seminário Água gelada - Fluidos refrigerantescom baixo GWP - Novas perspectivas - Roberto Peixoto/ Tomaz Cleto) Sistemas de expansão direta – Self-contained e variações 12 Fonte: Ar condicionado – Guia prático sobre sistemas de água gelada (MMA) Splitão Sistema VRV ou VRF Roof-top Self-contained a ar Self-contained a água VRV (Fonte: catálogos Daikin do Brasil) Sistemas de expansão indireta (água gelada) São aqueles em que a expansão do gás refrigerante acontece no evaporador através da troca de calor com um fluido térmico intermediário. Este fluido que foi resfriado no evaporador, é então direcionado para uma serpentina para absorver calor do ambiente que se deseja condicionar. O fluido intermediário normalmente utilizado é a água (gelada), podendo ser utilizadas salmouras para baixas temperaturas (etilenoglicol). São sistemas para serem utilizados em grandes instalações (acima de 100 TR). A instalação é composta, no mínimo, da unidade resfriadora de água ou líquido (URA ou chiller), bombas de circulação da água gelada, e de diversas unidades condicionadoras de ar (fancoils ou AHU), interligadas ao evaporador do chiller, constituindo um circuito fechado de água. Os chillers podem ser resfriados a água ou a ar. Quando resfriados a água, deve existir um sistema de água de resfriamento, composto por torre de arrefecimento, bombas de água de condensação (BAC) e tubulações de aço para interligação com o condensador do chiller, formando um circuito aberto de água. As unidades condicionadoras de ar quando do tipo central (AHU) devem ser instalados em casa de máquinas. São compostas por caixa de mistura (opcional), seção de filtragem, serpentina de água gelada, ventilador e motor elétrico, podendo atender a vários ambientes através de uma rede de dutos. Podem ser também do tipo fancoil de ambiente (fancolete ou fancoil baby) para serem instalados no próprio ambiente a ser condicionado (piso ou teto), sem rede de dutos (sistema descentralizado). O controle de temperatura da AHU ou do fancoil de ambiente será feito por meio de uma válvula de 2 ou 3 vias, que controlará a vazão de água que passa na serpentina em função de um sensor de temperatura colocado no ambiente ou no ar de retorno, no caso da AHU. No caso de instalação com uso de vários fancoils de ambiente, estes normalmente só recirculam o ar da sala, e então deve haver um sistema central de ar externo composto por uma AHU que irá insuflar o ar de renovação necessário em cada ambiente de acordo com as normas (DOAS). 13 Sistemas de expansão indireta – imagens 14 Expansão indireta com condensação a ar Expansão indireta com condensação a água Fontes: Ar condicionado – Guia prático sobre sistemas de água gelada (MMA) e Selection Tips For Air-Conditioning Cooling Systems (A. Bhatia, B.E.) Unidades condicionadoras de ar AHU horizontal AHU vertical High-wall Console Built-in Fonte das imagens: Catálogo fabricante Carrier/Midea e arquivo Airmarine 15 Chillers e torre de resfriamento Chiller resfriado a água Chiller resfriado a ar Torre de resfriamento aspirada Fonte: Catálogos fabricantes Carrier e alpina 16
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