Projeto_de_Refrigeracao_de_um_Bebedouro

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO
CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE RONDONÓPOLIS
INSTITUTO DE CIÊNCIAS AGRÁRIAS E
TECNOLÓGICAS CURSO DE ENGENHARIA
MECÂNICA
REFRIGERAÇÃO, VENTILAÇÃO E AR-CONDICIONADO
PROJETO DE REFRIGERAÇÃO - BEBEDOURO DE ÁGUA
INDUSTRIAL
GUILHERME MOCILLO CALEMAN
KAIQUE DANTAS FERREIRA
LUIZ FELIPE FERREIRA
RENATO RAPOSO PORTO
Orientador: Prof. Me. Fábio Basaglia Fonseca
Rondonópolis-MT
Dezembro/2015
UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO CAMPUS
UNIVERSITÁRIO DE RONDONÓPOLIS INSTITUTO DE CIÊNCIAS
AGRÁRIAS E TECNOLÓGICAS CURSO DE ENGENHARIA
MECÂNICA
GUILHERME MOCCILO CALEMAN
KAIQUE DANTAS FERREIRA
LUIZ FELIPE FERREIRA RIBEIRO
RENATO RAPOSO PORTO
REFRIGERAÇÃO, VENTILAÇÃO E AR-CONDICIONADO
PROJETO DE REFRIGERAÇÃO - BEBEDOURO DE ÁGUA
INDUSTRIAL
Trabalho apresentado como forma de avali-
ação parcial da disciplina de Refrigeração,
Ventilação e Ar-Condicionado do curso de
Engenheira Mecânica pela Universidade Fe-
deral de Mato Grosso, campus de Rondonó-
polis, sob a orientação do Prof. Me. Fábio
Basaglia Fonseca.
RONDONÓPOLIS-MT
Dezembro/2015
3
Sumário
1 INTRODUÇÃO E OBJETIVOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1 Tipos de Bebedouros Industriais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 Ciclo de Refrigeração . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2.1 Ciclo de Compressão a vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 Principais Componentes de um Ciclo de Compressão de Vapor . . . 8
2.3.1 Compressores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3.2 Condensadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3.3 Dispositivos de Expansão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3.3.1 Tubo Capilar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3.4 Evaporadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3.5 Líquido Refrigerante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.5.1 Fluido Refrigerante R-134a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.6 Controles Automáticos do Ciclo de Refrigeração . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.6.1 Dispositivos de Controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.6.2 Termostato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3 METODOLOGIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4 DIMENSIONAMENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.1 Dimensionamento Preliminar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
4.2 Dimensionamento Detalhado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.2.1 Capacidade de Refrigeração Requerida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.2.1.1 Calor Retirado da Água . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.2.1.2 Calor Transferido ao Reservatório . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
4.3 Seleção do Compressor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.4 Seleção do Condensador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
4.5 Dimensionamento do Tubo Capilar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.6 Dimensionamento Serpentina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4.7 Perda de Carga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
6 DOCUMENTAÇÕES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
7 BIBLIOGRAFIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Sumário 4
8 APÊNDICE I - ESCOPO DE PROJETO . . . . . . . . . . . . . . . 29
9 APÊNDICE II - FICHAS TÉCNICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
10 APÊNDICE III - MANUAL DE INSTALAÇÃO . . . . . . . . . . . . 31
11 APÊNDICE IV - CERTIFICADO DE GARANTIA . . . . . . . . . . 32
12 APÊNDICE V - INFORMAÇÕES TÉCNICAS E CARACTERÍSTI-
CAS DO PRODUTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
13 APÊNDICE VI - ORÇAMENTO FINAL DO PRODUTO . . . . . . 34
14 APÊNDICE VII - TERMO DE ABERTURA . . . . . . . . . . . . . 35
15 APÊNDICE VIII - MEMORIAL DE CÁLCULO EM SOFTWARE . . 36
5
1 Introdução e Objetivos
A formação do engenheiro mecânico requer que os profissionais sejam capazes de pro-
jetar, bem como analisar a viabilidade de construção dos mais variados tipos de projetos,
em especial o projeto mecânico. Projetos bem dimensionados e analisados garantem ao
consumidor qualidade em relação à segurança, requisitos ambientais, bem como qualidade
de vida.
