Seção+3 2+-+Refrigeração (1)

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CONDENSADORES 
São trocadores de calor aonde o refrigerante que vem do 
compressor a alta pressão e temperatura, troca calor com a água ou 
ar mudando de estado, passando de vapor para líquido-condensado. 
A condensação é sem dúvida o processo dominante em aplicações 
normais de refrigeração, respondendo por 83% da rejeição de calor. 
Segundo o meio condensante os condensadores podem ser 
classificados em condensadores resfriados a água, condensadores 
resfriados a ar e condensadores evaporativos. 
Os condensadores resfriados a ar ou a água têm aplicação em sistemas de 
condicionamento de ar e em refrigeração comercial. 
Os condensadores a água também são utilizados em sistemas de 
refrigeração e de condicionamento de ar, e a distância entre o compressor 
e o condensador é longa. 
Condensadores a ar também são muito utilizados em equipamentos 
residenciais de até 60.000 Btu e comerciais de até 600.000 Btu. 
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CONDENSADORES
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO 
O refrigerante entra no condensador como vapor superaquecido, isto é, 
a uma temperatura maior que a temperatura de saturação, na pressão 
em que o vapor se encontra. 
A primeira parcela da superfície do condensador é utilizada para retirar 
calor do vapor até a temperatura de saturação que representa 
aproximadamente 15 a 25% do calor total rejeitado.
Quando o refrigerante atinge a temperatura de saturação, calor latente 
é rejeitado. Esse processo representa a maior parcela de calor rejeitado 
(entre 70 a 80%).
CONDENSADORES
CONDENSADORES RESFRIADOS A AR
Um condensador resfriado a ar utiliza o ar ambiente para remover o calor de 
condensação do refrigerante. 
Com exceção dos condensadores de refrigeradores domésticos, em geral são 
do tipo serpentinas aletadas utilizando um ventilador para a movimentação 
do ar. 
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CONDENSADORES
CONDENSADORES RESFRIADOS A AR
As serpentinas do condensador podem ser resfriadas por convecção natural 
ou através de um ventilador, centrífugo ou axial, aumentando 
significativamente a eficiência de troca térmica. 
Vazões de ar geralmente adotadas variam entre 80 a 160 L/s, com velocidades 
do ar entre 2 a 4 m/s.
CONDENSADORES
CONDENSADORES EVAPORATIVOS
Em um condensador evaporativo, o refrigerante a alta temperatura e alta 
pressão proveniente do compressor circula através de uma serpentina que é 
continuamente molhada no seu exterior através da vapor em circulação. 
Os condensadores evaporativos reduzem as necessidades de bombeamento e 
tratamento da água quando comparados a condensador a água mais torre de 
arrefecimento
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CONDENSADORES
CONDENSADORES RESFRIADOS A ÁGUA
Os condensadores a água condensam o refrigerante em um trocador de calor, 
geralmente casco e tubo ou de placas. 
Nos condensadores tipo casco e tubo o refrigerante condensa externamente aos 
tubos, por onde circula a água. 
A água aquecida na sua passagem pelo condensador é resfriada em uma torre de 
arrefecimento.
CONDENSADORES RESFRIADOS A ÁGUA MULTITUBULAR EM CARCAÇA 
Nos condensadores resfriados a água, após a água passar pelos tubos 
do condensador, ela é transportada a uma torre de resfriamento na 
qual deverá ser resfriada, rejeitando calor à atmosfera. 
O condensador a água é preferido em relação ao condensador a ar, 
quando a distância entre o compressor e o local em que o calor será 
dissipado for grande. 
CONDENSADORES
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CONDENSADORES RESFRIADOS A ÁGUA MULTITUBULAR EM CARCAÇA 
Na maior parte dos projetos, é sugerido transportar água em vez de 
transportar refrigerante em longas distâncias.
Em compressores centrífugos acoplados diretamente a um 
condensador, são requeridos tubos com diâmetros grandes para o 
escoamento do refrigerante de baixa densidade. 
Por isso, os condensadores a água 
são preferíveis para os sistemas que 
utilizam compressores centrífugos. 
CONDENSADORES
CONDENSADORES RESFRIADOS A ÁGUA CARCAÇA E SERPENTINA
Contam com uma carcaça externa contendo uma serpentina contínua feita 
de tubos de água aletados. 
A água circula nos tubos da serpentina enquanto o refrigerante passa na 
parte externa da mesma. 
Costumam ser encontrados combinados com um compressor e tubulação e 
devem ser limpos com produtos químicos pois não podem ser desmontados
CONDENSADORES
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CONDENSADORES
Projeto de um condensador resfriado à água
Para se determinar a área de um condensador, é necessário conhecer a 
transferência de calor entre os fluidos quente e frio. 
