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Construindo Hoje a Engenharia do Amanhã
Anais do XIV CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial
DESENVOLVIMENTO DE UMA FERRAMENTA DIDÁTICA PARA AVALIAÇÃO DE SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO EM CASCATA
Micael Lima Conceição (1) ([email protected]), Vítor Pinheiro Ferreira (1) ([email protected])
(1) UFRB; CETEC
RESUMO: Muitas aplicações em refrigeração comercial e industrial requerem ultra-baixas temperaturas (temperaturas abaixo de -40° C). Na medicina, ciências biológicas e indústria farmacêutica essas temperaturas são fundamentais para preservação de micro-organismos, medicamentos, sangue humano e animal. O uso cada vez mais intenso do gás natural em aplicações de combustão veicular sejam em automóveis, utilitários e principalmente locomotivas e navios, impõe a necessidade de se condensá-lo visando armazená-lo e transportá-lo em volumes cada vez menores. Nestas aplicações podem ser empregados sistemas de refrigeração com mais de um ciclo de compressão de vapor arranjados em série. Este trabalho tem como objetivo apresentar o desenvolvimento de uma ferramenta para a avaliação de sistemas de refrigeração por compressão de vapor em cascata. Esta ferramenta é composta por um simulador computacional e um protótipo de um sistema de refrigeração em cascata. Por meio dela é possível estudar os ciclos termodinâmicos frigoríficos, identificar possíveis combinações de fluidos refrigerantes e analisar o desempenho teórico e real de sistemas de refrigeração em cascata. PALAVRAS-CHAVE: Refrigeração em cascata, Ultra-baixa temperatura, Bancada didática.
DEVELOPMENT OF A DIDACTIC TOOL FOR EVALUATION OF CA SCADE
REFRIGERATION SYSTEMS
ABSTRACT: Many applications in commercial and industrial refrigeration require ultra-low temperatures (temperatures below -40 ° C). In medicine, biological sciences and pharmaceutical industry these temperatures are essential for preservation of microorganisms, drugs, human blood and animal. The intensive use of natural gas combustion in vehicular applications, in cars, utilities and especially locomotives and ships, imposes the need to condense it to store it and transport it in ever smaller volumes. In these applications refrigeration systems with more than one vapor compression cycle arranged in series may be employed. This paper aims to present the development of a tool for the evaluation of cascade vapor compression refrigeration systems. This tool consists of a computer simulator and a prototype of a cascade refrigeration system. Through it is possible to study the refrigerator thermodynamic cycles, identify possible combinations of refrigerants and analyze the theoretical and actual performance of cascade refrigeration systems. KEYWORDS: Cascade refrigeration, Ultra-low temperature, Didactic bench.
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1. INTRODUÇÃO
Os sistemas de refrigeração exercem importantes papéis para a sociedade atual, em
aplicações de refrigeração doméstica até a refrigeração industrial. A preservação de gêneros
alimentícios em quantidades suficientes para sustentar a população urbana, construções e a maioria
dos artigos e objetos de utilidade do mercado atual dependem desses sistemas de refrigeração
(DOSSAT, 2004). O estudo desses sistemas é fundamental para propor melhorias que aumentem a
eficiência e a aplicabilidade desses sistemas.
Muitas aplicações em refrigeração comercial e industrial requerem ultra-baixas temperaturas
(temperaturas abaixo de -40° C). Na medicina, ciências biológicas e indústria farmacêutica essas
temperaturas são fundamentais para preservação de micro-organismos, medicamentos, sangue
humano e animal. Com a pouca quantidade de gasoduto somado ao aumento do consumo do gás
natural pelas indústrias e diversos meios de transporte, automóveis, utilitários e principalmente
locomotivas e navios, surge à necessidade de armazená-lo e transportá-lo em volumes cada vez
menores. Segundo a Agência Nacional do Petróleo (2010) atualmente o processo de liquefação do
gás natural exige temperaturas menores que -160° C, onde seu volume é reduzido em
aproximadamente 600 vezes. Estes são alguns exemplos onde se podem aplicar sistemas de
refrigeração por compressão de vapor em cascata.