No âmbito de mercado e projeto, projetos mecânicos são realizados em conjunto, com
a participação de projetistas, cadistas, analistas financeiros, e mercadológicos, bem como
todas as decisões envolvem a diretoria.
O presente trabalho tem como principal objetivo garantir ao aluno o conhecimento na
área de projetos, bem como o entendimento e contato com as ferramentas de engenharia
que são necessárias para a realização do mesmo.
Será apresentado a seguir o projeto de um bebedouro de água industrial com capaci-
dade para 100 litros, para atender ao pedido solicitado pelo cliente. O projeto mostrará
desde o seu dimensionamento até sua forma final, em etapas subsequentes.
6
2 Revisão Bibliográfica
2.1 Tipos de Bebedouros Industriais
Na hora de comprar um bebedouro industrial, existem informações imprescindíveis
que se necessita ter o conhecimento, tais como: a capacidade do reservatório, o material
utilizado e a capacidade de refrigeração. Porém, associado a isso, é importante ter o
conhecimento dos tipos de bebedouros industriais, seus subtipos e variações. Os principais
são:
∙ Bebedouro Industrial de coluna (ou bebedouro industrial móvel): Este é o tipo de
bebedouro industrial mais conhecido e possui diversos modelos e fabricantes. Sua
vantagem é a mobilidade, o que permite encaixá-lo em vários locais e transportá-lo
quando as necessidades mudarem. Possui reservatório interno com diversas capaci-
dades, que vão desde as menores, na ordem de 25 litros, até superiores na ordem de
2000 litros. Geralmente estes reservatórios são feitos de aço inox 304, próprio para
alimentos, porém podem ser feitos de plástico.
∙ Bebedouro Industrial de mesa: Os bebedouros industriais de mesa, em geral, são
iguais aos de coluna, sendo que a única diferença é a ausência das pernas de susten-
tação. Uma desvantagem é a menor mobilidade e a vantagem é a possibilidade de
ocupar espaços que estão vazios ou que sejam fáceis de alocar.
∙ Bebedouro Industrial de garrafão: Diferentemente dos bebedouros industriais de
coluna, este tipo de bebedouro dispensa a entrada de água externa e também o
filtro interno, pois o garrafão/galão já deve estar com água filtrada. O reservatório
para gelar a água continua a existir. Este tipo de bebedouro atualmente está em
desuso e não é frequentemente recomendado.
2.2 Ciclo de Refrigeração
O ciclo de refrigeração ou ciclo frigorífico é um ciclo termodinâmico que constitui o
modelo matemático que define o funcionamento das máquinas frigoríficas e das bombas
de calor. Existem quatro tipos de ciclos de refrigeração:
∙ Ciclo de compressão de vapor;
∙ Ciclo de absorção de vapor;
∙ Ciclo de gás;
Capítulo 2. Revisão Bibliográfica 7
∙ Ciclo Stirling.
2.2.1 Ciclo de Compressão a vapor
De acordo com o gráfico da Figura 1 e segundo (STOECKER, 2002), este ciclo é o
mais importante e o mais utilizado na prática (ciclo de Carnot).
Figura 1 – Ciclo Teórico de Compressão a Vapor
Consiste de um refrigerante em circulação que entra no compressor sob a forma de
vapor, é comprimido à uma entropia constante e sai superaquecido do compressor (Figura
1, de 1 para 2). O vapor superaquecido desloca-se então através do condensador que pri-
meiro realiza o arrefecimento e remove o superaquecimento do mesmo, depois o condensa
transformando-o em líquido através da remoção do calor adicional (pressão e temperatura
constantes)(Figura 1, de 2 para 3). O líquido refrigerantepassa então por uma válvula de
expansão onde a sua pressão decai abruptamente causando a sua evaporação parcial e a
auto refrigeração de, normalmente, menos de metade do líquido (Figura 1, de 3 para 4).
A partir daí, resulta uma mistura de líquido e vapor a uma temperatura e pressão infe-
riores. A mistura líquido-vapor fria desloca-se então através da serpentina do evaporador
e evapora-se completamente, arrefecendo o ar que a atravessa. Esse ar é impulsionado
através da serpentina por um ventilador. Por fim o vapor refrigerante resultante volta ao
compressor para completar o ciclo térmico (Figura 1, de 4 para 1). A descrição do ciclo
acima, baseia-se num ciclo de compressão de vapor ideal, o qual nunca ocorre na realidade.
