MANUAL DE FORMAÇÃO
Tecnologias Específicas
ERC-07-B3
Instalações Frigoríficas - componentes
mecânicos
Hugo H. Araújo
Amadora 2015
Março/Julho
ADVERTÊNCIA
Os conteúdos deste manual de formação fornecem informações e orientações que foram
retiradas do livro "Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado", Verlag Dashofer à qual
se solicitou a devida autorização de reprodução e transformação.
Cumpre-se, desta forma, o estipulado no Código de Direito de Autor e dos Direitos
Conexos.
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NOTA INTRODUTÓRIA
A UFCD de Instalações frigoríficas - componentes mecânicos, visa proporcionar uma
formação em matérias básicas relativamente aos diversos constituintes mecânicos que
compões o circuito frigorífico.
Ao longo deste manual dar-se-á a conhecer, numa vertente teórico-prática os principais
componentes mecânicos que constituem as instalações frigoríficas.
O programa da UFCD Instalações frigoríficas - componentes mecânicos é o seguinte:
Parte I
Instalações Frigoríficas
Parte II
Circuito Frigorifico
Parte III
Dispositivos do Circuito Frigorífico
Parte IV
Sistemas com Bombas de Calor
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PARTE I
INSTALAÇÕES FRIGORÍFICAS
A produção e aplicação do frio industrial, devido à multiplicidade das suas aplicações,
constituem um relevante factor de progresso económico e bem-estar social.
O “Frio industrial”, genericamente designado por refrigeração, é o ramo da ciência que estuda
os processos de fazer baixar a temperatura de um corpo e/ou mantê-la abaixo de um
determinado valor. Desta forma o “Frio” é uma abstracção física e, teoricamente, não existe
como termo positivo. Não pode irradiar nem libertar-se e representa a “ausência de calor”.
De acordo com a natureza do produto e dos objectivos pretendidos, interessa considerar que:
A refrigeração é um processo de arrefecimento de um produto até à temperatura óptima de
armazenamento ou transporte, sem que nenhum ponto atinja a temperatura de congelação.
A congelação representa o arrefecimento de um produto, tão rápido quanto possível, até que
em todos os seus pontos se atinja uma temperatura inferior à de congelação.
As instalações frigoríficas podem classificar-se em:
– Instalações de apoio à produção:
• Instalações na produção;
• Instalações de recolha, tratamento e armazenamento;
• Instalação de congelação e armazenamento de congelados;
• Instalações móveis de refrigeração e/ou congelação;
• Instalações fabris (recebendo as matérias-primas e transformando-as a nível industrial);
• Entrepostos polivalentes para armazenamento de matérias-primas ou produtos com destino
às unidades industriais ou ao consumo.
– Instalações de apoio à distribuição e consumo:
• A nível armazenista;
• A nível retalhista;
• A nível de consumo.
– Transportes frigoríficos:
• Rodoviários (veículos ou contentores);
• Ferroviários (veículos ou contentores);
• Marítimos;
• Aéreos.
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– Outras instalações:
• Instalações de descongelação;
• Instalações frigoríficas para maturação de frutas;
• Câmaras de atmosfera controlada;
• Fábricas de gelo;
• Instalações frigoríficas para produtos não alimentares (películas fotográficas, medicamentos,
sangue, etc.);
• Instalações frigoríficas para apoio à investigação;
• Instalações frigoríficas para apoio à indústria química;
• Instalações frigoríficas mortuárias.
A refrigeração pode-se apresentar em quatro grupos, a saber:
Refrigeração doméstica;
Refrigeração comercial;
Refrigeração industrial;
Refrigeração marítima.
Refrigeração doméstica
A refrigeração doméstica, em função das características construtivas e das temperaturas de
funcionamento, abrange essencialmente os frigoríficos (com congelador, sem congelador e
combinados) e as arcas congeladoras (verticais e horizontais). É frequente encontrarem-se
equipamentos de refrigeração doméstica em utilização comercial, nomeadamente a utilização
de arcas congeladoras no arrefecimento rápido de bebidas, que pode provocar, num curto
espaço de tempo, a gripagem do compressor.
Refrigeração comercial
A
refrigeração
comercial
abrange
os
equipamentos
destinados
à
conservação
temporária de alimentos perecíveis, incluindo os espaços refrigerados para exposição e
arrefecimento de bebidas. A classificação dos equipamentos tem por base as respectivas
temperaturas, que são:
Baixa temperatura (engloba a ultra congelação, congelação e semifrio), com temperaturas de
funcionamento que se situam, geralmente, entre -10°C e -35°C, exceptuando a ultra
congelação que opera em temperaturas abaixo de -40°C;
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Média temperatura (engloba a fabricação de gelo e a conservação), com temperaturas que
oscilam entre os -10/+2°C, no caso da fabricação de gelo e os +2/+10°C, no caso da
refrigeração em geral;
Alta temperatura (engloba as atmosferas controladas e a climatização), com temperaturas de
funcionamento de + 12ºC a +27°C, consoante se tratem de salas de desmanche ou ambientes
de temperatura controlada.
Refrigeração industrial
A refrigeração industrial engloba diversas aplicações, que são maiores que as aplicações
comerciais e têm a característica marcante de requererem um opera- dor de serviço.
Aplicam-se praticamente em todos os ramos da actividade humana, podendo destacar-se:
indústria alimentar, fabricação de gelo, indústria de construção, indústria metalúrgica, indústria
química, acondicionamento de ar e medicina.
Neste caso, devido às grandes quantidades de fluxos de calor em “jogo” que interessa reduzir,
uma vez que será impossível anular, serão necessários isolamentos térmicos, pelo que as
técnicas de produção e conservação do “frio” estão intimamente relacionadas com a
construção de ambientes isolados e um cálculo rigoroso das cargas térmicas existentes nas
diversas aplicações.
As cargas térmicas que representam a velocidade com que se deve retirar o calor das diversas
zonas a arrefecer, de forma a atingir as temperaturas desejadas, são função do:
– Calor que entra pelas portas;
– Calor transmitido através do tecto, paredes (diversas orientações geográficas) e chão;
– Calor libertado pelas pessoas presentes nos locais, iluminação, funcionamento de
equipamentos e motores dos ventiladores;
– Calor retirado aos produtos armazenados.
Refrigeração marítima
A refrigeração marítima, naturalmente, refere-se à refrigeração a bordo de embarcações
marítimas e inclui, por exemplo, a refrigeração para navios de pesca e para embarcações de
transporte de cargas perecíveis.
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Instalação frigorífica
Uma instalação frigorífica é um local onde se encontram instalados os diversos equipamentos e
componentes, funcionando automaticamente por controlo electromecânico ou electrónico
monitorizado e que se destinam à conservação ou congelação de produtos nela armazenados.
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PARTE II
CIRCUITO FRIGORÍFICO
Princípio de funcionamento
Os fluidos utilizados em instalações frigoríficas para produção de frio transportam o calor
absorvido do meio a arrefecer e recebem a designação de fluidos refrigerantes, os quais, por
razões económicas, depois de evaporados são recuperados e sucessivamente utilizados
através de ciclo contínuo.
Os fluidos refrigerantes podem dividir-se em dois grupos:
– Fluidos refrigerantes primários;
– Fluidos refrigerantes secundários.