O sistema de refrigeração convencional de simples estágio por compressão de vapor torna-se
ineficiente quando aplicado à ultra-baixas temperaturas. Isto ocorre devido a grande diferença entre
as temperaturas de vaporização e condensação. O fluido refrigerante sob essas condições impõe
níveis de pressões indesejáveis ao ciclo de refrigeração. Dependendo da curva de saturação do
fluido selecionado, pode-se apresentar no sistema pressão negativa na linha de sucção favorecendo
a emissão de óleo lubrificante pela linha de descarga ou elevadas pressões na linha de descarga
culminando na ineficiência energética do ciclo. Este problema pode ser solucionado aplicando-se o
sistema de compressão a vapor em cascata. Por meio deste sistema pode-se atingir ultra-baixas
temperaturas por meio da combinação de dois ou mais ciclos arranjados em série onde cada um
deles trabalha com fluidos diferentes. Estes, entre outros aspectos do sistema de compressão a vapor
em cascata serão apresentados neste trabalho de forma prática por meio do desenvolvimento de uma
ferramenta experimental.
Neste trabalho é proposto o desenvolvimento de uma ferramenta que possibilita avaliar o
desempenho de sistemas de refrigeração em cascata para obtenção de temperaturas ultra-baixas.
Para alcançar este objetivo, foi necessário estudar os ciclos termodinâmicos frigoríficos voltados à
ultra-baixas temperaturas de vaporização, identificar fluidos refrigerantes que podem ser aplicados à
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solução com menos impactos no aquecimento global e na depleção camada de ozônio, construir e
avaliar a aplicabilidade de um protótipo capaz de atingir temperaturas inferiores a -40°C.
Este trabalho apresenta uma ferramenta útil para o estudo de ciclos de refrigeração por
compressão de vapor e a combinação destes em sistemas de refrigeração em cascata. Um dos
componentes desta ferramenta é o simulador de sistemas de compressão de vapor em cascata. Por
meio deste simulador o usuário pode obter as condições ótimas de operação do sistema partindo da
capacidade frigorífica projetada. O uso do simulador reduz custos na etapa de construção do
sistema. Outro componente desta ferramenta é o protótipo de um sistema de refrigeração em cascata
com dois ciclos. Por meio deste protótipo pode-se comparar o desempenho teórico e real dos
sistemas de refrigeração em cascata. O protótipo permite identificar a aplicabilidade dos sistemas
de refrigeração em cascata. Além de servir como suporte para pesquisas na área de refrigeração, a
ferramenta didática poderá será utilizada no ensino de sistemas de refrigeração em laboratórios do
curso de graduação em Engenharia Mecânica.
2. CONCEITOS BÁSICOS
O ciclo de compressão de vapor é o mais utilizado nos sistemas de refrigeração
(CAVALCANTI, 2005). Isto porque esses sistemas desempenham papéis importantes na vida das
pessoas, como a conservação de alimentos e o condicionamento de ar. A finalidade básica de um
sistema de refrigeração é manter uma região com uma temperatura fria em relação ao meio em que
se encontra. Uma unidade de refrigeração por compressão de vapor opera segundo um ciclo
termodinâmico onde se necessita de trabalho para que se obtenha transferência de calor de uma
região de baixa temperatura para outra de alta temperatura.
O sistema de refrigeração em cascata é caracterizado pela combinação de mais de um ciclo
de refrigeração por compressão a vapor. Estes ciclos estão arranjados em série por meio de um
intercambiador de calor contracorrente. O ciclo responsável por rejeitar a energia do sistema é o
ciclo de alta temperatura e o ciclo onde ocorre o efeito de refrigeração é o ciclo de baixa
temperatura. Por ser constituído por ciclos distintos pode-se utilizar no sistema mais de um fluido
refrigerante com vazões mássicas distintas. Assim, pode-se selecionar refrigerantes específicos para
atingir temperaturas ultra-baixas no evaporador do sistema. No intercambiador, a energia
proveniente da condensação do ciclo de baixa é responsável por evaporar o refrigerante no ciclo de
alta temperatura (MORAN e SHAPIRO, 2009). As características deste sistema conferem
flexibilidade quanto aos ajustes dos parâmetros do processo. Respeitando o balanço de energia e
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massa, podem-se selecionar compressores e intercambiadores de calor de diferentes capacidades e
ajustar as quatro ou mais temperaturas de saturação do fluido. A possibilidade de selecionar
diferentes fluidos refrigerantes permite que o ciclo funcione com pressões razoáveis no evaporador
e no condensador. A Figura 01 mostra o esquema de um sistema de refrigeração em cascata com
dois ciclos (estágios).
FIGURA 01. Ciclo de refrigeração por compressão de vapor em cascata (MORAN e SHAPIRO,
2009).