Na prática, teriam que ser tidos em conta outros efeitos reais como a queda de pressão
dentro do sistema devida ao atrito, uma ligeira irreversibilidade termodinâmica durante
a compressão e o comportamento do fluido refrigerante ser o de um gás não ideal.
Capítulo 2. Revisão Bibliográfica 8
2.3 Principais Componentes de um Ciclo de Compressão de Vapor
2.3.1 Compressores
Segundo (STOECKER, 2002), na refrigeração industrial são utilizados praticamente
todos os tipos de compressores: alternativos, rotativos parafuso e de palhetas centrífugos.
Desses, os tipos mais comuns em instalações de capacidade de 1000 KW são os alternativos
e os rotativos parafuso ou simplesmente parafuso. Compressores centrífugos encontram
aplicação na indústria química e de processos, uma vez que tanto podem ser acionados
por turbina à gás como por motores elétricos. Os compressores rotativos de palhetas
encontram aplicação como “booster” em sistemas de duplo estágio de compressão.
Os compressores alternativos são construídos em distintas concepções destacando-se
entre elas os tipos aberto, semi-hermético e hermético. No compressor aberto o eixo de
acionamento atravessa a carcaça, sendo, portanto, acionado por um motor exterior.
Os compressores herméticos, utilizados em refrigeradores domésticos e condicionadores
de ar até potências de ordem de 30 KW, são semelhantes aos semi-herméticos, deferindo
no fato da carcaça só apresentar os acessos de entrada e saída do refrigerante e para as
conexões elétricas do motor.
2.3.2 Condensadores
Segundo (STOECKER, 2002), os três tipos de condensadores aplicados na refrigeração
industrial são:
∙ Resfriador de ar;
∙ Resfriador de água;
∙ Evaporativo.
Ao contrário do que ocorre na refrigeração comercial e no condicionamento de ar, em
que a maioria dos condensadores é resfriado a ar, na refrigeração industrial predomina
o tipo evaporativo. No condensador resfriado a ar o refrigerante, se condensa rejeitando
calor, através de uma superfície aletada, para o ar ambiente, circulado por um ventilador,
geralmente, do tipo axial.
Dois tipos construtivos disputam o mercado de condensadores resfriados a água: o
tradicional carcaça/tubos, e o de placas, em geral brazadas. No caso do tipo carcaça/tubos,
o refrigerante se condensa na carcaça e água circula pelos tubos. No caso do tipo placas,
o refrigerante se condensa escoando no sentido descendente ao passo que a água circula
no sentido ascendente. A água aquecida pela condensação do refrigerante é circulada por
bombas através de uma torre de resfriamento, de onde retorna ao condensador.
Capítulo 2. Revisão Bibliográfica 9
2.3.3 Dispositivos de Expansão
A função do dispositivo é provocar a expansão do fluido refrigerante reduzindo sua
pressão, desde a linha de líquido, a uma pressão de condensação Pe, alimentando o eva-
porador a uma pressão Pe, através da introdução de uma perda de carga ΔP. Divide
o sistema com o compressor, em duas zonas de pressão: uma alta e outra de baixa. Os
principais tipos de dispositivos de expansão são:
∙ Restrição de área fixa (tubo capilar ou de orifício);
∙ Válvula de expansão automática (ou de pressão constante);
∙ Válvula de expansão termostática;
∙ Válvula de expansão eletrônica.
2.3.3.1 Tubo Capilar
Dispositivo de expansão mais utilizado em sistemas de refrigeração de pequena ca-
pacidade. Trata-se, basicamente, de um tubo de cobre trefilado com diâmetros internos
variando entre 0,5 e 2 mm e comprimento entre 1 e 6 m. não possui pares móveis, é sim-
ples, barato e permite a equalização de pressão no sistema quando parado, possibilitando
o uso de motores de baixo torque de partida (menores e mais baratos). Permitem car-
gas moderadamente constantes no evaporador assim como pressões no condensador. A sua
desvantagem principal trata-se da capacidade limitada para regular o fluxo de refrigerante
em resposta à variações no sistema.
