CICLOS DE REFRIGERAÇÃO

Em meados do século XIX o homem descobriu a propriedade criogênica de gases: a capacidade de retirar calor de um sistema quando submetido à expansão e começou a fazer gelo industrialmente em grande escala.

A partir dessa época, então, tem início a atividade comercial de conservação de alimentos em grande escala. Não havia, sequer, os grandes entrepostos frigoríficos, mas sim as fábricas de gelo.

Nos setores comercial e residencial este gelo industrial era usado para fazer essa conservação dos alimentos em pequena escala.

Assim a utilização dos sistemas de refrigeração virou indispensável nos dias de hoje. Geladeiras, ar condicionado, refrigeração industrial são os maiores exemplos que podem ser tomados para utilização do sistema de refrigeração.
Como conseqüência, também é indispensável o uso da energia elétrica para o acionamento dos motores e outros equipamentos associados a esses sistemas.

Com objetivo de cada vez mais aprimorar a utilização, melhorar a economia de energia, aumentar o poder de resfriamento e conservação de baixas temperaturas, vários estudos são realizados nessa área com o intuito de evoluir cada vez mais os sistemas de refrigeração.

Nesse trabalho será apresentado e descritos os tipos existentes de válvulas de expansão ou expansores, bem como a operação e modo de trabalho de cada um e mostrando a aplicação mais eficiente das válvulas.

CONCEITOS BÁSICOS

Resfriamento: Tudo aquilo que conseguimos resfriar até a temperatura ambiente. Ex: Uma xícara de café quente em cima da mesa.

Refrigeração: Tudo aquilo que conseguimos resfriar abaixo da temperatura ambiente. Ex: Uma geladeira residencial.

CICLOS DE REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE

VAPOR

Se um líquido for introduzido num vaso onde existe, inicialmente, um grau de vácuo e cujas paredes são mantidas a temperatura constante, ele se evaporará imediatamente.
No processo, o calor latente de vaporização, ou seja, o calor necessário para a mudança do estado líquido para o estado vapor, é fornecido pelas paredes do vaso.
O efeito de resfriamento resultante é o ponto de partida do ciclo de refrigeração.

À medida que o líquido se evapora, a pressão dentro do vaso aumenta, até atingir, eventualmente, a pressão de saturação para a temperatura considerada.
Depois disso, nenhuma quantidade de líquido evaporará, e, naturalmente, o efeito de resfriamento cessará. Qualquer quantidade adicional de líquido introduzido permanecerá neste estado, isto é, como líquido, no fundo do vaso.

Se for removida parte do vapor do recipiente, conectando-o ao lado de sucção de uma bomba, a pressão tenderá a cair.
O que provocará evaporação adicional do líquido.
Neste aspecto, o processo de resfriamento pode ser considerado contínuo.
E, para tal, necessitasse: de um fluido adequado, o refrigerante; um recipiente onde a vaporização e o resfriamento sejam realizados, chamado de “evaporador”; e um elemento para remoção do vapor, chamado de “compressor”.

O sistema apresentado até agora não é prático, pois envolve um consumo contínuo de refrigerante.
Para evitar este problema, é necessário converter o processo num ciclo. Para fazer o vapor retornar ao estado líquido, o mesmo deve ser resfriado e condensado.
Usualmente, utiliza-se a água ou o ar como meio de resfriamento, os quais se encontram a uma temperatura substancialmente mais elevada do que a temperatura reinante no evaporador.
A pressão de vapor correspondente à temperatura de condensação deve, portanto, ser bem mais elevada do que a pressão no evaporador.
O aumento desejado de pressão é promovido pelo compressor.

A liquefação do refrigerante é realizada num condensador, que é, essencialmente, um recipiente resfriado externamente pelo ar ou água.
O gás refrigerante quente (superaquecido), com alta pressão, é conduzido do compressor para o condensador, onde é condensado.
Resta agora completar o ciclo, o que pode ser feito pela inclusão de uma válvula ou outro dispositivo regulador, que será usado para injeção de líquido no evaporador.
Este é um componente essencial de uma instalação de refrigeração e é chamado de “válvula de expansão”.