No sistema de refrigeração em cascata, o intercambiador de calor é o equipamento que
permite a troca de calor entre dois fluidos que estão inicialmente em diferentes temperaturas
separados por uma parede sólida. Basicamente pode-se classificar um intercambiador de calor pelo
tipo de escoamento e construção. Os tipos de escoamento mais comuns são o paralelo,
contracorrente e fluxo cruzado. Os tipos de construção mais utilizados são os de tubos concêntricos
(bitubular), de placas e casco e tubo. De forma geral os intercambiadores podem ou não possuir
aletas projetadas para maximizar a troca de calor entre os fluidos (INCROPERA et al, 2008). No
sistema de refrigeração em cascata pode-se dizer que o intercambiador de calor é composto pelo
evaporador do ciclo de alta temperatura e pelo condensador do ciclo de baixa temperatura.
Os fluidos aplicados a ultra-baixas temperaturas podem ser identificados por meio dos guias
de fluídos refrigerantes fornecidos pelos seus fabricantes. Estes fabricantes também fornecem
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tabelas e curvas de saturação que possibilitam a seleção do refrigerante conforme as aplicações
pretendidas. As curvas de saturação fornecem informações de pressão e temperatura do refrigerante.
O refrigerante deve ser escolhido de forma que se evitem pressões excessivamente baixas no
evaporador e excessivamente altas no condensador.
3. MATERIAIS E MÉTODOS
Neste tópico serão apresentados todos os materiais utilizados e procedimentos que foram
realizados a fim de desenvolver uma ferramenta para avaliar o desempenho de um sistema de
refrigeração por compressão de vapor em cascata. Será abordado neste tópico a simulação
computacional, dimensionamento e a construção de um protótipo de sistema de refrigeração em
cascata.
3.1 Simulação computacional
As simulações computacionais foram realizadas a fim de reduzir custo e tempo além de
descobrir as melhores condições de operação do sistema. O software EES (Engineering Equation
Solver) foi escolhido para realizar essas simulações. Os critérios utilizados para a escolha deste
software foi o vasto banco de dados termodinâmicos e sua programação simples e intuitiva. O
simulador desenvolvido neste software possui uma interface que permite simular de forma fácil um
sistema de refrigeração em cascata por compressão de vapor sob diversas condições de operações
para diferentes fluídos de trabalho. Por meio deste simulador pode-se avaliar o trabalho e as
principais transferências de calor no sistema. Também é possível analisar os efeitos causados pelas
condições de sub-resfriamento e superaquecimento dos ciclos do sistema. As seguintes
considerações são aplicadas pelo simulador:
- Cada componente do ciclo é analisado como um volume de controle operando em regime
permanente.
- Não há perdas de carga nos intercambiadores de calor e nas tubulações
- Os efeitos da energia cinética e potencial são desprezíveis
- Compressores e válvulas de expansão operam adiabaticamente
- Processo de expansão irreversível
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- Taxa de calor transferido no condensador do ciclo de baixa é 30% maior que a capacidade
frigorífica do sistema.
- O refrigerante entra no compressor no estado de vapor saturado ou superaquecido e sai do
condensador no estado líquido saturado.
A Figura 02 mostra o simulador desenvolvido.
FIGURA 02. Simulador para sistemas de refrigeração em cascata.
O usuário fornece dados como temperatura de vaporização, condições de superaquecimento
e subresfriamento, vazão mássica no ciclo de baixa e escolhe os fluidos de cada ciclo. A partir
destas informações o simulador desenvolvido dimensiona o sistema de refrigeração em cascata.
3.2 Dimensionamento do sistema de refrigeração em cascata.
Um dos objetivos deste trabalho é a avaliação do sistema de refrigeração por compressão de
vapor em cascata. Para isto, foi proposto a construção de um protótipo de refrigeração em cascata.
Este tópico trata do dimensionamento deste protótipo. Nessa etapa são identificados os
componentes do sistema que serão utilizados, as quantidades de cada um deles e a estimativa da
quantidade de refrigerante com o qual o sistema será carregado. Além disso, o dimensionamento
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ajuda estimar o espaço ocupado pelos componentes, seu arranjo físico entre outros aspectos que são
abordados no projeto do protótipo. Neste trabalho é apresentado a construção de um sistema de
refrigeração em cascata com dois estágios. A Figura 03 mostra o esquema do sistema proposto.
FIGURA 03. Esquema do sistema de refrigeração em cascata proposto (ASEP, 2014).
Dois estágios são suficientes para estudar as características fundamentais dos sistemas de refrigeração em cascata, atingir ultra-baixas temperaturas além de permitir futuras alterações como a adição de um terceiro estágio. Deseja-se atingir a temperatura de aproximadamente -40°C no evaporador do sistema para que a temperatura na câmara aproxime-se de -30°C. Sabendo-se a quantidade de estágios do sistema, a próxima etapa do dimensionamento é definir os componentes básicos do sistema proposto.
