6_Sistemas de múltiplos estágios de pressão

Refrigeração industrial

Escola SENAI “Oscar Rodrigues Alves” 61

Sistemas de múltiplos estágios de pressão

Em refrigeração industrial se usam, muitas vezes, mais equipamentos que o

necessário para realizar o ciclo frigorífico básico, este critério tem por objetivo reduzir o

consumo de energia e/ou obter regimes de funcionamentos mais adequados aos

materiais e equipamentos utilizados.

Definição

Com temperaturas de evaporação muito baixas (-30ºC), é normal usar sistemas de

duplo estágio de compressão, ou até triplo estágio.

As baixas temperaturas de evaporação conduzem a relação entre a pressão de

condensação e pressão de evaporação ao um valor muito elevado de taxa de

compressão.

Taxas de compressão muito elevadas são desvantajosas nos aspectos construtivos e

termodinâmicos dos equipamentos de refrigeração.

Nos aspectos construtivos, as pressões e temperaturas são elevadas a um nível muito

alto prejudicando a o sistema de lubrificação do compressor, e conseqüentemente

produzem um alto desgaste nas peças internas, provocando quebra e alto custo de

manutenção.

Nos aspectos termodinâmicos, pela expansão do fluido retido no espaço morto do

cilindro que reduz o volume real de gás admitido, o trabalho do compressor aumentará

muito para se obter um valor de temperatura desejada, provocando assim alto

consumo de energia e potência frigorífica reduzida, podendo chegar a um valor de

COP próximo de zero.



É claro que em uma instalação de múltiplos estágios o investimento inicial será muito

maior que uma instalação de simples estágio para a mesma potência frigorífica, porém

em muitos casos ele se torna imprescindível, pois a temperatura desejada é muito

baixa. É sempre importante avaliar os benefícios obtidos em relação ao custo inicial

despedido em função dos benefícios obtidos.

O sistema múltiplos estágios mais comum em refrigeração industrial é o duplo estágio,

que utilizam amônia como fluido refrigerante para baixas temperaturas, normalmente

as relações de pressões de condensação e evaporação são superiores a 7 e como a

amônia absorve um alto valor de calor latente, se faz necessário a utilização do

sistema múltiplos estágios.

A compressão divide-se em duas etapas, a primeira é feita por um compressor

chamado “booster” ou de baixa que eleva a pressão do vapor proveniente do

evaporador até um nível intermediário onde o vapor é resfriado por um trocador de

calor, inicialmente o resfriamento era feito por água, a segunda é feita por outro

compressor chamado de “principal” ou de alta que eleva a pressão do vapor

proveniente do compressor “booster” até a pressão de condensação onde se

recomeça novamente o ciclo, obtendo-se assim um sistema como indicado na figura.

Expansor

Compressor 2

3

Qr

1"

Wa

2

Qa

Wa

14

Compressor 1

Qi

águaRI

1'

Sistema duplo estágio com resfriamento intermediário externo (água)



Ganho de trabalho h g = h s - h d

4

P

3

∆h s

1" 1'

1

h

∆h d

22'

Diagrama frigorífico para duplo estágio do sistema utilizando resfriamento à água

4

T

3

1

Ganho de trabalho do compressor

2

1"

2'

1'

Ciclo frigorífico de duplo estágio do sistema acima com resfriamento à água

Remoção do gás de flash

O ciclo com remoção de gás de “flash” apresenta algumas vantagens como à redução

da potência de compressão para uma mesma capacidade frigorífica e da capacidade

do compressor, visto que a vazão de fluido no evaporador será menor em virtude da

redução do gás de “flash” que penetra no evaporador, aumentando a eficiência do

mesmo.

Porém o sistema pode apresentar desvantagens iniciais em relação ao tamanho da

instalação e ao custo inicial, uma vez que o sistema devera compor-se de mais

acessórios no ciclo como vasos de pressão, compressor auxiliar ou bombas de



circulação de líquido, válvulas de controle de temperatura e pressão e isolamento

térmico em tanques e tubulações.

Remoção do gás de “flash” no sistema simples estágio com circulação por bomba

Remoção de gás de “flash” com compressor auxiliar

Geralmente estas aplicações são utilizadas em sistemas de médias e baixas

temperaturas e utilizando o fluido R 717 para o sistema de simples estágio com

evaporador inundado ou em conjunto com o resfriador intermediário do sistema duplo

estágio.