No primeiro caso, os fluidos refrigerantes percorrem o sistema sofrendo as transformações
termodinâmicas inerentes ao ciclo frigorífico, ou seja, absorvem e transferem calor latente, isto
é, circulam através de vários órgãos da instalação frigorífica absorvendo e rejeitando calor,
passando alternadamente de líquido para vapor (no evaporador) e de vapor a líquido (no
condensador).
Os fluidos refrigerantes primários devem possuir as seguintes características:
– Termodinâmicas, físicas e químicas;
– De segurança;
– Económicas.
As principais características termodinâmicas, físicas e químicas que um fluido refrigerante
primário deve possuir são:
– A pressão de condensação deve ser tão baixa quanto possível;
– Para a temperatura de evaporação pretendida, a sua pressão deve ser ligeiramente superior
à pressão atmosférica;
– Para as condições de funcionamento, a relação das pressões deve ser a menor possível;
– As pressões e temperaturas críticas devem ser muito superiores aos maiores valores de
pressão e temperatura de funcionamento;
– Baixas temperaturas de descarga do compressor;
– Elevado calor latente de vaporização;
– Baixa viscosidade do líquido e do vapor;
– Ser quimicamente estável, nas gamas de temperaturas de funcionamento, relativamente ao
ar, água e óleos lubrificantes;
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– Elevados coeficientes de convecção do líquido e do vapor.
Relativamente às características de segurança, os fluidos refrigerantes primários:
– Não devem ser tóxicos, nem inflamáveis;
– Não podem ser explosivos quando em contacto com o ar;
– Devem ter suave odor característico e não irritante;
– Devem ter pequena tendência para fugas e, no caso de estas existirem, devem ser de fácil
detecção.
Um fluido refrigerante primário deve possuir as seguintes características económicas:
– Baixo custo;
– Fácil obtenção.
Os fluidos refrigerantes secundários transferem o calor dos espaços a arrefecer para o
agente refrigerante primário, provocando a sua vaporização, ou seja, absorvem e transferem
apenas calor sensível. Por exemplo: água, soluções de sais inorgânicos (salmouras) e
soluções anticongelantes.
As instalações com fluido refrigerante secundário são aquelas onde se realiza o ciclo frigorífico
com um fluido refrigerante tradicional (isento de CFC) e onde se aproveita o evaporador para
arrefecer o fluido refrigerante secundário. Este é enviado aos espaços que se pretendem
arrefecer (permutadores), através de uma bomba, para que seja retirada a carga térmica. O
fluido refrigerante secundário deixa no evaporador o calor, de forma a ser vaporizado o fluido
refrigerante primário.
A principal vantagem deste tipo de instalação é o facto de conseguir confinar o fluido
refrigerante primário numa zona limitada, onde é mais fácil detectar eventuais fugas.
A principal desvantagem é a energia necessária para a bomba de circulação que faz circular o
fluido refrigerante secundário.
As principais características que um fluido refrigerante secundário deve possuir são:
– Ponto de congelação bastante inferior à temperatura do meio a arrefecer;
– Elevado calor específico, para que o caudal em circulação seja mínimo;
– Elevado coeficiente de transmissão de calor;
– Baixa viscosidade;
– Ser quimicamente estável, quando em contacto com o agente refrigerante primário.
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A água é um excelente fluido refrigerante secundário para temperaturas de operação até 3ºC.
Para aplicações de congelação (-20/-30ºC), a sua aplicação torna-se mais crítica.
Nota:
Calor sensível e calor latente – o corpo humano deve trocar quantidades de calor com o
exterior, em função das condições do ar ambiente. Caso o corpo humano não consiga libertar
esse calor, a sua temperatura tenderá a aumentar, ou a diminuir, consoante liberte mais ou
menos calor do que o necessário.
O calor metabólico libertado é função do tipo de actividade desenvolvida. A libertação de calor
efectua-se normalmente, sob duas formas: calor latente e calor sensível. O calor sensível
libertado é função da diferença de temperaturas entre o corpo e o ar ambiente, enquanto o
latente é libertado através da respiração e transpiração.
Os sistemas de produção de frio mais usuais baseiam-se em: expansão de um gás associado à
sua compressão, processos de adsorção, processos termoeléctricos e vaporização de um
líquido, associada aos seus processos inversos.
De seguida, vamos abordar os processos de vaporização de um líquido (puro ou solução
binária), que se baseiam nos seguintes princípios:
– A vaporização de um líquido é acompanhada de absorção de calor do ambiente;
– A temperatura de vaporização de um líquido é função da sua pressão;
– Se um vapor for arrefecido após ser comprimido pode passar à fase líquida.
Assim, relativamente aos processos de produção de frio por vaporização de um líquido, podese concluir que:
– Numa instalação frigorífica existe sempre uma substância fluida (veículo térmico) responsável
pelo efeito produzido, que tanto pode estar na fase líquida como na fase gasosa, normalmente
denominado fluido refrigerante;
– A vaporização de um líquido implica uma absorção de calor do ambiente em contacto com a
unidade evaporadora e, se essa vaporização for controlada, pode obter-se a “quantidade de
frio” necessária para originar e/ou manter o espaço a arrefecer, com a temperatura desejada.
A vaporização de um líquido pode ser obtida através de dois processos:
– Meios mecânicos (sistema de compressão de vapor);
– Meios térmicos/aquecimento (sistema de absorção de vapor).
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Por razões económicas, o fluido refrigerante depois de evaporado é recuperado e
sucessivamente utilizado no denominado sistema de refrigeração por ciclo contínuo.
Assim, os principais processos termodinâmicos inerentes a um sistema de refrigeração por
ciclo contínuo são: evaporação, compressão, condensação e expansão.
Iremos fazer uma abordagem aos processos de vaporização de um líquido, por compressão de
vapor.
Sistema de compressão de vapor
No sistema de compressão de vapor, o fluido refrigerante no estado líquido é “forçado” a
vaporizar no evaporador, sendo que o vapor formado é retirado pelo compressor, o qual
comprime o fluido refrigerante no estado gasoso até uma pressão adequada e lança-o no
condensador onde, em contacto com o exterior, perde calor e condensa.
O fluido refrigerante líquido depois de condensado volta ao evaporador, tornando-se a
evaporar. Para manter a diferença de pressões entre o condensador e o evaporador existe,
entre eles, um dispositivo que provoca a queda de pressão, a válvula de expansão.
Ciclo frigorífico
O fenómeno de evaporação é acompanhado pela dissipação de calor e, assim sendo, a
produção de frio artificial assenta neste princípio.
É então necessário construir um sistema que funcione continuamente, isto é, em circuito
fechado, que extraia o calor de um determinado recinto hermeticamente fechado.
O termóstato regula a temperatura do evaporador, orientando o compressor, de forma que
trabalhe quando a temperatura atinja o limite mais alto e que pare quando se atingir o limite
mais baixo.