2.3.4 Evaporadores
Segundo (STOECKER, 2002), o evaporador é o agente direto de resfriamento, consti-
tuindo a interface entre o processo e o circuito frigorifico. Com exceção daquelas aplicações
onde ocorre o resfriamento direto do produto, como o caso dos congeladores de placas, a
maioria dos evaporadores resfria ar ou líquidos como água, salmouras, etc., os quais serão
agentes de resfriamento no processo.
Uma porcentagem expressiva dos sistemas frigoríficos envolve o condicionamento de
ar no sentido amplo, através de um processo de resfriamento e desumidificação. O fluido
de resfriamento nos trocadores de calor responsáveis por esse processo, conhecido como
“serpentinas”, pode ser o próprio refrigerante da instalação frigorífica (constituindo um
evaporador), água ou uma salmoura (solução anticongelante). Em virtude do reduzido
coeficiente de transferência de calor por convecção que caracteriza o ar, os tubos de ser-
pentinas devem ser dotados de aletas com o objetivo de reduzir a resistência térmica
exterior, razão pela qual assumem uma geometria peculiar, fazendo parte dos denomina-
dos “trocadores de calor compactos”.
Capítulo 2. Revisão Bibliográfica 10
No passado, os resfriadores de líquidos eram constituídos predominantemente de eva-
poradores do tipo carcaça-tubos, porém atualmente estão sendo substituídos por outros
tipos, especialmente o de placas, que apresentam a vantagem de melhor desempenho tér-
mico, o que lhes confere um tamanho relativamente reduzido comparado aos de carcaça-
tubos, embora não estejam isentos de alguns problemas operacionais como excessiva perda
de carga e distribuição inadequada de refrigerante.
2.3.5 Líquido Refrigerante
São substâncias empregadas como veículos térmicos na realização dos ciclos de re-
frigeração. Em ciclos de compressão a vapor, o refrigerante é o fluido de trabalho que
alternadamente vaporiza e condensa quando absorve e libera energia térmica. Um refrige-
rante satisfatório deveria possuir certas propriedades químicas, físicas e termodinâmicas
que faz o seu uso seguro e econômico, no entanto, não existe um refrigerante ideal. As lar-
gas diferenças entre as condições operacionais e as exigências das várias aplicações fazem
com que o refrigerante ideal seja uma meta impossível de se alcançar. Então, um refrige-
rante só se aproxima das condições ideais somente quando suas propriedades satisfazem
as condições e exigências de uma determinada aplicação.
Na figura 2 abaixo, encontram-se os líquidos refrigerantes mais usados na indústria.
Figura 2 – Principais Fluidos Refrigerantes
2.3.5.1 Fluido Refrigerante R-134a
O gás refrigerante R-134a é um HFC (hidrocarboneto halogenado) que substitui o R-
12 e como todos HFC’s não agride a camada de ozônio. Possui uma elevada estabilidade
química e térmica, baixa toxicidade e não é inflamável, além de ter uma excelente compa-
tibilidade com a maioria dos materiais. Ele não é miscível com óleos tradicionais (mineral
e alquilbenzeno), porém a miscibilidade com óleos poliésteres (POE) é completa, por isso
deve sempre ser usado com tais óleos. O R-134a é uma alternativa para a substituição
do R12, para a adaptação ou para a instalação em novos sistemas. É amplamente utili-
Capítulo 2. Revisão Bibliográfica 11
zado em ar condicionado de carros, geladeiras domésticas, chillers de setores industriais e
comerciais, além de transporte frigorífico em temperaturaspositivas.
2.3.6 Controles Automáticos do Ciclo de Refrigeração
O Controle é um dispositivo que dá partida, para, regula e/ou protege o ciclo. Um
sistema de controle tem como funções básicas: regular o sistema de modo que condições
de projeto sejam mantidas no espaço controlado; permitir uma operação eficiente do equi-
pamento; evitar possíveis efeitos nocivos aos ocupantes, instalações e equipamentos. Os
dispositivos de controle variam em complexidade desde um simples interruptor até contro-
ladores mais sofisticados de modulação e rearme. Estes dispositivos podem ser elétricos,
eletrônicos, pneumáticos, por computador, autônomos, de estado sólido, ou fluídicos. O
tipo de controle selecionado depende grandemente da preferência do projetista do sistema
e, do grau de controle desejado.