Resfriamento intermediário

Atualmente o resfriamento intermediário de um sistema de múltiplos estágios de

pressão é obtido com o próprio fluido refrigerante em um reservatório de líquido

(tanque de “flash” ou resfriador intermediário) que associado no sistema promove a

melhoria da eficiência do ciclo frigorífico e um ganho no trabalho do compressor.

Atualmente os sistemas de duplo estágio mais usados são aqueles que utilizam um

reservatório de líquido com dupla função (tanque de “flash”/resfriador intermediário),

que utilizam dois compressores, um de baixa pressão “booster” que admite o vapor

proveniente do evaporador e eleva sua pressão até um nível intermediário e

descarrega-o no separador de líquido, misturando-o com o refrigerante líquido que está

dentro do separador a uma temperatura intermediária, isso resulta em um vapor com

uma pressão intermediária suficiente para ser admitido pelo compressor principal. O

compressor principal de alta pressão por sua vez admite o vapor proveniente do

tanque intermediário e eleva sua pressão até um nível do qual o condensador produza

líquido saturado. Tudo isso com o próprio fluido refrigerante do sistema frigorífico.

Já nos dispositivos de expansão geralmente é utilizada uma válvula bóia redutora de

pressão que controla o nível de líquido injetado no tanque e ao mesmo tempo reduz a

pressão e temperatura do líquido proveniente do condensador até um nível

intermediário que satisfaça a remoção do gás de “flash” e do resfriamento do vapor

proveniente do compressor “booster”, e que ainda assim permaneça líquido saturado

suficiente para penetrar no dispositivo de expansão para promover nova queda de

pressão e a troca de calor no evaporador.

Os sistemas de múltiplos estágios de pressão podem ser projetados de vários tipos e

para várias aplicações onde sua escolha depende de análises de viabilidade e

necessidade.

A maioria dos circuitos de dividem em sistemas de duplo estágio: com resfriador

intermediário aberto, ou seja, o fluido se dirige ao separador de líquido final escoando

diretamente do resfriador intermediário ou com resfriador intermediário fechado, onde

uma serpentina interna no resfriador, sub-resfria o líquido proveniente do tanque de

líquido antes do mesmo chegar ao separador de líquido de baixa temperatura.



8

exp. 1

evaporador BT

1

Comp. 1

Comp. 2

3

5 4

evaporador MTexp. 3

exp. 2

resfriador intermediário

7

2

5

6

6

Sistema duplo estágio com resfriador intermediário aberto e evaporador de média

temperatura

7

5

exp. 2

6

exp. 1

evaporador

1

Comp. 1

Comp. 2

2


3

5

condensador

4

Sistema de duplo estágio com resfriador intermediário (fechado) e sub-resfriamento do

líquido



2

7

5'

1

63

P

5

h

4

Ciclo frigorífico de duplo estágio em RI fechado e sub-resfriamento do líquido

P

6

8 1

5

7 3

h

4

2

Ciclo frigorífico de duplo estágio com Resfriador intermediário e tanque de”flash”

No cálculo do trabalho absorvido pelo ciclo deve ter-se em atenção que a vazão

mássica do sistema frigorífico que não é igual nos dois compressores. Também não se

podem comparar diretamente os valores das entalpias específicas. É preciso usar o

cálculo de balanceamento de massa e energia através da equação da conservação de

energia.

Pressão intermediária ótima

A pressão intermediária do ciclo de duplo estágio é um parâmetro que é necessário

definir. Ao valor ótimo da pressão intermediaria, deverá corresponder o trabalho

mínimo.



Para um gás perfeito, a pressão intermediária corresponde à média geométrica das

pressões de sucção e descarga. Os fluidos refrigerantes não são gases perfeitos e o

ciclo frigorífico não é ideal.

A media geométrica indicada é [po = √ (pe. pc)], usa-se como um valor aproximado.O

valor ótimo para o ciclo real é, normalmente, maior que esta média. Em sistemas de

amônia, é usual o acréscimo de 0,35 bar.

Note-se que nos sistemas reais, todos os processos ocorrem em diversos

componentes e influem na seleção da pressão intermediária.

Compressão com duplo estágio e dois níveis de temperatura de evaporação

Em muitos casos uma instalação frigorífica deve servir a diversas aplicações, que

exigem do sistema várias temperaturas de evaporação ou para sistemas que utilizam

câmaras de produtos resfriados e câmaras de produtos congelados.

