ESTUDO DA INFLUÊNCIA DA CONDENSAÇÃO NO CICLO IDEAL DE REFRIGERAÇÃO

 ESTUDO DA INFLUÊNCIA DA CONDENSAÇÃO NO CICLO IDEAL DE REFRIGERAÇÃO

Lucas Cavalcante Grangeiro, [e-mail]

Maykon Renam de Souza Melo, [e-mail]

Rafael Bezerra da Escóssia Araújo, [e-mail]

Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Av. Sen. Salgado Filho, 3000 – Lagoa Nova, Natal –RN, 59078-970

Resumo: O trabalho tem por objetivo demonstrar por vias experimentais a influência do ventilador, que força a passagem do ar pelas aletas do condensador, no sistema termodinâmico. Com a variação da rotação do ventilador altera-se o coeficiente de convecção térmica e por sua vez a taxa de calor absorvida pelo meio é alterada e consequentemente altera-se as propriedades termodinâmicas desse sistema.

Palavras-chave: Refrigeração, Compressão de vapor, Ciclo Ideal, Condensação, Coolpack.

 

1. INTRODUÇÃO

 

Uma das grandes áreas de aplicação da termodinâmica é a refrigeração, dispositivos de refrigeração são amplamente utilizados em nosso dia a dia: ar condicionado, bomba de calor, geladeira, freezer, bebedouro, entre outros.

O ciclo de refrigeração mais utilizado, e também o ciclo que é estudado nesse trabalho, é o ciclo de refrigeração por compressão de vapor, no qual o refrigerante é vaporizado e condensado alternadamente e comprimido na fase de vapor. Para citar outro tipo de ciclo de refrigeração também aplicado é o ciclo de refrigeração a gás, no qual o refrigerante permanece sempre na fase gasosa. Além dos ciclos de refrigeração em cascata, refrigeração por absorção e a refrigeração termoelétrica. Determinados casos exigem um certo tipo de ciclo de refrigeração mais adequado.

Portanto, tendo em vista suas aplicações, o estudo termodinâmico dos ciclos de refrigeração é extremamente importante para compreendermos o funcionamento e aperfeiçoar os dispositivos acima citados, com o objetivo de ver as variações de desempenho em função dos processos associados no ciclo.

1. Os fundamentos do ciclo de refrigeração por compressão de vapor

O ciclo de refrigeração por compressão de vapor ideal pode ser sintetizado em 4 processos: compressão isentrópica em um compressor, rejeição de calor a pressão constante em um condensador, estrangulamento em um dispositivo de expansão e absorção de calor a pressão constante em um evaporador, como consta na imagem a seguir:

[pic 1]

Figura 1. Diagrama T-s do ciclo de refrigeração por compressão de vapor ideal, Cengel-Boles.

Porém ao compararmos o processo ideal com o processo real temos alguns problemas, principalmente aos problemas relacionados às irreversibilidades que ocorrem nos diversos componentes. Duas fontes comuns de irreversibilidades são o atrito do fluido (que causa queda de pressão) e a transferência de calor de ou para a vizinhança.

Desse modo é difícil obter um processo isentrópico no compressor, sempre teremos um rendimento isentrópico do compressor o qual compara a performance real com a ideal. Além disso, garantir que o fluido entre no compressor exatamente como vapor saturado é uma tarefa trabalhosa, na prática se aquece o fluido além da linha de saturação para assegurar que todo o fluido será vaporizado. Similarmente para o caso da saída do condensador ideal temos liquido saturado à pressão de saída do condensador, entretanto para este processo real uma certa queda de pressão é inevitável. Não sendo possível executar o processo com tal precisão, para solucionar o problema adicionamos uma margem de segurança e o refrigerante é sub-resfriado, temos um ciclo termodinâmico real análogo com a imagem a seguir:

 [pic 2]

Figura 2. Diagrama T-s do ciclo de refrigeração por compressão de vapor real, Cengel-Boles.

1. O condensador e o processo de condensação

Condensadores são equipamentos de troca de calor onde ocorre a mudança vapor para liquido, quando a substância é pura, o processo de mudança de fase ocorre isotermicamente diferentemente do caso de mistura. O evaporador nada mais é que uma serpentina (tubos em ziguezague) no qual são acopladas aletas que melhoram o processo de troca de calor. O processo de troca de calor ocorre majoritariamente pelo processo de convecção entre o meio externo e as aletas do condensador.

O condensador utilizado do experimento é um condensador resfriado a ar, ou seja, o calor absorvido pelo fluido refrigerante é transferido para o ar externo. Comparado com o condensador a água, esse sistema requer uma diferença maior de temperatura entre o refrigerante e o meio externo. Embora essa característica os torne menos eficientes em termos energéticos, seu projeto simples permite baixos custos de instalação e manutenção. Por essa razão que a grande maioria dos equipamentos residenciais de até 60.000 BTUs e comerciais de até 600.000 BTUs utilizam condensadores a ar. Exatamente na tentativa de aumentar a eficiência energética desse equipamento é que se cria uma indução de ar forçada por um ventilador, com o objetivo de aumentar o coeficiente de convecção térmica, fluxo este qual desloca-se pelas aletas do condensador.

Com a busca dos fabricantes em projetar e produzir dispositivos mais eficientes e compactos, os condensadores a ar com aletas muito próximas para aumentar a área de dissipação de calor, retém muitas partículas que se depositam nestes vazios. Pondo os condensadores a trabalhar com pressões e temperaturas de descarga muito elevadas, sendo esta a causa principal dos defeitos dos compressores utilizados nesses sistemas.

1. METODOLOGIA

A fim de compreender, analisar e classificar o ciclo de refrigeração comercial, foi utilizado a câmara frigorífica didática do Laboratório de Energia da Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Nela consta:

• Câmara a ser resfriada;
• Evaporador;
• Compressor Hermético Elgin TCM-2038-E;
• Condensador;
• Câmara de líquido;
• Filtro secador;
• Válvula de expansão;
• Manômetros.

Em um primeiro momento, foram apresentados todos esses componentes listados, explanando as devidas funções de cada um durante o ciclo de refrigeração, de modo a compreender todo o caminho a ser percorrido pelo fluido refrigerante R22 e, posteriormente, seus estados nas áreas de alta e baixa pressão do ciclo, possibilitando o entendimento sobre a forma que o ambiente estava sendo condicionado. Afim de analisar a importância do condensador no sistema, foram observados os parâmetros para diversas velocidades do ventilador responsável pela troca de calor entre o fluido e o ambiente externo, partindo de uma rotação inicial de aproximadamente 1265 rpm, reduzindo para 850 rpm, 375 rpm e finalmente, com o ventilador parado.