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Uma instalação frigorífica apresenta os seguintes componentes fundamentais:
– O compressor é o órgão responsável pela compressão do fluido refrigerante proveniente do
evaporador, ou seja retira os vapores formados no evaporador (baixa pressão e baixa
temperatura) e comprime-os a uma pressão e temperatura mais elevadas, de forma a poderem
ser condensados;
– O condensador é o órgão onde o fluido proveniente do compressor é liquefeito, ou seja é o
órgão onde, através de uma superfície de transmissão de calor, se retira ao refrigerante a
quantidade de calor necessária para ele passar à fase líquida;
– A válvula de expansão é o órgão que controla a quantidade de refrigerante que deve
alimentar o evaporador e proporciona a queda de pressão (entre o condensador e o
evaporador) para que o refrigerante se evapore à pressão/ temperatura desejada;
– O evaporador é o órgão onde o refrigerante se evapora, absorvendo calor do espaço a
arrefecer (órgão que produz frio directamente), ou seja, através de uma superfície de
transmissão de calor retira ao espaço a arrefecer a quantidade de calor necessária à
evaporação do agente refrigerante.
Constata-se então que, num sistema de refrigeração, existem dois níveis de pressão:
– Zona de baixa pressão;
– Zona de alta pressão.
Constata-se também que é possível distinguir duas zonas, de acordo com a fase em que se
encontra o fluido refrigerante:
– Zona de vapor;
– Zona de líquido.
A zona de vapor localiza-se entre a saída do evaporador, incluindo o compressor até à entrada
do condensador. É constituída pelos órgãos e tubagens onde o fluido refrigerante se encontra
na fase de vapor.
A zona de líquido é constituída pelos órgãos e tubagens onde o fluido refrigerante se encontra
na fase líquida. Localiza-se desde a saída do condensador, incluindo a válvula de laminagem
até à entrada do evaporador.
É então possível concluir que:
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– Entre o compressor e o condensador existe vapor a alta pressão;
– Entre o condensador e a válvula de laminagem existe líquido a alta pressão;
– Entre a válvula de laminagem e o evaporador existe líquido a baixa pressão;
– Entre o evaporador e o compressor existe vapor a baixa pressão.
Ao conjunto das transformações termodinâmicas sofridas pelo agente refrigerante, denominase ciclo frigorífico.
Ao analisar o ciclo frigorífico, é necessário considerar cada uma das transformações, não só de
uma forma isolada, bem como em relação a todo o ciclo, pois qualquer alteração introduzida
numa delas implicará modificações nas restantes.
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A. TIPOS DE COMPRESSORES
Classificação
O compressor é o órgão responsável por retirar (aspirar) os vapores do fluido refrigerante
produzidos no evaporador e enviá-los para o condensador, elevando a sua pressão, de forma
que possam ser condensados normalmente por água ou ar.
Os compressores podem ser classificados segundo dois critérios, atendendo às suas
características construtivas e de funcionamento, a saber:
– Princípio de funcionamento;
– Posição do motor de accionamento.
Quanto ao princípio de funcionamento, os compressores classificam-se em:
– Dinâmicos;
– Volumétricos.
Os compressores dinâmicos caracterizam-se pelo facto da energia ser transmitida ao fluido
sob a forma de energia cinética, sendo esta por sua vez transformada em energia de pressão,
por acção do difusor, obtendo-se assim um aumento da pressão à saída do compressor.
Existem dois tipos de compressores dinâmicos:
– Compressores centrífugos (consistem num ou vários rotores montados num veio e um
estator contendo um ou mais difusores). Cada rotor representa um andar de compressão.
As perdas, normalmente expressas em percentagem de energia cinética refe- rida à velocidade
de entrada, são devidas ao escorregamento, atrito no rotor, atrito no difusor e perdas
localizadas devido a mudanças na direcção do escoamento.
Aplicam-se em instalações frigoríficas de grande dimensão, onde são necessárias elevadas
potências frigoríficas (entre 60 KW e 35 MW).
– Compressores axiais aplicam-se essencialmente em instalações de liquefacção do gás
natural.
Relativamente aos compressores volumétricos, que se caracterizam por um aumento de
pressão devido a uma diminuição de volume, estes podem dividir-se em:
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– Rotativos;
– Alternativos.
Os compressores rotativos caracterizam-se pela existência de uma massa excêntrica
(rotor) que se desloca com um movimento de rotação no interior de um corpo cilíndrico
(estator).
Compressor rotativo
Existem três tipos de compressores rotativos:
– De parafuso;
– De palhetas rotativas;
– De êmbolo rotativo.
Compressor de parafuso
Os compressores alternativos são compostos por um êmbolo que se desloca, com
movimento alternativo, no interior de um cilindro (camisa), o qual no movimento descendente
aspira o fluido refrigerante e comprime-o no movimento ascendente.
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São utilizados em, praticamente, todos os tipos de instalações frigoríficas, estando disponíveis
até potências da ordem dos 0,2 MW. São especialmente indicados para pressões de
condensação elevadas.
Quanto ao posicionamento do motor de accionamento, os compressores classificam-se em:
– Abertos;
– Semi-herméticos;
– Herméticos.
Nos compressores abertos, o motor de accionamento está situado no exterior do compressor,
ou seja, o acoplamento entre o compressor e o motor de accionamento é feito no exterior do
compressor. Relativamente ao local de instalação, a sua aplicação requer ponderação, uma
vez que estes compressores são muito ruidosos. As possibilidades de acesso ao seu interior
dependem apenas das suas características próprias: aplicam-se em médias e grandes
capacidades.
Os compressores semi-herméticos caracterizam-se pelo facto de o motor de accionamento
ser o prolongamento do veio de manivelas do compressor, formando as duas máquinas um só
bloco. O acesso do exterior é possível, embora relativamente aos compressores abertos, é
mais reduzido. São mais silenciosos que os compressores abertos, porém mais ruidosos que
os compressores herméticos.
No caso de avaria eléctrica, obriga à limpeza de todo o circuito de refrigeração para eliminação
de eventuais contaminantes.
Os compressores herméticos podem ser alternativos ou rotativos. O compres- sor e o motor
de accionamento estão montados no interior de uma carcaça soldada, ou seja, perde-se
completamente a acessibilidade do exterior. São os compressores mais silenciosos,
económicos, resistentes e de fácil instalação. No entanto, em caso de avaria, são de difícil
reparação, pelo que normalmente se opta pela sua substituição.
Nota:
O rendimento isentrópico (relação entre a potência de compressão isentrópica e a potência de
compressão real, para as mesmas condições de admissão) e o rendimento politrópico (relação
entre a potência mecânica de compressão e a potência total, mecânica e térmica necessária á
compressão) aplicam-se aos diferentes tipos de compressores, pois apenas consideram as
condições de entrada e saída do fluido refrigerante no compressor.
O rendimento próprio (relação entre a potência mecânica que seria necessário
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fornecer ao fluido refrigerante para o comprimir até à pressão de condensação e a potência
mecânica fornecida para efectuar a compressão) aplica-se a compressores rotativos mas não
aos alternativos.
O rendimento volumétrico (relação entre o volume efectivamente aspirado pelo compressor e a
cilindrada) aplica-se a compressores alternativos, mas não aos centrífugos.
Nos compressores alternativos, existe um volume entre o ponto morto superior e a cabeça do
cilindro, onde estão montadas as válvulas, designado de “espaço morto”, de forma a evitar que
o êmbolo encoste na cabeça do cilindro. Assim, quanto maior for o espaço morto menor será o
rendimento volumétrico do compressor.