Esse tipo de aplicação é bastante utilizado em sistemas comerciais de porte médio

utilizando sistema de simples estágio, porém em muitos casos podem-se ocorrer

problemas de baixas temperaturas de evaporação nos evaporadores resfriados

provocando congelamento, além de favorecer uma alta taxa de compressão.

No sistema de duplo estágio esses problemas não acontecem, porque os vapores que

deveriam entrar nos evaporadores e os que saem dos evaporadores são balanceados

no tanque de “flash”/ resfriador intermediário que regularizam qualquer variação de

carga, mantendo-se as respectivas temperaturas de evaporação.

Além disso, os sistemas de duplo estágio aumentam a eficiência de refrigeração dos

evaporadores e conseqüentemente diminui a potência requerida dos compressores.

Neste caso, a pressão intermediária não pode ser livremente fixada uma vez que o seu

valor está associado para a aplicação de pressões altas, resultado das relações entre

as capacidades dos compressores de alta e baixa pressão.



Sistema duplo estágio com resfriador intermediário com dois níveis de temperatura

Exemplo de cálculo

Calcular o trabalho absorvido pelo ciclo de duplo estágio com amônia funcionando com

uma temperatura de condensação de 35ºC e de evaporação -30ºC com uma

temperatura intermediária de 0ºC para uma potência frigorífica de 150 kW. Comparar

com o ciclo de simples estágio.

Solução:

As entalpias em cada ponto do ciclo são:

h1=1424 kJ/kg

h2 = 1631 kJ/kg

h3 = 1461 kJ/kg

h4 = 1635 kJ/kg

h5 = 367 kJ/kg

h6 = 367 kJ/kg

h7 = 201 kJ/kg

h8 = 201 kJ/kg

A vazão mássica entre os pontos 1 e 8 (evaporador e compressor 1), são m0 = Pf / (h1 –

h8 )= 150 / 1424 – 201= 0.1226 kg/s.

A vazão mássica entre os pontos 3 e 6 (resfriador intermediário e compressor 2), são

compostas por duas parcelas: mRI para resfriamento dos gases entre os dois

compressores e mSL , para subresfriamento do líquido.



mi = mRi +mSL

Aplicando a equação da conservação de energia

QRI = Q0

mRI - ∆h (3-6) = m0 . ∆h (2-3)

mSL . ∆h (3-6) = m0 . ∆h (6-7)

mi = 0,1226 (170 + 166) / 1094 = 0,0377 kg/s

A vazão mássica entre os pontos 3 e 4 (compressor 2), são a soma de duas parcelas

mc = m0 – mi

m0 = 0,1226 + 0,0377 = 0,1603 kg

Trabalho absorvido pelos compressores

W1 = m0 . ∆h (2 - 1) = 0,1226 x 207 = 25,38 kW

W2 = m0 . ∆h (4 - 3) = 0,1603 x 174= 27,88 kW

WT = W1 + w2 = 25,38 + 27,88 = 53,26 kW

Para o ciclo de simples estágio do exemplo 2.6

m0 = pf / (h1 – h4) = 150 / 1057 = 0,1419 kg/s

W = m0 (h2 – h1) = 0,1419 x 417 = 59,17 kW

Verifica-se que o ciclo de dois estágios consome menos 11% de energia no regime

indicado. O COP para cada caso é:

COP duplo est. = 2,82

COP simples est. = 2.54

Sistemas em cascatas

Nos sistemas em que o mesmo refrigerante passa pelos estágios de baixa e alta

pressão, valores extremos de pressão e volume específico podem causar alguns

problemas. De fato, quando a temperatura de evaporação é muito baixa, o volume

específico do vapor de refrigerante na aspiração do compressor é elevado, o que

implica num compressor de capacidade volumétrica elevada. Com relação à pressão,

pode-se afirmar que valores reduzidos, abaixo da pressão atmosférica, podem

promover a admissão de ar e umidade através de aberturas na tubulação de

refrigerante. Por outro lado, se um refrigerante for escolhido de tal modo que a pressão

de evaporação seja superior à atmosférica, a pressão de descarga pode assumir



valores elevados a ponto de exigirem vasos e tubulação de paredes reforçadas. A

solução para esses problemas pode ser um sistema em cascata.