Com base na temperatura de vaporização desejada foram selecionados os fluidos
refrigerantes dos dois ciclos do sistema. O refrigerante R-404a foi selecionado para o ciclo de baixa
temperatura. Este refrigerante foi desenvolvido para aplicações de baixas temperaturas (-40°C até -
20°C). Além disso, a curva de saturação disponibilizada pelo fabricante mostra que o fluido R-404a
atinge temperaturas de vaporização próximas a -40° C com pressões positivas. O refrigerante R-
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134a foi selecionado para o ciclo de alta temperatura por apresentar pressões moderadas entre as
temperaturas de vaporização intermediaria e de condensação do ciclo.
O dispositivo de expansão ou estrangulamento é também chamado por alguns fabricantes de
elemento de controle, por meio deste dispositivo é criado uma perda de carga permitindo que o
refrigerante seja vaporizado a baixas pressões. Este componente pode ser um tubo capilar ou uma
válvula de expansão. Neste trabalho foi utilizado como dispositivo de expansão tubos capilares.
Trata-se de um tubo de cobre com diâmetro reduzido que provoca redução da pressão pela fricção
do refrigerante no interior do capilar. O nível de redução da pressão pode ser estabelecido pela
alteração do comprimento ou alteração do diâmetro do capilar (ALEGRIAS;FILHO; MENDONÇA,
2010). Esta escolha deve-se a possibilidade do sistema proposto ser atendido com um dispositivo
de expansão fixo, por este possuir menor custo, quando comparado aos demais dispositivos e ao
fato de permitir que as pressões nos lados de sucção e descarga se equalizem durante a parada do
compressor.
Os compressores utilizados no sistema proposto são de aplicação doméstica e comercial. Eles
são classificados quanto ao torque de partida e sua aplicação. Quanto ao torque, os compressores
são classificados em baixo torque de partida (LST - Low Starting Torque) e alto torque de partida
(HST - High Starting Torque). Foram selecionados compressores LST para ambos os estágios do
sistema de refrigeração em cascata. Esta escolha está atrelada a seleção do tubo capilar como
dispositivo de expansão. Quanto à aplicação, a classificação dos compressores se baseia na faixa de
temperatura de vaporização do refrigerante específico na qual podem ser aplicados. Isto porque os
níveis de pressão impostas ao compressor esta diretamente relacionada às faixas de temperatura do
refrigerante no ciclo de refrigeração. Neste trabalho, para o ciclo de baixa temperatura foi usado um
compressor de baixa pressão de retorno (LBP - Low Back Pressure) e para o ciclo de alta um
compressor de alta pressão de retorno (HBP - High Back Pressure). As condições de operação do
sistema de refrigeração em cascata foram dimensionadas por meio do simulador computacional,
apresentado neste trabalho.
O projeto da carga mássica ajuda identificar a quantidade de massa de refrigerante com que
cada ciclo funcionará. O cálculo preciso da carga mássica é importante, pois os ciclos operam com
dispositivos de expansão fixo. Este cálculo foi feito com base no volume interno das tubulações e
componentes do sistema de refrigeração em cascata. Assim, foi realizada uma pré-carga no sistema
para que depois fossem feitos alguns ajustes de carga. A carga mássica dos ciclos foi estimada pelo
volume interno dos componentes do ciclo multiplicado pela massa específica do refrigerante. Em
algumas partes do sistema foi necessário levar em consideração a massa específica média do
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refrigerante. A massa no interior do tubo capilar foi desconsiderada por ser muito menor em
comparação aos demais componentes do sistema.
O intercambiador de calor que intermediará o fluxo de calor entre os dois ciclos do sistema
de refrigeração em cascata é do tipo bitubular ou concêntrico. Será utilizado o escoamento
contracorrente, pois apresenta menor diferença na variação de temperatura dos refrigerantes ao
longo do intercambiador por ser mais eficaz para o tipo de aplicação. Os tubos foram escolhidos
pela disponibilidade no mercado e pelos aspectos construtivos, como a forma intercambiador. O
tubo interno do intercambiador tem diâmetro de 1/4” e o tubo externo tem diâmetro de 5/8”.
O fluido frio do ciclo de alta passa pelo tubo interno e o fluido quente passa pela região
anular. Passando o fluido quente pela região anular diminui-se a possibilidade de formação de
condensado e facilita o isolamento do intercambiador. Este isolamento foi feito de espuma
elastomérica com 50 mm de espessura.