2.3.6.1 Dispositivos de Controle
Atualmente existem uma infinidade de controladores de sistemas de refrigeração, que
fazem o papel de controlar as variáveis do ciclo, afim de manter as condições nominais de
projeto e garantir o bom funcionamento do sistema. Dentre tantos os mais utilizados são:
∙ Termostato;
∙ Pressostato;
∙ Umidostato;
∙ Fluxostato;
∙ Válvulas de controle;
∙ Controles elétricos e eletrônicos.
2.3.6.2 Termostato
O termostato é um dispositivo destinado a manter constante a temperatura de um de-
terminado sistema, através de regulação automática. O termostato é um instrumento que
tem a função de impedir que a temperatura de determinado sistema varie além de certos
limites preestabelecidos. Um mecanismo desse tipo é composto, fundamentalmente, por
dois elementos: um indica a variação térmica sofrida pelo sistema e é chamado elemento
sensor; o outro controla essa variação e corrige os desvios de temperatura, mantendo-a
dentro do intervalo desejado. Os principais são:
∙ Termostato mecânico;
Capítulo 2. Revisão Bibliográfica 12
∙ Termostato digital;
∙ Termostato pneumático.
No ciclo de refrigeração de compressão de vapor atuante em um bebedouro de água
industrial, o termostato mecânico atua no sentido de controle da temperatura da água do
reservatório, ligando ou desligando o compressor quando detecta variações de temperatura.
13
3 Metodologia
Para dimensionamento do bebedouro partimos do princípio de conseguir refrigerar
a água de modo que sempre quando usado, possa fornecer água gelada. Sendo assim
com auxílio da norma ABNT NBR 13972 a capacidade de refrigeração foi determinada
considerando uma indústria de manufatura leve, e também as temperaturas de saída e
entrada água. Com essas temperaturas a perda de calor necessária da água foi calculada.
Pelos catálogos de compressores foram estimadas as temperaturas de evaporação e
compressão do fluido refrigerante, assim como qual fluido utilizar. Tendo conhecimento
desses dados, tornou-se possível calcular todo o ciclo ideal de compressão a vapor para o
bebedouro. Seguindo a ordem de cálculo por seção:
1. Compressor;
2. Condensador;
3. Tubo capilar;
4. Evaporador.
Após isso, selecionamos e dimensionamos os componentes do projeto para que corres-
pondessem com os dados encontrados nos cálculos de forma barata e eficiente, em seguida
corrigindo os valores do ciclo ideal com os valores de perdas de carga e eficiência dos
acessórios.
14
4 Dimensionamento
Como princípio para o dimensionamento dos componentes, coleta-se os requisitos ini-
ciais por parte do cliente. Estas requisições de pedido são:
∙ 5 bebedouros
∙ Consumação de 500 pessoas no total
∙ Capacidade de 100L cada bebedouro.
Antes do dimensionamento real dos componentes do ciclo, faz-se o cálculo do ciclo
teórico ideal do sistema. Este não será apresentado no projeot devido ao tamanho final
do projeto, disponibilizando apenas os cálculos do ciclo real, com as perdas e alterações
devido a disponibilidade dos componenttes no mercado. Os cálculos de dimensionamento
seguem a ordem de cálculo de capacidade de refrigeração, seleção do compressor, seleção
do condensador, dimensionamento do tubo capilar e dimensionamento da serpentina.
4.1 Dimensionamento Preliminar
Para dar início ao projeto preliminar, algumas características do produto são previa-
mente estabelecidads de acordo com o projetista ou disponibilidade de componentes no
mercado. O tipo de compressor, fluido utilizado e dimensões do reservatório podem ser
previstas sem a necessidade de um atendimento de critérios rigorosos. O fluido refrige-
rante utilizado foi o R134a que apresenta boas características de estabilidade química,
inflamabilidade, custo, disponibilidade no mercado, atoxicidade e termodinâmicas, além
de que seu uso em larga escala no mercado garante sua grande confiabilidade de uso.