Na área de conservação de produtos perecíveis a maioria deles pode ser conservado

em temperaturas que variam de 15ºC até -30ºC, relativamente aplicáveis à maioria dos

fluidos refrigerantes comercializados, porém alguns produtos como plasma de sangue

podem requerer uma temperatura de conservação por volta de -80ºC.

Estas necessidades requerem estudos sobre o comportamento dos fluidos

convencionais sobre sua aplicação, sobretudo nos aspectos de limites de aplicação

entre ponto crítico e ponto triplo, por isso, geralmente nestas aplicações é usual a

utilização de um sistema em cascata.

Nesse sistema, utilizam-se refrigerantes diferentes nos circuitos de alta e de baixa

pressão, constituindo dois sistemas frigoríficos independentes. A interface entre os

sistemas é um trocador de calor que opera como condensador para um circuito de

baixa temperatura e como evaporador para o de alta pressão.

Sistema em cascata

Um exemplo de sistema em cascata seria aquele que operasse com R12 ou R22 no

circuito de alta pressão, e R13 no de baixa pressão. Outra operação que vem sendo

pensada por especialistas do setor é a utilização do fluido CO2 no circuito de baixa



pressão como alternativa no combate a fluidos refrigerantes com alto impacto

ambiental.

Na tabela a seguir são apresentadas algumas propriedades termodinâmicas do R12 e

do R13. Dessa tabela pode se concluir que, em um sistema que operasse a uma

temperatura de evaporação de –70ºC (-94F), a utilização do R12 implicaria numa

pressão de evaporação inferior à atmosférica. Por outro lado, a utilização de um

sistema em cascata, com R13 no circuito de baixa pressão, permitiria uma operação a

pressão de evaporação superior à atmosférica.

Quadro: Pressão de saturação e volume específico do vapor para o R12 e R13

Temperatura

R-12 R-13

Pressão de

saturação

Volume

específico do

vapor

Pressão de

saturação

Volume

específico do

vapor

-70ºC (-94F) 12,42kPa

1,802psia

1,146m3/kg

18,36ft3/lb

180,9kPa

26,23psia

0,08488m3/kg

1,3596ft3/lb

25ºC (77 F) 651,6kPa

94,51psia

0,02686 m3kg

0,4302ft3/lb

3560kPa

516,4psia

0,002915 m3kg

0,04669ft3/lb

Da tabela pode-se concluir que a capacidade volumétrica do compressor de R13,

operando a –70ºC, deveria ser 1/14 daquela do compressor de R12. Por outro lado as

pressões de saturação a 25ºC mostradas na tabela 4 ilustram outro efeito

anteriormente comentado: sob uma condição de parada, quando um sistema atingisse

uma temperatura próxima à do ambiente (25ºC), a pressão do circuito de R13 atingiria

valores da ordem de 3500 a 4000 kPa (500 – 600 psia), elevados para as espessuras

de paredes de tubos geralmente adotadas.

Para concluir a análise de sistemas em cascata, é interessante lembrar que, nesses

sistemas, o problema de migração de óleo de um compressor para outro, observado

em sistemas de duplo estágio de compressão, é eliminado, uma vez que os ciclos não

são acoplados.



Seleção dos compressores de múltiplos estágios

O compressor de primeiro estágio, também chamado de “booster”, seleciona-se

normalmente pela potência frigorífica necessária e temperaturas de sucção e

descarga, sendo esta a correspondente à pressão intermediária.

O compressor de segundo estágio, também chamado de principal, deverá ter a

potência frigorífica necessária para atender a carga térmica do primeiro estágio mais a

carga correspondente ao resfriamento intermediário dos gases de compressão e,

existirem, as cargas térmicas do sub-resfriamento do líquido e de evaporadores à

temperatura intermediária.

Tipos de sistemas frigoríficos usuais

Alguns destes sistemas são adequados a certos tipos de instalações ou

determinados fluido refrigerantes. Como em qualquer sistema de refrigeração

eles tem suas vantagens e desvantagens uns em relação aos outros.

evaporador

7 1

5'

exp. 2

6

exp. 1

subresfriador de líquido

2

Comp. 1

Comp. 2

3

5 4


Sistema duplo estágio com resfriador intermediário e sub-resfriado de líquido, por

expansão direta (usados com halogenados)



evaporador BT

8

exp. 2

1


exp. 3

7'

6

Comp. 1

2

evaporador MT

3

Comp. 2

5 5 4

exp. 1

6

Sistema duplo estágio com resfriador intermediário fechado e evaporador de média

temperatura

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