 A geladeira doméstica: um exemplo de ciclo de compressão de vapor.

Válvulas de Expansão ou Expansores.

As válvulas de expansão são utilizadas nos sistemas de refrigeração mecânica por meio de vapores para provocar a expansão do fluido frigorígeno liquefeito, desde a pressão de condensação ate a pressão de vaporização do ciclo.
Esse dispositivo causa no sistema uma perda de carga, e justamente com o compressor divide o mesmo em duas zonas: a de alta pressão e a de baixa pressão.

Após a expansão na válvula, o liquido frigorígeno tem condições para vaporizar a baixas temperaturas, o que exige o isolamento do circuito de refrigeração na parte de baixa pressão.

A principal característica das válvulas de expansão é a sua capacidade, dada em kgf/h de fluido frigorígeno que pode laminar, a qual depende essencialmente do diâmetro do orifício de passagem, da diferença de pressão e do fluido de trabalho adotado.

As válvulas de expansão, usualmente adotadas nas instalações frigoríficas, são classificadas em:

• Manuais
• Tubos capilares

• Automáticas:

• De bóia:

• Alta pressão
• Baixa pressão

• Pressostáticas
• Termostáticas

Válvulas de expansão manuais

São registros tipo sede (globo), com obturador tipo agulha para permitir maior precisão de regulagem.

São restritas geralmente à substituição de válvulas de expansão automáticas, quando entram em reparo, para isso as válvulas de expansão manuais são instaladas em paralelo com as válvulas de expansão automáticas.

 

 Válvulas manuais tipo sede globo e tipo agulha.

Tubos Capilares

A laminagem provocada no fluido frigorígeno, pela passagem através de orifícios, pode ser substituída com vantagens, nas instalações de pequeno porte, por tubos capilares. Isto se deve ao fato de que nas instalações pequenas, onde o dispositivo de expansão é fixo, o diâmetro a adotar para o orifício de expansão, alem de ser pequeno, criando problemas de entupimento, está sujeito a desregulagem por desgaste.

O uso de capilares, para provocar a perda da carga necessária para a redução de pressão do sistema, elimina os inconvenientes apostados acima, pois, além do desgaste do conduto ser insignificante, seu diâmetro é bastante superior ao orifício de abertura equivalente.
Apesar disso, essas instalações devem ser perfeitamente limpas e isentas de umidade, para que não ocorra uma obstrução do tubo, porem a capacidade do tubo capilar varia de acordo com as condições de funcionamento da instalação, assim para evitar um aumento de pressão de condensação, a potência frigorífica é reduzida, a carga de fluido deve ser exata e as condições de funcionamento constantes.

A passagem do fluido por um capilar obedece a duas fases distintas: a inicial, a qual o fluido não foi ainda vaporizado e a final, onde começa a formação de vapor.

Na inicial a perde carga é praticamente linear, enquanto na fase final não acontece o mesmo, pois, com o aumento do titulo de vapor, o gradiente de pressão se torna cada vez maior.

Quando o liquido é sub-resfriado, a fase inicial torna-se maior, verificando-se um aumento da capacidade capilar, acontecendo o mesmo com o aumento da pressão de entrada.
Na pressão de saída a descarga é aumentada até uma pressão crítica, abaixo da qual o fluxo não mais se altera.

A pressão crítica depende essencialmente das condições do fluido à entrada do capilar caracterizada pela pressão, grau de sub-resfriamento e das trocas térmicas efetuadas no capilar dadas em função do diâmetro pelo comprimento.

Quando a pressão critica é superior a pressão de saída do capilar a capacidade do sistema torna-se independe da pressão do evaporador.

Neste caso, a perda de carga do capilar é dada pela diferença de pressão e a descarga de um capilar tomado para padrão pode ser calculada em função apenas da pressão de condensação e das condições do fluido frigorígeno.