O tipo de compressor estipulado foi o hermético, por ser mais barato, silencioso, e é
aplicado em sistemas de média e alta temperatura.
Durante o pré-projeto, a empresa decidiu optar por um bebedouro com baixa espes-
sura, de modo que ocupe menos espaço em um cômodo quando encostado na parede,
permitindo 3 pessoas se servirem ao mesmo tempo com espaço suficiente. Partindo deste
princípio, mensurou-se as medidas do reservatório que formam um volume mínimo de 100
litros. Tais medidas são:
∙ Largura Frontal= 0.6m
∙ Altura = 0.5 m
∙ Espessura= 0.35 m
Capítulo 4. Dimensionamento 15
4.2 Dimensionamento Detalhado
Para a realização do dimensionamento dos componentes deve se determinar a capa-
cidade frigorífica do bebedouro, que varia de acordo com o número de pessoas e tipo de
trabalho do ambiente (muito pesado, pesado, leve e casual) segundo a norma NBR 13972.
A NBR 13972 utilizada pela empresa foi corrigida e substituída pela NBR 16236, porém
a primeira era a única disponível gratuitamente. Determinando a capacidade de refrifera-
ção, torna-se possível o dimensionamento dos componentes principais, como compressor,
condensador, tubo capilar e serpentina respectivamente.
4.2.1 Capacidade de Refrigeração Requerida
4.2.1.1 Calor Retirado da Água
Utilizado a fómula e a tabela da figura da NBR utilizada, Figura 3, estimou-se uma
vazão de água decorrente do ambiente em que o produto se situa.
Figura 3 – Cálculo de consumação de água segundo a NBR 13972.
Por se tratar de uma empresa com 500 integrantes, diversos níveis de esforço de tra-
balho são existentes, portanto foi selecionado o tipo de manufatura como leve , impondo
também o número de pessoas e de bebedouros requisitados pelo cliente e calculando a
vazão de água consumida, como demonstrado nas equações abaixo.
Multiplicando a vazão volumétrica pela massa específica, obtém-se a vazão mássica de
água consumida em kg/s:
Segundo a norma utilizada, a temperatura de entrada da água no bebedouro é de 27oC
e a de saída(para consumo) de 10oC. Através destes valores e do calor específico da água,
o calor retirado da água é obido pela equação a seguir:
Capítulo 4. Dimensionamento 16
4.2.1.2 Calor Transferido ao Reservatório
Tendo as dimensões do reservatório, é possível a determinação do calor transferido
do ambiente para o reservatório, desde que também sejam estabelecidos os materiais
de revestimento do compartimento. Visando isolar termicamente o reservatório, manter a
integridade da água do interior e revestir o bebedouro, optou-se por usar o polipropileno no
reservatório, poliuretano expandido como isolante e aço inox no revestimento. Selecionados
os materiais, foi permitida a obtenção de seus coeficientes de condutividade, o que permite
o cálculo do calor transferido para o reservatório d’água. O cálculo apresentado abaixo
apresenta o calor transferido pela frente, por trás, pelas laterais, em cima e embaixo do
reservatório respectivamente e logo após o calor total.
Reunindo o calor retirado da água e o calor transferido para o reservatório, determina-
se o calor total retirado do compartimento de água: 541.197W.
Capítulo 4. Dimensionamento 17
4.3 Seleção do Compressor
Para a seleção de um compressor, alguns parâmetros devem ser observados, como as
faixas de temperaturas de operação, capacidade frigorífica, potência e vazão mássica de
fluido refrigerante.Segundo STOECKER quanto mais próximas forem as temperaturas
de evaporação e condensação das temperaturas ambiente e recinto frio, maior será o
coeficiente de eficácia produzido. Neste caso buscou-se optar por um compressor que
operasse próximo as temparaturas de 27oC e 10oC. Observando o catálogo da marca
ELGIN, observou-se compressores que operam em faixas de temperatura de evaporação e
condensação respectivamente igual à -6,7oC e 55oC, sendo estas também, as temperaturas
de testes em regime nominal. Obtidas as temperaturas, foi permitida a coleta das entalpias
em cada ponto do ciclo térmico, demonstrado pela Figura 4 e suas respectivas entalpias.