O método para dimensionamento do intercambiador foi o MLDT com o auxíliodo software
EES. As seguintes considerações foram aplicadas no cálculo:
- Perda de calor para a vizinhança desprezível
- Mudanças de energias cinética e potencial desprezíveis
- Propriedades constantes
- Resistência térmica na parede do tubo e fatores de deposição desprezíveis
3.2 Construção do protótipo
Nesta etapa do trabalho é apresentado o projeto do protótipo com os componentes
selecionados no dimensionamento do sistema de refrigeração em cascata proposto. A partir deste
projeto é definido o arranjo físico dos componentes do sistema, fabricado a estrutura e os principais
componentes do sistema. Além disso, nesta etapa é realizado o comissionamento do protótipo.
O projeto da bancada foi desenvolvido com o compromisso de arranjar todos os
componentes do ciclo de refrigeração em cascata eficientemente. Foi considerado o custo e os
esforços gerados pelo conjunto dos componentes do sistema para a escolha do material da estrutura.
No projeto foi definido que a estrutura seria feita com tubos de aço carbono comum com formato
retangular (Metalon) 30x20 mm na chapa #18 (1,2mm) e chapa de MDF (Medium-Density
Fiberboard) com 10 mm de espessura. Os componentes do sistema estão dispostos sobre a chapa de
MDF na direção horizontal.
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Após realizar o projeto da estrutura da bancada, foi necessário projetar a disposição dos
componentes, possíveis tomadas de pressão e sensores. Este projeto levou em consideração a
economia de material, principalmente tubos de cobre, a refrigeração dos compressores e a utilização
do espaço útil. A Figura 04 mostra o esboço do projeto.
FIGURA 04. Disposição dos componentes.
Os compressores estão propositalmente dispostos na direção do escoamento de ar
proveniente do condensador do ciclo de alta. Apesar do fluxo de ar produzido pelo ventilador ser
aquecido por conta do condensador, o mesmo consegue arrefecer os compressores que atingem
temperaturas mais elevadas. Nesta etapa do projeto foram definidas também as tomadas de pressão
para os manômetros. O sistema possui dois manômetros de baixa pressão e dois de alta pressão.
Para cada ciclo é utilizado dois manômetros, um de alta pressão e outro de baixa pressão. A escolha
das tomadas de pressão foi feita a fim de monitorar o comportamento das transformações
termodinâmicas. O protótipo possui cinco sensores de temperatura do tipo PTC (Positive
Temperature Coefficient). Por meio dos dados de pressão juntamente como os de temperatura,
usuários do protótipo podem realizar analises termodinâmicas no sistema. Algumas tubulações do
sistema serão submetidas a temperaturas mais baixas que a temperatura ambiente, havendo a
possibilidade de formação de líquido pelo processo de condensação. Foi necessário impermeabilizar
o MDF com fórmica. A fórmica utilizada foi a de PVC (policloreto de vinil), por custar menos e
pela facilidade de corte e aplicação.
O evaporador do sistema está contido em um gabinete feito a partir da estrutura de um
frigobar usado, adquirido em uma empresa de serviços de refrigeradores domésticos.
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A Figura 05 mostra o frigobar como foi adquirido.
FIGURA 05. Frigobar utilizado.
Somente a estrutura do frigobar foi aproveitado pois o estado de conservação do evaporador
estava bastantante comprometido, assim como parte da estrutura. A chaparia da parte inferior foi
substituída, pois estava completamente oxidada. O suporte de mantimentos da porta foi retirado
para aumentar o volume da câmara e facilitar a circulação interna de ar. O frigobar foi totalmente
restaurado. Um defletor de vento foi criado com chapa de zinco para ajudar a circulação de ar
dentro do gabinete (Figura 06). Neste defletor foi criado uma abertura circular por onde o ar é
expelido por meio de um micro ventilador de 110 V e outra abertura retangular admitindo ar que
passa entre as aletas do evaporador de alumínio. Assim o fluxo de ar acontece de forma circular no
interior da câmara frigorífica.
FIGURA 06. Defletor de vento.
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Uma estrutura foi feita para suportar o evaporador de forma que este fique o mais próximo
possível do micro ventilador garantido que o fluxo de ar passe pelas aletas do evaporador (Figura
07).
FIGURA 07. Suporte do Evaporador
Em torno do evaporador do protótipo foi instalado uma resistência elétrica de 110 V para
degelo. A estrutura mostrada acima também tem a função de purgar o líquido proveniente dos ciclos
de degelo do sistema. O gabinete criado a partir da estrutura de um frigobar usado que funcionava
no sentido vertical passou a trabalhar no sentido horizontal. A Figura 08 mostra o resultado final do
gabinete com o evaporador, resistência, ventilador e defletor de vento instalados.
