Controle Trmico de Ambientes (Fernando Frana, DE FEM Unicamp, ffranca@fem.unicamp.br)

Criogenia:

Em meados do sculo XIX o homem descobriu a propriedade criognica

de gases: a capacidade de retirar calor de um sistema quando submetido

expanso. E comeou a fazer gelo, industrialmente, em grande escala. A

partir dessa poca, ento, tem incio a atividade comercial de conservao

de alimentos em grande escala. No havia, sequer, os grandes entrepostos

frigorficos, mas sim as fbricas de gelo. Nos setores comercial e

residencial este gelo industrial era usado para fazer essa conservao dos

alimentos em pequena escala.

Os gases refrigerantes usados neste incio da histria da refrigerao

eram a amnia, o dixido de enxofre e o cloreto de metil. A refrigerao

era, assim, um processo perigoso: explosivo, inflamvel e txico! Alm do

que, necessitavam de presso elevada para atingir capacidade criognica

necessria fabricao econmica de gelo. Os compressores frigorficos

de ento, dada a limitao tecnolgica da poca, eram tidos como

mquinas perigosas, sujeitas a exploso. (Imagine se o compressor

frigorfico do ar-condicionado do seu carro estivesse sujeito a explodir!

Poderia causar um estrago similar ao que mostra a figura abaixo!)

Somente em 1932 o cientista Thomas Midgely Jr inventou o Refrigerante

12, mais conhecido como Freon 12. O Freon 12 um cloro-flor-carbono

(CFC) que tem a caracterstica de ser endotrmico quando expande ou

quando vaporiza. O Freon no inflamvel, no explosivo, no txico

e no corroi metais. A presso necessria para que suas propriedades

criognicas ocorram com transferncia aprecivel de calor para ser

aplicada praticamente, era bem inferior requerida pelos gases

refrigerantes conhecidos at ento. Enfim, um gs ideal,

maravilhoso. Isto , at descobrirem que o Freon destri o oznio da

atmosfera, to importante para barrar o excesso de radiao solar ultra-

violeta na superfcie da Terra:

O3 + UV = O2 + O

O excesso de radiao UV deteriora a viso dos seres, altera a fotossntese

de vrios cultivares, como a soja, o feijo, de hortalias, como o repolho,

alm de intensificar o desenvolvimento de cncer de pele nos seres

humanos.

E o Freon, nessas alturas, j era usado para outros fins:

Freon 11 (CFC-11) >> produo de espumas de poliestireno

Freon 12 (CFC-12) >> ciclos de refrigerao

Freon 13 (CFC-13) >> limpeza de circuito eletrnico

Soluo:

Usar outros gases refrigerantes, o hidro-cloro-fluor-carbono HCFC e

o isobutano, por exemplo.

Banimento dos CFCs:

Regulao a nvel mundial >>Protocolo de Montreal!!

O Ciclo de Refrigerao

Os ciclos de refrigerao, isto , ciclos termodinmicos de fluidos

refrigerantes em equipamentos frigorficos por compresso de vapor, so

adequadamente representados em diagramas P x h (presso-entalpia,

diagrama de Mollier) e diagrama T x s (temperatura-entropia).

Diagrama de Mollier (P x h) para o refrigerante 22 (Freon 22)

Observe, no diagrama de Mollier, as regies de lquido sub-resfriado,

esquerda de x = 0, de vapor mido, 0 < x < 1, no envelope, e vapor super-

aquecido, direita de x = 1.

O ciclo de compresso de vapor o mais utilizado em equipamentos

frigorficos para produo de frio: para conforto trmico ambiente e para

resfriamento e congelamento de produtos.

Frigorfico de produtos por compresso de vapor por expanso direta

O esquema acima representar um sistema frigorfico para produtos: os

ovos esto na cmara frigorfica, que mantida temperatura baixa pela

troca de calor que ocorre no evaporador. O evaporador um trocador de

calor (no caso, de tubos aletados) que resfria o ar que circula na cmara,

movimentado pela ao do ventilador. No evaporador ocorre a

evaporao do fluido refrigerante, idealmente um processo isobrico (na

realidade, com pequena variao de presso). Ainda no interior da

cmara, prximo do evaporador, est o dispositivo de expanso (a vlvula

termosttica). Este ento um dispositivo frigorfico de expanso direta:

a expanso ocorre no ambiente a ser resfriado. No exterior da cmara

esto o compressor e o condensador (e outros dispositivos auxuliares,

como o vaso acumulador e o filtro). Esse exatamente o esquema de uma

geladeira comum, por compresso de vapor.