Com as entalpias obtidas, determinam-se os coeficientes de eficácia e o efeito de refri-
geração teórico. A vazão mássica de fluido e a potência requerida compresor podem são
obtidas:
O compressor escolhido deve atender aos quesitos de vazão mássica requerica, potência
teórica e capacidade frigorífica pré determinada. O compressor ELGIN modelo TCM-0020
atendeu todos os critérios de seleção pré-estabelecidos, sendo este então o selecionado. Os
dados de potência, coeficiente frigorífico e vazão mássica do compressor escolhido são
apresentados conforme abaixo:
Capítulo 4. Dimensionamento 18
Figura 4 – Ciclo teórico de Refrigeração.
4.4 Seleção do Condensador
O condensador é o componente que rejeita o calor resultante do resfriamento e do
processo de compressão. O fluxo de calor teórico rejeitado é obtido pelo produto da vazão
mássica e a diferença de entalpia entre os pontos 2 e 3 do ciclo como demonstra a fórmula
Capítulo 4. Dimensionamento 19
abaixo:
Obedencendo o critério de rejeição de calor mínimo, o condensador escolhido foi o
modelo TRINEVA TC-5 cujas características são:
Como o condensador selecionado rejeita uma quantidade maior de calor que a reque-
rida, ocorre subresfriamento, alterando então a entalpia no ponto 3 para líquido sub-
resfriado.O fenômeno de sub-resfriamento é vantajoso durante o processo, já que impede
a formação de bolhas de vapor de fluido na entrada do tubo capilar.
Isolando a entalpia 3 como na fórmula abaixo, é possível determinar a nova entalpia
neste ponto de acordo com o calor real rejeitado e a vazão mássica real.
4.5 Dimensionamento do Tubo Capilar
O dimensionamento do tubo capilar é de grande complexidade, já que ocorre mudança
de fase durante a passagem do fluido refrigerante ao longo de seu comprimento. Na entrada
do tubo o fluido se encontra na condição de líquido sub-resfriado e na saída na condição de
mistura de vapor e líquido, variando assim sua velocidade, massa específica e viscosidade
durante a mudança de fase, tornando-se assim engenhoso o processo de dimensionamento.
Para a obtenção da perda de carga no tubo, faz-se necessário a coleta de dados como
massa específica, viscosidade e velocidade nos pontos 3 e 4 onde ocorre o processo de
expansão isentálpica. Devido a diferença significativa dos valores destes dados em cada
ponto, foi preciso realizar uma média entre cada ponto, estimando assim um valor fixo
Capítulo 4. Dimensionamento 20
Capítulo 4. Dimensionamento 21
destas condições no tubo. O cálculo analítico do comprimento requerido do capilar é
demonstrado no conjunto de equações abaixo:
Para a validação do cálculo analítico do tubo capilar, foi realizado um comparativo
com um software comercial de dimensionamento de tubos capilares. O software denomina-
se de DANCAP e foi desenvolvido por uma empresa de refrigeração atuante no mercado
no ramo de refrigeração industrial. A imagem 5 apresentada ilustra as condições impostas
no software e as dimensões resultantes do dimensionamento.
Figura 5 – DANCAP - software de dimensionamento de tubos capilares
Após o comparativo o tubo resultante do software DANCAP foi o selecionado já que
é largamente utilizado no mercado e consquentementne apresenta maior confiabilidade e
precisão de funcionamento.
Capítulo 4. Dimensionamento 22
4.6 Dimensionamento Serpentina
Da mesma forma que no tubo capilar, uma média entre os valores de velocidade, visco-
sidade e massa específica também devem ser feitas na serpentina, para que possa habilitar
o cálculo de transferência de calor entre esta e a água. Para a realização do cálculo dr
transferência de calor da serpentina para água, é também necessário obter o coeficiente de
transferência do fluido refrigerante (convecção interna forçada), consequentemente o nú-
mero de Prandtl, Nusselts e temperatura logarítmica. De acordo com ÇENGEL, o cálculo
da transferência de calor em um escoamento interno com mudança de fase é impreciso e
complexo, necessitando muitas vezes de análises experimentais para a validação dos cál-
culos obtidos. O roteiro de dimensionamento do comprimento da serpentina é apresentado
abaixo.