Compressor aberto
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B. TIPOS DE EVAPORADORES
Um evaporador deve ser dimensionado de forma a satisfazer os seguintes princípios:
– Possuir uma área de permuta suficiente para transferir a quantidade de calor necessária, sem
que exista uma excessiva diferença de temperaturas entre o fluido refrigerante e o meio a
arrefecer;
– Ser dotado de um volume adequado para armazenar o fluido refrigerante líquido e para que
se efectue a separação entre líquido e vapor;
– Ter um elevado coeficiente global de transmissão de calor;
– Possuir uma baixa perda de carga.
Quanto ao movimento do fluido a arrefecer, os evaporadores podem classificar-se em:
– Convecção natural (estáticos);
– Convecção forçada (ventilados).
Os evaporadores de convecção natural têm um elevado factor de contacto, mas um reduzido
coeficiente de transmissão de calor, ao contrário do que acontece com os evaporadores de
convecção forçada. Desta forma, a humidade relativa obtida num ambiente que utiliza
evaporadores de convecção natural pode atingir valores próximos da saturação.
Para uma igual potência térmica transmitida, a área de permuta num evaporador de convecção
forçada é menor do que num evaporador de convecção natural.
Os evaporadores de convecção natural aplicam-se essencialmente nas baixas potências
frigoríficas, não sendo necessária a aplicação de ventiladores, obtendo-se assim uma redução
do custo da instalação. Após o aumento da potência frigorífica, a necessidade de uma maior
área de permuta origina que os evaporadores de convecção natural se tornem mais
dispendiosos que os evaporadores de convecção forçada.
As principais aplicações dos evaporadores de convecção natural são na refrigeração
doméstica e comercial.
Os evaporadores de convecção forçada apresentam as seguintes vantagens, face aos de
convecção natural:
– Temperatura do ar mais uniforme;
– Dimensões mais reduzidas (mais compactos);
– Maior facilidade de instalação;
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– Regulação do grau de humidade relativa.
Quanto ao tipo de construção, pode apresentar as seguintes configurações:
– Somente tubo;
– Tubos e alhetes (circuito simples ou circuitos em paralelo).
Os evaporadores de tubo são aplicados essencialmente em instalações de reduzida
capacidade, tais como: arrefecedores de garrafas, arcas congeladoras, armários e vitrinas de
conservação. São também utilizados no arrefecimento de líquidos por imersão, tais como
cubas de tiragem de cerveja e refrigeradores de água.
Em resumo, são aplicados na circulação de ar por gravidade, por ar forçado, em líquido parado
ou em líquido agitado.
Evaporador de tubo
Os evaporadores de tubos e alhetes podem ser simples ou múltiplo de tubos de cobre
soldados entre si, formando um ou mais circuitos e fortemente alhetados por lamelas de
alumínio.
Evaporador de tubos e alhetes
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Nos evaporadores de convecção forçada, a distância entre alhetes é menor do que nos de
convecção natural. Por este motivo, e de forma a evitar a formação de gelo, a diferença entre a
temperatura de evaporação e a do ar é menor, o que origina um aumento do grau de
humidade. Assim, para instalações onde se pretendam temperaturas do ar compreendidas
entre os 0ºC/+10ºC, o espaçamento entre alhetes é da ordem dos 5 mm, quando se pretendem
atingir temperaturas negativas, o espaçamento entre alhetes é maior, podendo atingir os 8 mm.
No caso de instalações para ar condicionado, onde se pretendem temperaturas relativamente
altas, o espaçamento apresenta valores na ordem dos 3 mm.
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C. TIPOS DE CONDENSADORES
O condensador é o órgão responsável por retirar ao fluido refrigerante a energia absorvida nos
restantes órgãos da instalação (evaporador e compressor) condensando-o, através da
cedência desta energia ao fluido arrefecedor.
De acordo com as condições do fluido refrigerante, é possível dividir o condensador
Nas seguintes regiões:
– A zona da entrada, onde o fluido refrigerante proveniente do compressor se encontra no
estado de vapor sobreaquecido, correspondendo ao estado de sobreaquecimento;
– A região intermédia, onde o fluido refrigerante se encontra em duas fases (mistura de líquido
e vapor), correspondente à região de condensação propriamente dita;
– A zona final, onde o fluido refrigerante se encontra no estado de líquido comprimido
(subarrefecido). Esta região corresponde ao subarrefecimento.
À saída do condensador o fluido refrigerante deve estar, no mínimo, no estado de líquido
saturado. Nos casos em que o refrigerante não esteja completamente condensado, a instalação
está a funcionar de forma deficiente.
De acordo com o fluido, ou fluidos, que recebem a energia proveniente do fluido refrigerante e a
configuração geométrica que apresentam, os condensadores podem classificar-se em:
– Arrefecidos a água:
• Torre de arrefecimento;
• Multitubular;
• Evaporativo.
– Arrefecidos a ar:
• Convecção natural;
• Convecção forçada.
Na utilização de condensadores arrefecidos a água, estes podem ser em circuito aberto (por
água perdida) ou em circuito fechado (circuito com torre de arrefecimento).
As torres de arrefecimento têm como função o arrefecimento da água utilizada na
condensação dos fluidos refrigerantes. A maioria do caudal de água utilizado é recirculado,
sendo apenas necessário adicionar água tratada para compensar as
perdas ocorridas por
evaporação. A quantidade de água evaporada depende da humidade relativa do ar que
atravessa a torre, sendo que grande parte do arrefecimento conseguido resulta das condições
do ar ambiente existente.
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Torre de arrefecimento
A água quente é bombeada para o sistema de distribuição de água, no topo da torre, sendo
distribuída através de pulverizadores.
Simultaneamente, o ar é forçado através das grelhas de entrada de ar, na base da torre de
arrefecimento e sobe através da superfície de enchimento, contraria- mente ao caudal de água.
A água é evaporada removendo o calor, sendo que a água arrefecida cai para a bacia da torre
e retorna à fonte que se pretende arrefecer.
Entretanto, o ar quente da mistura é forçado pelo ventilador para o topo da torre de
arrefecimento, sendo libertado para a atmosfera.
Na torre de arrefecimento existe uma evaporação contínua da água, facto que requer uma
reposição constante do volume de líquido no sistema.
A evaporação de água não incide sobre os sais que ela contém, ou seja, cloretos, sulfatos e
cálcio, que se mantêm presentes na água e são adicionados aqueles que são transportados
pela água de reposição. Este fenómeno provoca um aumento da salinidade, obrigando à
existência de um sistema de purga. Se tal não acontecer, aumenta a probabilidade de ocorrência
de processos de corrosão na torre de arrefecimento.
Manutenção higiénica das torres de arrefecimento
Durante as operações de manutenção, os técnicos devem utilizar equipamento de protecção
individual, nomeadamente máscaras de protecção, quando utilizam equipamento de limpeza a
alta pressão.
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O funcionamento da torre de arrefecimento deve ser descontínuo durante a limpeza a
realizar:
– No fim da época fria ou antes de longos períodos sem funcionar;
– No início da época quente ou depois de longos períodos sem funcionar;
– Pelo menos duas vezes por ano.
Deve ainda ser verificada:
– A qualidade da água utilizada;
– A medição regular do caudal da purga.
A adição de biocidas deve ser realizada de forma intermitente e não continuamente.
Os condensadores multitubulares constituem um dos tipos de condensadores mais utilizados.