FIGURA 08. Resultado da montagem do gabinete
O intercambiador de calor foi construído com o comprimento cerca de 20% a mais do que
foi calculado. Esta folga foi aplicada para permitir ajustes no sistema. O intercambiador foi
construído com o comprimento de 4000mm. O tubo com menor diâmetro foi inserido no interior do
tubo de maior diâmetro. Os tubos foram moldados por meio de um cilindro rígido de 350mm. No
final do processo o intercambiador tinha o diâmetro desejado. Uma das extremidades do tubo foi
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virado em aproximadamente 90°, como mostra a Figura 09, para facilitar as conexões com os ciclos
do sistema.
FIGURA 09. Intercambiador de calor.
Os tubos do intercambiador foram espaçados para que a espuma elastomérica fizesse o
isolamento entre os passes. O isolamento do intercambiador foi feita com duas placas de espuma
eslatomérica de 250mm de largura com 1200mm de comprimento. Foi aplicado cola adesiva nas
suas superfícies que fariam contato. Uma placa foi aplicada na parte externa do intercambiador e
outra na parte interna. Por fim, o isolamento foi protegido com uma chapa de zinco. O resultado
pode ser visto na Figura 10.
FIGURA 10. Intercambiador de calor isolado
A montagem dos componentes na bancada seguiu rigorosamente o projeto. A maioria das
conexões foi realizada antes de fixar os componentes na bancada. Isto foi feito para facilitar a
montagem e evitar que o processo brasagem fosse feito próximo ao MDF. As conexões entre os
manômetros e as linhas do ciclo foram feitas por meio de TEE de latão. Da mesma forma foi feita a
conexão da linha de alta pressão do ciclo de baixa temperatura com o pressostato. O pressostato
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utilizado tem como objetivo proteger o compressor de pressões elevadas. Este desliga o compressor
com a pressão de cerca de 300psi. O evaporador utilizado no sistema é de alumínio. A brasagem
entre a tubulação do evaporador com a tubulação de cobre do restante do sistema foi feita com a
vareta IZI Migrare, apropriada para a brasagem entre alumínio e cobre. Após realizar as conexões
entre os principais componentes do protótipo, a bancada foi furada e os componentes foram fixados.
Os manômetros e o controlador do ciclo foram instalados no painel. O controlador possui as
funções de controle do ciclo de degelo por meio do acionamento da resistência elétrica, alarmes pré-
definidos, controle de um compressor. A Figura 11 mostra o resultado da montagem da bancada.
FIGURA 11. Montagem dos componentes.
Para finalizar a montagem do protótipo foram feitas as instalações elétricas. O pressostato
foi ligado em série com o compressor de baixa. Os compressores, a resistência e o ventilador foram
ligados na placa de controle. A placa de controle foi feita para evitar o acionamento direto dos
componentes do sistema do protótipo. A Figura 12 mostra a placa de controle em teste.
FIGURA 12. Placa de Controle.
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Assim o controlador do sistema está protegido contra as altas correntes de alimentação dos
componentes. Esta placa foi desenvolvida com três relés, dois de 10A e um de 15A para o
compressor de baixa.
Os compressores do protótipo foram testados antes da montagem do sistema de refrigeração.
Depois de montar os componentes o primeiro teste realizado foi o de vazamento. O ciclo de baixa
temperatura foi pressurizado a 70 psi por meio da válvula de serviço do compressor. O fluido
utilizado para pressurização foi o R-410. O ciclo de alta temperatura foi pressurizado a 150 psi com
o mesmo fluido. Foi aplicada espuma em todas as conexões inclusive na conexão entre manifold e a
válvula de serviço de cada compressor. Algumas conexões dos TEE´s precisaram ser ajustadas até
que os vazamentos fossem contidos.
O processo de brasagem e a preparação da tubulação ocasionam o acúmulo de resíduos nas
linhas. Após certificar que o sistema estava livre de vazamentos foi necessário limpar toda a
tubulação. Esta limpeza foi feita por injeção de gás em alta pressão na tubulação. Depois de
pressurizada a tubulação foi aberta em pontos estratégicos para que os resíduos fossem expelidos. A
fim de retirar todos os gases residuais e toda umidade da tubulação o sistema foi submetido ao
processo de vácuo. O sistema foi recarregado e submetido novamente ao processo de vácuo. A
Figura 13 mostra o processo de vácuo no protótipo.