4.7 Perda de Carga
Em alguns componentes do ciclo, ocorre um perda de carga significativa. Neste caso
torna-se necessária a realização do cálculo de perda e carga no condensador e evaporador
para posteriomente somar com a perda no capilar e quantificar a perda de potência devido
ao atrito. Este cálculo se apresenta nas equações abaixo para o condensador, serpentina
e tubo capilar respectivamente.
Capítulo 4. Dimensionamento 23
Capítulo 4. Dimensionamento 24
Capítulo 4. Dimensionamento 25
26
5 Considerações Finais
Conforme percebeu-se algumas etapas do dimensionamento dos componentes são im-
precisas, de forma que deva se buscar outras formas e métodos de análise existentes, como
por exemplo no tubo capilar. Outro parâmetro que pode se destacar é a potência do com-
pressor, que foi relativamente alta em relação aos já existentes no mercado, porém ela pode
ser explicada pela capacidade frigorífica pré-determinada a partir da norma utilizada, que
é ultrapassada (lançada em 1997). A perda de carga decorrente do condensador, tubo
capilar e serpentina não afetou o funcionamento do sistema, já que o compressor fornece
uma potência suficiente para suprir a refrigeração e a perda de carga. O sub-resfriamento
resultante do condensador acerretou um aumento no COP(coeficiente de performance) de
2,914 para 3,767, já que a diferença de entalpia entre os pontos 4 e 1 é aumentada.
27
6 Documentações
Durante o projeto diversos documentos são elaborados. Estes documentos podem ser
o escopo, ficha técnica, manual de instalação, certificado de garantia, termo de abertura,
informações técnicas, cálculo de mão-de-obra, valor de nota fiscal, orçamento final e ca-
racterísticas do produto. Estes documentos serão apresentados em apêndices ao final do
projeto escrito.
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7 Bibliografia
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8 APÊNDICE I - ESCOPO DE PROJETO
30
9 APÊNDICE II - FICHAS TÉCNICAS
31
10 APÊNDICE III - MANUAL DE INSTALA-
ÇÃO
32
11 APÊNDICE IV - CERTIFICADO DE GA-
RANTIA
33
12 APÊNDICE V - INFORMAÇÕES TÉCNI-
CAS E CARACTERÍSTICAS DO PRO-
DUTO
34
13 APÊNDICE VI - ORÇAMENTO FINAL
DO PRODUTO
35
14 APÊNDICE VII - TERMO DE ABER-
TURA
36
15 APÊNDICE VIII - MEMORIAL DE CÁL-
CULO EM SOFTWARE
Este documento apresenta o memorial de cálculo realizado no software MATHCAD
15 sem interrupções e explicações durante a leitura.
	Introdução e Objetivos
	Revisão Bibliográfica
	Tipos de Bebedouros Industriais
	Ciclo de Refrigeração
	Ciclo de Compressão a vapor
	Principais Componentes de um Ciclo de Compressão de Vapor
	Compressores
	Condensadores
	Dispositivos de Expansão
	Tubo Capilar
	Evaporadores
	Líquido Refrigerante
	Fluido Refrigerante R-134a
	Controles Automáticos do Ciclo de Refrigeração
	Dispositivos de Controle
	Termostato
	Metodologia
	Dimensionamento
	Dimensionamento Preliminar
	Dimensionamento Detalhado
	Capacidade de Refrigeração Requerida
	Calor Retirado da Água
	Calor Transferido ao Reservatório
	Seleção do Compressor
	Seleção do Condensador
	Dimensionamento do Tubo Capilar
	Dimensionamento Serpentina
	Perda de Carga
	Considerações Finais
	Documentações
	Bibliografia
	APÊNDICE I - ESCOPO DE PROJETO
	APÊNDICE II - FICHAS TÉCNICAS
	APÊNDICE III - MANUAL DE INSTALAÇÃO
	APÊNDICE IV - CERTIFICADODE GARANTIA
	APÊNDICE V - INFORMAÇÕES TÉCNICAS E CARACTERÍSTICAS DO PRODUTO
	APÊNDICE VI - ORÇAMENTO FINAL DO PRODUTO
	APÊNDICE VII - TERMO DE ABERTURA
	APÊNDICE VIII - MEMORIAL DE CÁLCULO EM SOFTWARE