Para a pressão de condensação mínima de funcionamento da instalação, verifica-se a descarga do capilar padrão para a condição mais favorável.

Calcula- se o coeficiente de correção da descarga, com o qual é determinado o comprimento do capilar a adotar.

Para garantir que a elevação da pressão de condensação não dê entrada de liquido no compressor, o enchimento da instalação deve ser feito à baixa pressão progressivamente até ser atingido exatamente o volume do evaporador com fluido em vaporização.

Os capilares assim calculados, alem de permitirem um melhor aproveitamento do evaporador possibilitam o funcionamento da instalação em ciclo reverso sem grandes inconvenientes.

 Válvula de expansão tipo tubo capilares

 Válvula de expansão automática tipo bóia baixa pressão

Trata-se de válvulas de bóia comum que controla o nível do liquido frigorígeno na baixa pressão.

A agulha obturadora, que é controlada pelo nível do liquido frigorígeno na baixa pressão, pode ser também comandada eletricamente por meio de um interruptor de mercúrio I. e válvula solenóide V.S.

Estas válvulas funcionam como evaporadores inundados e, por tanto, exigem o uso de separadores de liquido.

As válvulas de expansão tipo bóia de baixa pressão são usualmente adotadas em frigoríficos e instalações de refrigeração industriais onde o fluido frigorígeno é o NH3, graças as suas inúmeras vantagens, como:

• Fácil regulagem da instalação;
• Segurança quase absoluta contra golpes de líquidos no compressor, desde que o separador seja bem dimensionado;
• Maior aproveitamento dos evaporadores que trabalham inundados, e dos compressores que aspiram vapor saturado seco;
• Possibilidade da distribuição de líquido à baixa pressão por gravidade ou bomba, para diversos evaporadores, com separador com separador de líquido único centralizado.

Válvula de expansão automática tipo bóia alta pressão

São dispositivos parecidos ao do item anterior, ligados de modo a controlar o nível de líquido na alta pressão.

Seu funcionamento, que é semelhante ao de um tubo capilar bem dimensionado, caracteriza-se por manter o condensador isento de líquido e exigir uma carga de fluido frigorígeno mais ou menos exata.

Para tal, as válvulas de expansão tipo bóia de alta pressão devem ser instaladas em nível inferior ao do condensador e dispensam deposito de líquido.

Válvulas de expansão pressostáticas

São válvulas de expansão automáticas, que mantém constante a pressão de sucção, evitando que durante a parada de instalação o evaporador seja inundado.

Seu funcionamento é semelhante ao uma válvula de redução de pressão.

O uso desse tipo de válvula é bastante restrito, limitando-se a pequenas instalações de um único ponto de resfriamento, onde o compressor é controlado por meio de um termostato de evaporador.

 Válvula de expansão pressostática

Válvulas de expansão termostáticas

São válvulas de expansão automáticas, controladas simultaneamente pela pressão de sucção e pela temperatura do fluido à saída do evaporador, de modo a garantir leve superaquecimento, entre 5 a 8 ºC, do fluido que é aspirado pelo compressor.

O bulbo, que contem vapor saturado geralmente do mesmo fluido frigorígeno com que deve trabalhar a válvula, é montado à saída do evaporador, de modo a indicar a pressão correspondente à temperatura frigorígeno que abandona o mesmo.

Quando a pressão de saída difere muito da pressão de entrada do mesmo, torna-se recomendado o uso de válvula termostática com equalizador de pressão externa, na qual a temperatura e a pressão de saída do evaporador são tomadas praticamente no mesmo ponto.

O bulbo deve ser instalado antes da tomada de equalização de pressão e em local onde não haja possibilidade de deposição de líquido.

Sua fixação ao tubo deve ser feita por meio de braçadeira adequada, isolando-se do tubo, quando colocado em correntes de ar quente ou imerso em líquidos.

As válvulas de expansão termostáticas são usadas em instalações de refrigeração com um ou mais evaporadores secos, com qualquer tipo de fluido frigorígeno.