Outras possibilidades de sistemas frigorficos (geladeiras,

condicionadores de ar, resfriadores diretos e indiretos, etc) so as de ciclo

de gs (no h mudana de fase), absoro (veremos rapidamente mais

frente) e a de efeito Peltier (h alguma informao sobre o efeito Peltier

no texto de temperatura em http://www.fem.unicamp.br/~instmed.

http://www.fem.unicamp.br/~instmed

Veja um sistema indireto: o ambiente (ou processo) ser resfriado ou

condicionado for um fluido secundrio, isto , um fluido de transferncia

que no o refrigerante com o qual opera o ciclo. No caso, figura abaixo,

o fluido de trabalho resfriado pelo refrigerante no evaporador e

transporta o frio para o ambiente adequado. Um tal sistema

conhecido no meio tcnico como chiller, do ingls, isto , um resfriador.

Esquema de um chiller de gua

Neste chiller mostrado na figura acima, o refrigerante circula do

compressor para o condensador, passa pelo vaso acumulador, expande-se

na vlvula de expanso termosttica, evapora-se no evaporador,

retirando calor de um fluxo de gua. esta gua resfriada que ser

utilizada no processo para resfriar um ambiente, um produto, um outro

fluxo de lquido. Assim, este um sistema indireto. A figura mostra duas

possibilidades para a condensao: condensador resfriado a ar (trocador

de tubo aletado, normalmente), ou condensador resfriado a lquido

(geralmente um trocador casco-e-tubo - shell and tube). Quando um

condensador resfriado com lquido usado, a maioria das vezes a gua o

fluido de resfriamento, e uma torre de refrigerao (para resfriar a gua

aquecida no condensador, para que possa ser usada em um circuito

fechado) usada. O evaporador do chiller um casco-e-tubo.

Compressor

Condensador a ar remoto

Vlvulas de Expanso

Evaporadores

A geladeira domstica: um exemplo de ciclo de compresso de vapor

Mas, efetivamente, o que o ciclo frigorfico de compresso de vapor? Ele

consiste de uma srie de processos executados sobre e por um fluido de

trabalho, denominado de refrigerante. A geladeira da sua casa, por

exemplo, e o aparelho de ar condicionado de janela, da sala de aula,

ambos devem funcionar com o Refrigerante 22, o mais comum, tambm

conhecido por Freon 22 (em tempo, ciclos de compresso modernos j

esto utilizando refrigerantes ecolgicos, que no afetam a camada de

oznio da atmosfera pois refrigerantes cloro-fluor-carbonados destroem o

oznio O3 da atmosfera). Assim como o ciclo de compresso de uma

geladeira de boteco, o ar-condicionado de seu carro, o sistema de

condicionamento central de um edifcio, de um shopping center, e

vrios outros, industriais, comerciais e residenciais.

O ciclo constitudo dos seguintes processos:

1. compresso de vapor, isto , um compressor realiza trabalho sobre o vapor, transfere potncia a ele;

2. a condensao do vapor, que ocorre no condensador (o trocador de calor direita, na figura acima);

3. a expanso do lquido aps o condensador, que ocorre na vlvula termosttica ou em um tubo capilar;

4. a evaporao do lquido no evaporador.

Como em toda anlise de ciclos, vamos comear analisando um ciclo ideal

de compresso de vapor. Vale lembrar, novamente, que ciclos reais

desviam-se dos ciclos idealizados, isto , o ciclo ideal serve, para nossa

anlise do ciclo real, como uma referncia, um objetivo a atingir (apesar

de inalcanvel, mas engenheiro tem um qu de alquimista, e segue em

frente) , atravs da melhoria de cada processo que o constitui. Veja ento

um ciclo ideal de compresso de vapor, na figura seguinte, representado

esquematicamente e no diagrama de Mollier (P versus h):

Representao esquemtica do ciclo ideal de refrigerao por compresso

de vapor no diagrama de Mollier

Ciclo de compresso de vapor ideal no diagrama de Mollier

O equacionamento do ciclo ideal: seja a formulao simples da Equao

da Energia, conforme dada abaixo, aplicvel para um sistema em regime

permanente, para um escoamento unidimensional com uma entrada e

uma sada, isto , ms = me = m.

mgVhmgVh ee

s

s

e

2

1e

2

1W

22Qtil

Cada um dos processos que formam o ciclo devem ser analisados

separadamente:

Compresso >> Modelo Ideal do Compressor

No compressor s h um fluxo de entrada e um de sada: me = ms = m.

Vamos desprezar a variao das energias cintica e potencial entre a

entrada e sada do compressor; e vamos admitir que o processo de

compresso adiabtico e reversvel, isto , isoentrpico, veja a figura.

Assim, se o processo ocorre em regime permanente e se W o trabalho

realizado sobre o VC,

mgVhmgVhdE

e

e

s

s

CV

til dt

e

2

1e

2

1W

22Q

mhh 12W

Os estados, representados por nmeros, 1 e 2, esto na figura.

As propriedades do re