FIGURA 13. Aplicação do processo de vácuo.
Com o auxílio de uma balança de precisão a quantidade de massa calculada foi carregada em
cada ciclo. Este processo ocorreu com os compressores acionados.
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4. RESULTADOS
Após carregar o sistema com a quantidade de massa estimada para cada ciclo, foram
realizados os primeiros testes de funcionamento. Alguns problemas foram encontrados. A princípio
o sistema não funcionou conforme foi projetado. Nos testes, primeiro acionou-se o compressor do
ciclo de alta temperatura e depois o compressor do ciclo de baixa temperatura. Ao acionar o
compressor do ciclo de baixa o sistema apresentou níveis de pressões indesejadas, fazendo vácuo na
linha de sucção e pressões muito elevadas na linha de descarga, atingindo sua pressão crítica (300
psi), quando o pressostato protege o compressor desligando-o.
Em sistemas de refrigeração dotados de dispositivos de expansão fixo, o cálculo preciso da
carga mássica do ciclo é de fundamental importância. A carga mássica projetada para o ciclo de alta
temperatura foi de 0,4673 Kg do refrigerante R-134a e para o ciclo de baixa tempera foi projetada a
carga de 0,8037 Kg do refrigerante R-404a. A carga mássica utilizada no ciclo de baixa pressão
durante os testes foi inferior a carga projetada. Foi utilizado a carga de 0,750 Kg de refrigerante R-
404a. Esta diferença ocorreu por falta de refrigerante R404a no momento de realização do teste. Foi
aqui adquirido mais 0,750 Kg de refrigerante R404a para futuros testes.
A fim de analisar o comportamento do sistema de refrigeração em cascata, foram coletados
os valores das pressões aferidas por meio dos manômetros instalados no protótipo. Para cada ciclo
foram instalados dois manômetros, um manômetro de baixa pressão na sucção dos compressores e
dois manômetros de alta pressão na saída de cada condensador. O teste realizado teve duração de 10
minutos. As pressões dos quatro manômetros foram coletadas a cada minuto. A partir desses dados
coletados a Tabela 06 foi preenchida. Esta relaciona as pressões (psi) por unidade de tempo (min).
O sistema parte da condição de parada em 0 minuto. Neste momento, o compressor de baixa não
consegue partir, pois a pressão em sua sucção é muito elevada. O manômetro de baixa pressão do
ciclo de baixa temperatura registra pressão superior a 350 psi, não identificada, pois o ponteiro do
manômetro atinge o seu fundo de escala. Nesta condição, ao tentar acionar o compressor do ciclo de
baixa temperatura, este desarma em poucos segundos. Assim, o compressor do ciclo de alta
temperatura deve ser acionado primeiro. Quando acionado, a pressão de sucção no compressor de
baixa temperatura, mesmo desligado, diminui gradativamente. Isto ocorre, pois o refrigerante R-
134a do ciclo de alta está vaporizando no interior do intercambiador de calor, absorvendo calor do
refrigerante R404a do ciclo de baixa temperatura. Isto altera os níveis de pressão do ciclo de baixa
temperatura, apesar do compressor do ciclo de baixa estar desligado. Isto ocorre porque os
dispositivos de expansão são tubos capilares, que permitem o equilíbrio das pressões no ciclo.
Enquanto o compressor do ciclo de baixa temperatura permanece desligado os níveis de pressões
nos manômetros de baixa e de alta do ciclo de alta temperatura crescem ao longo do tempo. O
compressor do ciclo de baixa permanece desligado por 6 minutos, quando a pressão no ciclo
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registrado pelo na sua sucção atinge 85 psi. Neste momento, o compressor do ciclo de baixa
consegue partir e é acionado. Durante os próximos 4 minutos são aferidos as temperaturas na
câmara de vaporização. A Tabela 06 mostra os níveis de pressão durante o teste.
TABELA 06. Níveis de pressão durante o teste.
Ciclo de Alta Temperatura
Tempo (min) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Manômetro
de Baixa (psi)
10 11 12 13,2 14,5 15,8 17 18,3 19,8 21,7 24
Manômetro
de Alta(psi)
130 153 175 196 217 239 255 259 264 270 278
Ciclo de Baixa Temperatura
Tempo (min) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Manômetro
de Baixa (psi)
>350 >350 340 300 245 170 85 40 30 10 -10
Manômetro
de Alta(psi)
55 57 60 63 67 71 75 130 180 250 300
Após os sei primeiros minutos os níveis de pressão no ciclo de alta continuam crescendo,
porém observa-se uma leve desaceleração deste crescimento, Como mostrado na Figura 14.