O fluido refrigerante, ao entrar em contacto com a superfície do feixe tubular, no interior do qual
circula a água, arrefece e condensa.
Os condensadores evaporativos combinam as funções de condensador e de torre de
arrefecimento, ou seja, consistem numa torre de arrefecimento de água, com circulação
forçada, combinada com um condensador formado por uma serpentina de tubo liso.
Condensador evaporativo
A superfície do condensador é pulverizada com água, ao mesmo tempo que é percorrida por
uma corrente de ar ascendente. Através da corrente de ar, consegue-se a evaporação da água
retirando calor ao fluido refrigerante. A água depositada no tabuleiro é aspirada por uma bomba
que alimenta os pulverizadores. Existe uma válvula de bóia, que mantém o nível de água no
referido tabuleiro.
A capacidade de um condensador evaporativo depende da área da serpentina e da quantidade
de ar.
A desvantagem deste tipo de condensadores tem a ver com o facto de a sua eficiência ser
afectada pela humidade relativa do ar ambiente, logo, se o ar tiver uma elevada humidade
relativa, a evaporação da água pulverizada é dificultada e a quantidade de calor retirada ao
refrigerante diminui drasticamente.
Março/Julho 2015 - Hugo H. Araújo
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A utilização de condensadores evaporativos está associada a questões de espaço disponível e
a sua escolha está limitada à temperatura de bolbo húmido exterior. Devem ser consideradas
as condições mais desfavoráveis.
A utilização de condensadores a ar por convecção natural é reduzida, aplicando-se
essencialmente no sector doméstico, ou seja, apenas têm aplicação em sistemas de potências
reduzidas e onde se pretendam baixos custos de manutenção.
Para potências médias, os condensadores arrefecidos a ar com convecção forçada são mais
económicos que os arrefecidos a água.
Para potências elevadas, utilizam-se condensadores arrefecidos a água, devido ao facto de
possuírem um melhor coeficiente global de transmissão de calor.
Nota:
Os condensadores arrefecidos a ar devem estar afastados de zonas com ambientes corrosivos
ou com muita poeira. Nos condensadores arrefecidos a água, é importante verificar as
características e tratamento da mesma, nomeadamente nas torres de arrefecimento e
condensadores evaporativos.
Nos condensadores arrefecidos a ar, aconselha-se que o seu tubular se mantenha o mais
limpo possível para que a perda de carga do ar, ao atravessá-lo, não aumente
significativamente e diminua o seu caudal, provocando temperaturas de condensação
elevadas.
Nos condensadores arrefecidos a água, recomenda-se a realização de:
– Drenagem das lamas acumuladas;
– Limpeza do feixe tubular;
– Instalação de filtros de água.
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D. DISPOSITIVOS DE LAMINAGEM
Os dispositivos de laminagem são órgãos utilizados numa instalação frigorífica para
proporcionarem a perda de carga localizada, necessária para baixar a pressão de uma forma
rápida.
Existem três tipos básicos de dispositivos de laminagem:
– Dispositivos de expansão;
– Reguladores de níveis;
– Válvulas de pressão constante.
O nosso estudo vai incidir sobre os dispositivos de expansão, que têm as seguintes funções:
– Manter uma diferença de pressões entre os lados da alta pressão (condensador) e da baixa
(evaporador), para que o fluido refrigerante vaporize à pressão correspondente à temperatura
desejada;
– De acordo com as necessidades de vaporização, deve controlar a quantidade de fluido
refrigerante que alimenta o evaporador.
Os dispositivos de expansão classificam-se em:
– Tubos capilares;
– Válvulas expansoras;
– Válvulas de injecção termostática.
Vamos centralizar o nosso estudo, nos dois primeiros tipos.
Assim, e de acordo com a forma de accionamento, as válvulas expansoras podem dividir-se
em:
– Manuais;
– Termostáticas;
– Automáticas.
Tubo capilar
É o tipo de dispositivo de expansão mais simples, consistindo num tubo de pequeno diâmetro e
de grande comprimento, instalado entre a saída do condensador e a entrada do evaporador.
O diâmetro e o comprimento do tubo capilar são constantes, logo, o caudal de refrigerante é
sempre proporcional à diferença entre as pressões de condensação e de evaporação.
Partindo do pressuposto que o escoamento de qualquer fluido através de um tubo origina
perda de carga, a qual é tanto maior quanto maior for o comprimento do tubo e quanto menor
for o seu diâmetro. Assim, para um determinado caudal de fluido refrigerante, quanto maior for
Março/Julho 2015 - Hugo H. Araújo
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a diferença entre as pressões de condensação e de evaporação, maior será a perda de carga
provocada pelo tubo capilar.
Numa situação de perda de carga elevada, o evaporador não é devidamente alimentado,
originando uma acumulação de fluido refrigerante no condensador e, assim, provoca:
– Aumento da pressão de condensação;
– Diminuição da pressão de evaporação.
Os tubos capilares são normalmente utilizados em instalações frigoríficas comerciais de
pequena dimensão (frigoríficos domésticos, arcas congeladoras e instalações de ar
condicionado).
As instalações frigoríficas que utilizam tubo capilar não possuem depósito de líquido. Assim, é
extremamente importante que exista uma correcta carga de fluido refrigerante.
Válvulas expansoras manuais
As válvulas expansoras manuais são válvulas de agulha comandadas manual- mente, onde o
caudal de fluido refrigerante varia com:
– A maior ou menor abertura do orifício da válvula;
– A diferença de pressões entre o condensador e o evaporador.
As válvulas expansoras manuais apresentam as seguintes desvantagens:
– Devem ser sempre fechadas quando ocorra uma paragem do compressor;
– Não respondem a variações de carga, pelo que sempre que ocorra esta situação têm de ser
ajustadas manualmente, de forma a evitar a sobrealimentação ou subalimentação do
evaporador.
O uso deste tipo de válvulas está praticamente abandonado, sendo que, actualmente, são
utilizadas como controlo auxiliar do fluido refrigerante e/ou controlo de caudal de óleo
lubrificante proveniente do separador de óleo.
Válvulas expansoras termostáticas
As válvulas expansoras termostáticas mantêm um grau de sobreaquecimento constante à
saída
do
evaporador,
permitindo
que
este
esteja
constantemente
alimentado,
independentemente da carga existente no sistema.
O seu princípio de funcionamento baseia-se no equilíbrio existente entre três pressões:
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– Pressão de evaporação, que actua na face inferior do diafragma e tem tendência a fechar a
válvula (po);
– Pressão na mola, que actua na face inferior do diafragma e tem tendência a fechar a válvula
(ps);
– Pressão exercida pelo fluido existente no bolbo da válvula, que actua na face superior do
diafragma e tem tendência a abrir a válvula. Varia em função da temperatura em que se
encontra o referido fluido (pb).
Logo:
pb = po + ps
A pressão na parte superior do diafragma aumenta com a temperatura do bolbo e a pressão na
parte inferior do diafragma aumenta com a temperatura de evaporação, sendo que a válvula
abre à medida que o sobreaquecimento aumenta, uma vez que o seu bolbo está montado
imediatamente a seguir ao evaporador. A diferença de pressões correspondente ao
sobreaquecimento do fluido refrigerante produz uma força que provoca a abertura da válvula,
contrariando a acção da mola; logo, se a diferença de pressões é superior à força da mola, a
válvula abre.