A regulagem de temperatura, neste caso, pode ser feita por meio de termostato de ambiente ou pressostato para o caso de um único evaporador, e válvulas de pressão constante, reguladores termostáticos da pressão de aspiração e válvulas solenóides controladas por termostatos de ambiente, para o caso de mais um evaporador.

Excepcionalmente, uma válvula de expansão termostática pode ser usada também de controle de nível de evaporadores de evaporadores inundados.

Para tal, o bulbo é colocado de tal forma que a intensa transmissão de calor que se verifica entre ele e o líquido em vaporização mantém a válvula fechada, quando o nível desejado é atingido.

A capacidade das válvulas de expansão termostáticas depende essencialmente do tipo de construção, diâmetro do orifício, fluido e condições do mesmo à entrada da válvula e diferença de pressão a que estará submetida, quando em funcionamento.

Válvula de expansão termostática

Conclusão

Neste trabalho conseguimos aprimorar nossos conhecimentos sobre sistemas de refrigeração, passando um pouco pelo histórico desses equipamentos e distinguindo quais os principais conceitos como resfriamento e refrigeração, que comumente são confundidos.

Apresentamos também quais os mecanismos são necessários para que um ciclo de refrigeração por compressão de vapor seja construído de forma correta, dentre os quais podemos citar o compressor, o evaporador e a válvula de expansão.

Nossa principal fonte de estudo foi a válvula de expansão a qual estudamos os modelos disponíveis segundo fontes pesquisadas, partindo de válvulas manuais, passando por válvulas com tubos capilares e finalmente chegando as válvulas automáticas.

Estudamos e entendemos o principio de funcionamento e suas vantagens e defeitos de todos os tipos de válvulas. Porém pela sua complexidade e aplicação, detalhamos mais as válvulas automáticas, que são distintas em dispositivos de alta e baixa pressão.

Outro tipo de válvula melhor estudado foi o mecanismo que utiliza tubos capilares pela sua facilidade de instalação e manutenção, sendo que ele pode operar em ciclo reverso.

Finalmente conseguimos formar opinião sobre quais são as melhores válvulas dependendo da solicitação do equipamento, junto com a odeia do custo de tal equipamento visto o custo de instalação e manutenção.

Solução do exercício

Considere CFC 12 circulando através do sistema ilustrado na figura.

Suponha que a pressão do fluido refrigerante no ponto 2 de 868kPa.
O evaporador oferece uma perda de pressão de 50kPa. A válvula provoca uma perda de pressão de 600kPa. A pressão imposta pela mola é de 60kPa.

Qual o grau de superaquecimento na saída do evaporador quando se utiliza uma válvula de expansão termostática com equalizador interno de pressão?

Qual o grau de superaquecimento na saída do evaporador quando se utiliza uma válvula de expansão termostática com equalizador externo de pressão?

• Podemos calcular a pressão 4 da forma:
• P4= P2 – DP válvula – DP serpentina = 868 - 600 - 50= 218 kPa
• Observe o balanço de pressões no diafragma da válvula com equalização interna de pressão. No equilíbrio temos:
• PB=PM+P3
• PB = PM + P3
• PB = 60 + 268=328kPa
• TB = Tsat (PB)=1,9°C (Tabela de propriedades para R12)
• DT = T4 – Tsat(P4)
• DT = 1,9 – Tsat(218kPa) = 1,9 – (-10,2°C)= 12,1°C

• Podemos calcular a pressão 4 da forma:

• PB= PM+P4
• PB = PM + P4
• PB = 60 + 218 = 278kPa
• TB = Tsat (PB)= -3,1°C
• Como T4 = TB tem-se:
• DT = T4 – Tsat(P4)
• DT = -3,1-(-10,2) =7,1°C

Nesse exemplo pode-se concluir que a válvula de expansão termostática com equalização externa é a mais adequada, uma vez que mantém o grau de superaquecimento dentro do que é considerado normal.










Gomes