FIGURA 14. Comportamento do ciclo de alta temperatura.
0
50
100
150
200
250
300
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Manômetro de
Baixa
Manômetro de
Alta
Pressão (psi)
Tempo (min)
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No ciclo de baixa temperatura são observados os efeitos mais relevantes do teste. A Figura
15 mostra os níveis de pressões no decorrer do tempo para o ciclo de baixa.
FIGURA 15. Ciclo de baixa temperatura.
A partir dos 6 minutos de duração do teste, quando o compressor do ciclo de baixa
temperatura é acionado a temperatura no interior da câmara de vaporização começa a diminuir.
Porém, o ciclo de baixa começa a apresentar níveis de pressões indesejadas, fazendo vácuo na linha
de sucção e pressões muito elevadas na linha de descarga, atingindo sua pressão crítica (300 psi),
quando o pressostato protege o compressor desligando-o. O teste é finalizado após 10 minutos de
duração, pouco antes do compressor de baixa ser desligado pelo pressostato. Neste momento foi
registrada temperatura de -11°C na câmara de vaporização. Os gráficos mostrados por meio das
Figuras 14 e 15 revelam a eficácia do intercambiador de calor. Isto é observado claramente quando
as pressões do ciclo de baixa pressão se alteram sensivelmente durante os seis primeiros minutos do
teste, quando o compressor deste ciclo encontra-se desligado.
-50
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Manômetro de
Baixa
Manômetro de
Alta
Pressão (psi)
Tempo (min)
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5. CONCLUSÕES
Conforme seus objetivos, este trabalho resultou em uma ferramenta para o estudo de ciclos de
refrigeração por compressão de vapor e a combinação destes em sistemas de refrigeração em
cascata. Por meio do simulador desenvolvido pode-se analisar o comportamento de sistemas de
refrigeração em cascata. De forma prática e intuitiva o usuário deste simulador pode identificar as
propriedades termodinâmicas dos refrigerantes em pontos estratégicos dos ciclos do sistema de
refrigeração em cascata.
Complementando o simulador, o protótipo pode ser utilizado para a aplicação dos projetos
feitos no simulador. Por meio desta ferramenta experimental é possível aplicar e avaliar diferentes
combinações de refrigerantes aplicados a sistemas de refrigeração em cascata. É possível também,
analisar o dimensionamento e a influência de cada componente do sistema. O contato dos
estudantes com esta ferramenta composta pelo protótipo e simulador é importante para que estes
possam analisar os efeitos das considerações estabelecidas durante o projeto na construção de um
sistema real com suas diversas irreversibilidades. Por meio desta ferramenta é possível fazer a
correlação entre os desempenhos dos componentes quando analisados teoricamente e quando posto
em funcionamento na prática.
É proposta para trabalhos futuros a otimização do simulador por meio da inserção de novas
funções. Será necessária também, a adequação da carga mássica de refrigerante no sistema de
refrigeração apresentado. Novos fluidos refrigerantes voltados para ultra-baixas temperaturas
podem ser utilizados no protótipo. Em trabalhos futuros o protótipo poderá ser modificado,
alterando seus componentes ou até mesmo inserindo novos componentes ou mais estágios no
sistema.
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REFERÊNCIAS
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dimensões do tubo capilar como elemento de expansão num sistema de refrigeração domestica.
Campina Grande –Pb, 2010.
ANP. Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis. O gás natural liquefeito
no Brasil. Experiência da ANP na implantação dos projetos de importação de GNL. Rio de
Janeiro, séries tem éticas ANP – n° 4, 2010.
ASEP, Hermawan. Cascade Refrigeration System. Disponível em:
<http://hvactutorial.wordpress.com/> Acessado em: 11/05/2014.
CAVALCANTI, J. O. E BEZERRA, C. R. Eficiência de uma unidade de refrigeração por
compressão de vapor. XXXIII Congresso Brasileira de Ensino de Engenharia. Campina Grande
– Pb. 2005.
DOSSAT, Roy J. Princípios de Refrigeração. Hemus: 2004.
INCROPERA F.; DEWITT D.; BERGMAN T. ;LAVINE A. Fundamentos de Transferência de
Calor e Massa, 6ª edição, LTC, 2008.
MORAN, M. J.; SHAPIRO, H. N. Princípios de Termodinâmica para Engenharia, LTC, 6ªEd.,
2009.
AGRADECIMENTOS
Este trabalho foi financiado pela FAPESB