A taxa de transferência de calor no condensador está relacionada 
diretamente com o coeficiente global de transferência de calor, a área de 
troca de calor e com a diferença de temperatura entre as correntes. 
Segundo a Figura, a taxa de transferência de calor através do tubo é dada por:
q : taxa de transferência de calor (W); 
he : coeficiente de transferência de calor na superfície externa (W/m2K); 
Ae / Ai : área externa/interna do tubo (m2);
Am : área média da circunferência do tubo (m2);
te : temperatura do refrigerante (°C);
tse : temperatura da superfície externa (°C);
tsi : temperatura da superfície interna do tubo (C°); 
k : condutividade térmica do metal (W/mK);
x : espessura do tubo;
hi : coeficiente de transferência de calor na superfície interna (W/m2K); 
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Expressando a transferência de calor em função do coeficiente global, temos:
q : taxa de transferência de calor (W); 
Ae : área externa do tubo (m2); 
te : temperatura do refrigerante (°C);
Ai : área interna do tubo (m2);
ti : temperatura da água (C°); 
Ue e Ui : coeficientes globais de transferência de calor externa e interna (W/m2K).
CONDENSADORES
Como o vapor de refrigerante sai superaquecido do compressor, existe uma 
distribuição de temperatura ao longo do condensador, e como a diferença de 
temperatura entre o refrigerante e o fluido de resfriamento é diferente na seção 
de superaquecimento (saída do compressor), o coeficiente de transferência de 
calor por convecção nessa seção geralmente é menor do que no condensador. 
Devido a esse fato, a diferença de temperatura pode ser representada pela 
média logarítmica das diferenças de temperatura (ΔTml), definida pela seguinte 
equação:
CONDENSADORES
tc : temperatura de condensação (°C); 
tef :temperatura de entrada do fluido de resfriamento (°C);
tsf : temperatura de saída do fluido de resfriamento (°C).
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CONDENSADORES
Sabemos que em um condensador resfriado a água, após um certo tempo de uso, o valor de 
U poderá mudar devido à ocorrência do fenômeno de incrustação, ocasionado pela 
deposição de impurezas da água na parede da tubulação. 
Portanto, um condensador novo deve levar em conta a deposição de impurezas ao longo do 
tempo de uso, o que afetará o valor de U. 
Assim, é necessário introduzir o termo correspondente à incrustação, 1/hfi (m2K/W). O valor 
do coeficiente global de transferência de calor externa, Ue, será expresso pela equação:
: Resistência relativa à condutividade térmica do 
metal do tubo.
: resistência do coeficiente de transferência de calor 
na condensação na superfície externa de tubos. 
:Resistência relativa à variação de incrustação. 
:Resistência relativa ao coeficiente de transferência de 
calor na superfície interna . 
Cálculo do coeficiente de transferência de calor por convecção 
Sabemos que, em escoamento de fluidos com transferência de calor, a equação 
de Nusselt pode ser aplicada. A equação de Nusselt é dada por:
Na qual C é uma constante, n e m são expoentes da equação, Re é o número de 
Reynolds e Pr é o número de Prandtl. 
Temos que o número de Nusselt é dado por: 
O número de Reynolds é dado por: 
O número de Prandtl é dado por: 
CONDENSADOR
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Substituindo cada uma dessas expressões, tem-se a seguinte equação: 
h: coeficiente de transferência de calor por convecção (W/m2K );
D : diâmetro interno do tubo (m);
k : condutividade térmica do fluido (W/mK); 
V: velocidade média do fluido (m/s);
ρ: densidade do fluido (kg/m3); 
μ: viscosidadedinâmica (Pa s); 
cp: calor específico do fluido ( J /kg K). 
CONDENSADORES
EXEMPLO
Qual será o coeficiente de transferência de calor por convecção para a água que escoa
através de um tubo de 10 mm de diâmetro interno a uma temperatura de 285 K (11,85 °C ) e
velocidade de 1,5 m/s ?
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Na parte externa do tubo deverá existir condensação, então o coeficiente médio de
transferência de calor na condensação na superfície externa de tubos horizontais, hc , é
dado pela equação:
Cálculo do coeficiente médio de transferência de calor na superfície externa de tubos horizontais
g: aceleração da gravidade (2 m s); 
hlv : entalpia de vaporização (ou J/kg); 
N: número de tubos dispostos verticalmente dividido pelo número de colunas;
Δt : diferença da temperatura do vapor do refrigerante e a da superfície do tubo; 
D : diâmetro externo do tubo (m). 
Os dados de condutividade térmica e viscosidade dinâmica para alguns refrigerantes estão 
reportados em Stoecker e Jones (1985,) e em Bergman et al. (2017, Apêndice A, Tabela A.5). 