A válvula é accionada pela diferença de temperatura do bolbo (tb) e a temperatura de
evaporação (to), onde:
Tb-to = ∆T
∆T – representa o sobreaquecimento estático da válvula, que se mantém praticamente
constante para toda a faixa de funcionamento da válvula.
Assim, podem ser obtidas as seguintes situações:
– Tb-to < ∆T a válvula fecha;
– Tb-to > ∆T a válvula abre;
– Tb-to = ∆T a válvula mantém-se em equilíbrio.
As válvulas expansoras termostáticas podem ser classificadas de acordo com os seguintes
critérios:
– Quanto à igualização de pressões;
– Quanto à carga termostática;
– Quanto ao orifício calibrado.
Vamos basear o nosso estudo no primeiro critério, que engloba:
– Válvulas com igualização interna de pressões;
– Válvulas com igualização externa de pressões.
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Válvulas com igualização interna de pressões
A abertura das válvulas com igualização interna de pressões depende da:
– Pressão à saída da válvula (po), que actua na face inferior do diafragma e que corresponde à
temperatura de evaporação (temperatura no início do evaporador);
– Pressão da mola (ps), que actua na face inferior do diafragma e que pode ser ajustada
manualmente;
– Pressão no bolbo da válvula e no tubo capilar (pb), que actua na face superior do diafragma
e que é determinada pela temperatura do bolbo.
Válvula expansora termostática com igualização interna de pressões
Válvulas com igualização externa de pressões
A abertura das válvulas expansoras termostáticas com igualização externa de pressões é
controlada por:
– Pressão à saída do evaporador (po-∆p), que actua na face inferior do diafragma e que
corresponde à temperatura de evaporação menos a perda de carga no evaporador
(temperatura no fim do evaporador);
– Pressão da mola (ps), que actua na face inferior do diafragma e que pode ser ajustada
manualmente;
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– Pressão no bolbo da válvula e no tubo capilar (pb), que actua na face superior do diafragma e
que é determinada pela temperatura do bolbo.
Nota:
Devido ao facto desta válvula ser actuada pela pressão à saída do evaporador, a quantidade
de líquido introduzida no evaporador é maior, bem como a sua capacidade, pois para
sobreaquecer o vapor, utiliza-se uma menor superfície do evaporador.
Concluindo, estas válvulas são indicadas para alimentarem evaporadores com elevadas perdas
de carga, pois permitem anular as mesmas na alimentação do evaporador.
Atenção à ligação do tubo externo, pois caso não exista, não é possível obter um correcto
funcionamento da válvula.
Válvula expansora termostática com igualização externa de pressões
Montagem de válvulas expansoras termostáticas
A montagem de válvulas expansoras termostáticas requer cuidados especiais, nomeadamente
no que diz respeito ao bolbo e tubo externo.
Os principais cuidados de montagem são:
– Verificar se existe um contacto térmico entre o bolbo e a linha de aspiração do compressor;
– O tubo externo deve estar ligado na posição correspondente às 12 horas, de modo a evitar a
entrada de fluido refrigerante no estado líquido ou óleo lubrificante na válvula expansora;
– Verificar se a válvula está correctamente dimensionada;
– O bolbo da válvula deve estar isolado relativamente à temperatura ambiente;
– Nas válvulas com igualização externa de pressões, o tubo externo deve estar ligado depois
do bolbo.
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Válvulas expansoras automáticas
As válvulas expansoras automáticas caracterizam-se por manterem a pressão constante no
evaporador. Para tal, é necessária uma acção simultânea de duas forças opostas: a pressão no
evaporador e a pressão na mola.
A pressão da mola actua na parte superior do diafragma e provoca a abertura da válvula,
enquanto a pressão de evaporação actua no lado oposto do diafragma e tem tendência a
fechar a válvula. Quando a pressão de evaporação diminui, a válvula abre. A válvula tem um
parafuso de regulação, que intervém na variação de pressão de fecho ou abertura da válvula.
Este tipo de válvula tem a vantagem de fechar completamente o circuito quando o compressor
pára e permanecer nesta posição até que o compressor arranque novamente.
As válvulas expansoras automáticas apresentam as seguintes desvantagens:
– Só podem ser utilizadas em instalações com um único evaporador, não sendo possível a
utilização de um pressóstato de baixa pressão;
– Para cargas térmicas elevadas, provocam um baixo rendimento no evaporador, pois ao
diminuírem o caudal de fluido refrigerante provocam a existência de uma maior quantidade de
vapor no evaporador;
– Não permitem a utilização do elevado rendimento do compressor com pressões elevadas
que, normalmente, existe se o evaporador for completamente utilizado, uma vez que têm de ser
reguladas para a temperatura correspondente à câmara de menor temperatura ambiente,
funcionando nestes casos como limitadora de pressão.
As válvulas expansoras automáticas são utilizadas em tiragens de cerveja e tinas de
refrigeração, ou seja, com reduzidas variações de carga.
Válvula expansora automática
Para além dos principais componentes que compõem o circuito frigorífico (compressor,
condensador, evaporador e válvula de expansão) e que foram descritos anteriormente, vamos
Março/Julho 2015 - Hugo H. Araújo
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seguidamente descrever a aplicação dos diversos dispositivos de regulação e controlo, tais
como:
– Pressóstatos de baixa e alta pressão, bem como os de óleo;
– Termóstatos;
– Separador, depósito e visor de líquido;
– Manómetros e termómetros (de aspiração e descarga do compressor);
– Válvulas de solenóide;
– Filtro secador;
– Permutadores de líquido-vapor.
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PARTE III
DISPOSITIVOS DO CIRCUITO FRIGORÍFICO
Os dispositivos mecânicos, electromecânicos e electrónicos, pela sua importância e função,
são fundamentais ou complementares num circuito frigorífico.
Dispositivos de regulação e controlo
A. DISPOSITIVOS DE REGULAÇÃO E CONTROLO
Princípio de funcionamento
Após instalação dos principais componentes numa instalação frigorífica, é necessário instalar
os dispositivos de regulação e controlo, de forma que sejam reguladas e controladas as
seguintes situações:
– Disponibilizar um determinado espaço à temperatura pré-seleccionada, qualquer
que seja a temperatura ambiental envolvente;
– Efectuar as paragens e arranques do compressor, em função das temperaturas dos espaços
a refrigerar e do ambiente exterior que os envolve;
– Manter as pressões de funcionamento das linhas dentro dos parâmetros normais;
– Manter a higrometria do interior de uma câmara dentro dos parâmetros exigidos para a
melhor conservação dos produtos;
– Desencadear o arranque automático, em caso de falta ou reposição da energia eléctrica.
Regulação e controlo da temperatura e humidade relativa
As funções de regulação e controlo da temperatura e da humidade relativa são da
responsabilidade do termóstato e do humidostato, respectivamente.
Em instalações de pequena capacidade, controlada apenas por termóstato, a pressão e
temperaturas de exercício podem ser controladas pelo ajuste da válvula de expansão. O
termóstato é um dispositivo que detecta variações de temperatura e as transforma em sinais
eléctricos, funcionando como interruptor eléctrico que abre ou fecha um circuito quando a
temperatura do fluido que controla atinge o valor de regulação estabelecido como set-point.
Março/Julho 2015 - Hugo H. Araújo
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O intervalo entre os dois pontos distintos, de ligação e corte da alimentação eléctrica,
denomina-se diferencial. Na maioria dos termóstatos (mecânicos ou digitais) este diferencial é
fixo (2 a 5°C).
Regulação e controlo das pressões de serviço
Nas instalações de média e grande capacidade, onde é exigido um controlo rigoroso de
temperaturas, nomeadamente nas câmaras frigoríficas, o funcionamento, regulação e controlo
do funcionamento é efectuado pelo sistema combinado: termóstato, válvula de solenóide e
pressóstato. Assim, ao atingir a temperatura mínima de serviço, o bolbo da válvula de
expansão termostática dá informações para que a válvula feche. Entretanto, o termóstato
“fecha o circuito” de alimentação eléctrica e a válvula de solenóide corta a alimentação de
fluido líquido refrigerante à válvula de expansão termostática.
O compressor continua a trabalhar e o fluido refrigerante gasoso, entretanto evaporado no
interior do evaporador, vai escasseando e, consequentemente, provoca a diminuição da
pressão. Assim sendo, é atingida a pressão mínima e deve-se proceder à regulação do
pressóstato para esta pressão, pois é o set-point que “corta” o circuito de alimentação eléctrica
ao compressor e provoca a sua paragem. Entretanto, no interior do espaço a refrigerar, a
temperatura inverte o sentido, começando a subir e o bolbo da válvula de expansão dá
informações para que a válvula abra. Entra algum fluido refrigerante líquido no evaporador,
mas em quantidade insuficiente para fazer baixar a temperatura e pressão.
À medida que a temperatura vai aumentando, aumenta também a pressão do fluido
refrigerante no interior do evaporador até que, na temperatura máxima, o termóstato fecha o
circuito de alimentação à válvula de solenóide, que abre, deixando passar o líquido refrigerante
para a válvula de expansão e consequente- mente para o interior do evaporador. Rapidamente,
o líquido refrigerante entra em ebulição e a pressão aumenta, atingindo-se o limite de pressão
máxima admissível.
Os contactos do pressóstato fecham-se, restabelecendo-se a alimentação eléctrica do
compressor, que reinicia a sua função recolocando a tempera- tura e a pressão nos valores
mínimos pretendidos.
Controlo combinado termóstato, válvula eléctrica e préssostato
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Termóstatos
Os termóstatos são dispositivos que detectam variações de temperatura e as transformam em
sinais eléctricos, funcionando como interruptores eléctricos que abrem ou fecham um circuito,
quando a temperatura do fluido que controlam atinge o respectivo valor de regulação
estabelecido, denominado set-point. São normalmente utilizados para actuarem outros órgãos
do sistema, nomeadamente compressores, válvulas solenóide, etc..
Termóstatos para arrefecimento
Os contactos fecham quando se atinge a maior temperatura, denominado set-point e abrem
quando se atinge a menor temperatura, denominada “temperatura de paragem”.
Ou seja,
Temperatura de paragem = temperatura de regulação - diferencial
Termóstatos para aquecimento
Os contactos fecham quando se atinge a menor temperatura, denominado set-point, abrindo
quando se atinge a maior temperatura, denominada “temperatura de paragem”.
Ou seja,
Temperatura de paragem = temperatura de regulação + diferencial
Existem essencialmente termóstatos de bimetal e de bolbo.
No primeiro caso, o elemento sensor é constituído por duas lâminas fundidas, de metais
diferentes e com coeficientes de dilatação diferentes. O seu princípio de funcionamento baseiase no contacto com a temperatura, que irá provocar uma variação de dimensão nas lâminas
metálicas. São normalmente utilizados como termóstatos de ambiente, em câmaras frigoríficas.
O elemento sensor deve estar em contacto com o ar ambiente a controlar, afastado de portas
para não ser influenciado pelas correntes de ar e nunca em contacto directo com as paredes,
para não ser influenciado pelas suas temperaturas.
Os termóstatos cujo elemento sensor seja constituído por um bolbo, contêm no seu interior um
fluido com elevado coeficiente de dilatação (mistura saturada líquido/vapor, gás ou líquido) que
na presença de uma variação de temperatura, no fluido existente no interior do bolbo, origina
variações de pressão no fluido, que são transmitidas ao fole, através de um tubo capilar. Este
tipo de termóstato é normalmente utilizado quando o meio a controlar é um líquido ou um gás,
sendo igualmente utilizados em funções de protecção, como limitadores de temperatura.
Pressóstatos
São dispositivos que detectam variações de pressão e as transformam em sinais eléctricos,
funcionando como interruptores eléctricos que abrem ou fecham um circuito, quando a pressão
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do fluido que controlam variam relativamente ao valor de regulação pré-estabelecido,
denominado set-point. São normalmente utilizados para actuarem com outros órgãos do
sistema, nomeadamente com- pressores, válvulas, etc..
Os pressóstatos são classificados quanto ao nível da pressão de funcionamento e quanto às
funções desempenhadas.
Quanto ao nível da pressão de funcionamento, podem ser:
– Pressóstatos de baixa pressão;
– Pressóstatos de alta pressão;
– Pressóstatos duplos;
– Pressóstatos diferenciais.
Pressóstatos de baixa pressão
Estão ligados à aspiração do compressor, sendo que quando a pressão de aspiração diminui,
atingindo um determinado valor mínimo (pressão de paragem), o pressóstato provoca a
paragem do compressor. Quando a pressão de aspiração aumenta, até ao valor da pressão de
arranque, o pressóstato provoca o arranque do compressor.
Ou seja:
Pressão de arranque = pressão de paragem + diferencial
Normalmente, os pressóstatos de baixa pressão são de rearme automático e aplicam-se:
– Para proteger o compressor de avarias externas ao circuito frigorífico, tais como:
obstrução do evaporador com gelo, paragem acidental de ventiladores, etc.;
– No controlo de funcionamento do compressor, em função da pressão de evaporação, em
instalações frigoríficas onde, na linha de líquido, exista uma válvula solenóide actuada por um
termóstato (após o fecho da válvula solenóide, o compressor só pára após o fluido refrigerante
ter sido retirado do evaporador).
Pressóstatos de alta pressão
Estão ligados à descarga do compressor, sendo que quando a pressão de descarga aumenta e
se atinge um determinado valor máximo (pressão de paragem), o pressóstato provoca a
paragem do compressor. Quando a pressão de descarga diminui, até ao valor da pressão de
arranque, o pressóstato provoca o arranque do compressor.
Ou seja:
Pressão de arranque = pressão de arranque + diferencial
Pressóstatos duplos (também denominados por combinados)
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Resultam da combinação, numa única unidade, dos pressóstatos de alta e baixa pressões,
assegurando simultaneamente a protecção contra pressões demasiadamente elevadas ou
demasiadamente baixas.
Ou seja:
(Baixa pressão)
Pressão de arranque = pressão de paragem + diferencial
(Alta pressão)
Pressão de arranque = pressão de arranque + diferencial
Pressóstatos diferenciais
São normalmente utilizados como dispositivos de segurança e equipados com rearme manual.