Seja um condensador de 30 tubos mostrado na Figura. Qual será o 
valor do fator N dos tubos dispostos verticalmente? 
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EXEMPLO 1
Projetar um condensador resfriado a água, de 2
passes no tubo com 42 tubos de cobre no total,
como mostra na Figura. Determinar a vazão de
água, a área do condensador e o comprimento de
cada tubo do condensador. Você sabe que o
diâmetro interno do tubo é de 13 mm e o
externo é de 15 mm.
CONDENSADOR
CONDENSADOR
Primeiramente calcularemos o coeficiente de transferência de calor na condensação. Após, 
vamos calcular a vazão mássica da água, o coeficiente de transferência de calor por convecção 
do lado da água, o coeficiente global de transferência de calor e, com a equação da taxa de 
transferência de calor, calcularemos a área do condensador. 
O número médio de tubos dispostos verticalmente dividido pelo número de colunas será:
O coef.de transferência de calor na condensação, com diâmetro externo D=0,015 m, será:
A variação de temperatura do refrigerante entre a condensação (vapor) e o tubo é:
g: aceleração da gravidade (m/s2); 
hlv : entalpia de vaporização (ou J/kg); 
N: número de tubos dispostos verticalmente dividido pelo número de colunas;
Δt : diferença da temperatura do vapor do refrigerante e a da superfície do tubo; 
D : diâmetro externo do tubo (m). 
K: condutividade térmica .
ρ: viscosidade dinâmica
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CONDENSADOR
A vazão mássica é calculada usando a equação da taxa de aquecimento da água:
Para expressar a vazão mássica em vazão volumétrica, usamos a densidade da água:
Portanto, a vazão volumétrica total da água é de 0,00225 m3/s. O condensador, por passe, 
tem 21 tubos. Então, a vazão volumétrica será dividida por 21 tubos. Assim, a velocidade 
média da água é:
Agora, o coeficiente de transferência de calor por convecção do lado da água será:
Substituindo os valores, temos que:
h: coeficiente de transferência de calor por convecção (W/m2K );
D : diâmetro interno do tubo (m);
k : condutividade térmica do fluido (W/mK); 
V: velocidade média do fluido (m/s);
ρ: densidade do fluido (kg/m3); 
μ: viscosidade dinâmica (Pa s); 
cp: calor específico do fluido ( J /kg K). 
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O próximo passo é calcular o coeficiente global de transferência de calor, pela equação: 
Tem-se que a resistência térmica do tubo é:
O fator de incrustação, conforme descrito nesta seção, é dado por:
O coeficiente global de transferência de calor será:
diâmetro externo do tubo (m). diâmetro interno do tubo (m). 
Com isso, determinamos a área do condensador a partir da equação:
Em que ΔTml será:
Portanto, a vazão mássica será de 2,24 kg/s, a área do condensador será de 7,34 m2 e o 
comprimento de cada tubo será de 3,7 m. 
Ou seja,
O comprimento de cada tubo é determinado a partir da área total:
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EVAPORADORES 
Na maioria dos evaporadores utilizados em sistemas de refrigeração, o 
refrigerante muda da fase líquida para a fase vapor nos tubos e resfria o fluido 
que passa pela parte externa dos tubos. 
Esses evaporadores são frequentemente chamados de evaporadores de 
expansão direta. A Figura mostra um evaporador utilizado para resfriar ar. 
EVAPORADORES 
Os evaporadores de expansão direta, usados em aplicações de 
condicionamento de ar, são normalmente alimentados por uma 
válvula de expansão que regula o fluxo de líquido, de modo que o 
vapor refrigerante deixa o evaporador com algum 
superaquecimento. 
Um outro conceito é o evaporador de recirculação de líquido ou 
evaporador com sobrealimentação de líquido, no qual o excesso de 
líquido a baixa pressão e temperatura é bombeado para o 
evaporador.
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EVAPORADORES
Comportamento do coeficiente de transferência de calor do evaporador
Normalmente, o coeficiente de transferência de calor aumenta à medida que a 
fração de vapor do refrigerante aumenta ao longo do escoamento no tubo do 
evaporador. 
A Figura mostra a capacidade de
refrigeração de um evaporador
de resfriamento com água, no
qual o refrigerante muda da fase
líquida à fase vapor dentro dos
tubos.
EVAPORADORES
Comportamento do coeficiente de transferência de calor do evaporador
Para uma determinada temperatura de entrada de água, as linhas no gráfico de
capacidade de refrigeração versus temperatura de evaporação seriam retas, se o valor de
U permanecesse constante.
Em vez disso, as linhas são
curvadas para cima, indicando um
aumento no valor de U em cargas
mais intensas, devido à melhoria
do coeficiente de transferência de
calor na ebulição.
Essa suposição é confirmada pelo 
desempenho de evaporadores 
comerciais.