Actuam em função de uma diferença de pressão entre dois pontos do sistema e podem estar
associados a temporizadores. Estes têm como função estabelecer um intervalo de tempo
(ajustável) entre a actuação do pressóstato e a paragem do compressor. O ajuste do set-point,
ou seja, do valor desejado, não está acessível do exterior, evitando-se assim eventuais
imprudências.
A sua aplicação mais generalizada é na protecção do compressor, com lubrificação forçada
contra uma eventual diminuição da pressão de lubrificação, sendo por isso também
denominados pressóstatos de óleo.
Relativamente às funções desempenhadas, os pressóstatos podem ser:
– Pressóstatos de controlo;
– Pressóstatos de segurança.
Os pressóstatos de controlo actuam na variação da capacidade dos compressores e na
regulação da pressão de condensação (condensadores arrefecidos a ar). Destinam-se a
proporcionar um controlo modulante.
Regulação de um pressóstato
Na regulação de um pressóstato é necessário definir:
– A pressão de funcionamento, denominada set-point;
– O diferencial (diferença de pressões a que os contactos eléctrico devem ligar ou desligar);
– A combinação da pressão de funcionamento/diferencial, que é utilizada de forma diferente
por cada fabricante;
– O valor do diferencial, que, normalmente, nos pressóstatos de rearme manual, não é
regulável;
– O pressóstato seleccionado que varia em função do tipo de fluido refrigerante, da pressão de
funcionamento (pressão a controlar) e do diferencial admissível.
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B. INDICADORES OU VISORES DE LÍQUIDO E ÓLEO
Os indicadores ou visores de líquido e óleo são dispositivos que se utilizam nos circuitos
frigoríficos para:
– Fornecer o teor da humidade relativa;
– Indicar o estado do fluido refrigerante no interior da tubagem;
– Fornecer a indicação do retorno de óleo ao compressor a partir do separador
de óleo.
Os indicadores/visores de líquido são normalmente instalados na linha de líquido, depois do
filtro secador. São compostos por uma pastilha impregnada com um sal químico que permite a
verificação do estado do fluido refrigerante. Se a pastilha se mantiver verde, significa que o teor
de humidade é baixo. No entanto, se por acaso se encontrar amarela, significa que existe
excesso de humidade na instalação e o filtro deve ser trocado.
Antes de se seleccionar um visor com indicador de humidade, deve-se ter em consideração:
– O tipo de fluido refrigerante;
– A solubilidade da água no fluido refrigerante.
Deve-se ter em consideração que o óleo sintético para fluidos refrigerantes HFC (hidrogénio,
flúor e carbono) reage com a água segundo uma reacção de hidrólise, originando ácido e
álcool. O indicador de líquido pode dar outras indicações sobre o estado da instalação,
nomeadamente:
– Se a instalação frigorífica tem, ou não, carga suficiente de fluido refrigerante.
Caso não exista em quantidade suficiente, aparecem bolhas de vapor mistura- das com fluido
refrigerante líquido;
– O aparecimento de bolhas de vapor pode indicar uma perda de carga excessiva ou um
subarrefecimento insuficiente no condensador e não necessariamente a falta de fluido
refrigerante. Para tal, quando a linha de líquido tem um comprimento elevado, normalmente
instala-se um visor junto da zona terminal da tubagem.
Nota:
Os compressores herméticos são pouco tolerantes à quantidade de humidade contida no fluido
refrigerante, ao contrário dos compressores semi-herméticos.
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C. FILTROS
Os filtros existentes no circuito frigorífico são classificados:
– Sem elemento secador;
– Com elemento secador.
Os filtros sem elemento secador destinam-se a eliminar partículas estranhas existentes no
interior do circuito frigorífico, resultado da deterioração de componentes ou do próprio óleo
lubrificação. Devem ser colocados nos pontos mais sensíveis da instalação (antes dos
dispositivos de expansão e junto à aspiração do compressor).
Os filtros com elemento secador consistem num recipiente cheio com uma substância
higroscópica, que absorve a humidade existente e retém pequenas partículas sólidas que
possam existir no fluido refrigerante.
Este tipo de filtro possui normalmente um diâmetro elevado relativamente ao diâmetro da
conduta onde estão instalados (diminuição da velocidade de escoamento do refrigerante, com
o consequente aumento da capacidade de secagem e diminuição da perda de carga).
Os filtros devem possuir as seguintes características:
– Fácil substituição durante as operações de manutenção;
– Boa resistência ao choque e vibrações.
Filtros
Contaminantes
Normalmente, os contaminantes eliminados através do filtro secador são:
– Humidades;
– Ácidos;
– Hidrocarbonetos;
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– Produtos resultantes da decomposição do óleo;
– Materiais insolúveis, tais como: partículas metálicas, óxidos de cobre, etc..
A humidade constitui o principal contaminante de uma instalação, podendo a sua presença
causar graves inconvenientes no seu funcionamento. Esta pode ser consequência de:
– Defeituosa secagem do sistema após trabalhos de montagem;
– Oxigenação de certos hidrocarbonetos contidos no óleo lubrificante;
– Entradas de ar húmido no sistema;
– Humidade contida no refrigerante ou no lubrificante. A humidade numa instalação pode
provocar:
– Formação de gelo nas válvulas expansoras ou nos evaporadores;
– Corrosão de metais;
– Erosão do cobre por galvanoplastia;
– Ataque químico a diversos materiais.
Podem existir outros tipos de contaminantes, tais como:
– Partículas metálicas e sujidades;
– Matérias orgânicas;
– Resíduos de dissolventes;
– Agentes anticongelantes;
– Gases não condensáveis.
As partículas metálicas e sujidades podem surgir no sistema como resultado de operações de
montagem e/ou manutenção, mas também podem ser resultado do seu normal funcionamento.
Podem originar:
– Obstrução da válvula de expansão e dos orifícios de lubrificação do com- pressor;
– Obstrução das válvulas de admissão e de descarga do compressor, reduzindo assim o seu
rendimento.
As matérias orgânicas podem resultar da decomposição do óleo lubrificante, isolamentos,
juntas, etc.. Geralmente, são solúveis na mistura refrigerante/ lubrificante, pelo que, ao
circularem no sistema, podem obstruir os orifícios existentes.
Os resíduos de dissolventes são normalmente resultantes de líquidos utilizados na limpeza de
componentes do sistema, os quais podem reagir quimicamente com o óleo lubrificante.
Os agentes anticongelantes, especialmente o álcool metílico, podem adicionar-se ao sistema,
actuando como co-solventes de pequenas quantidades de humidade presentes, de forma a
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evitar a formação de gelo nas válvulas de expansão; contudo, podem-se transformar em
contaminantes.
Os gases não condensáveis são resultado de:
– Vácuo imperfeito;
– Reacções químicas originadas no interior do sistema e durante o seu funcionamento;
– Entradas de ar no sistema.
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D. VÁLVULAS ELÉCTRICAS OU DE SOLENÓIDE
São válvulas herméticas e estanques, servo accionadas, de accionamento directo tipo “tudo ou
nada”. Estas válvulas abrem ou fecham, completamente, ao receberem um sinal eléctrico
(termóstato, higróstato ou pressóstato), ou seja, estabelecem ou interrompem o escoamento de
fluido refrigerante.
Válvulas eléctricas ou de solenóide
As válvulas de solenóide permitem que uma unidade funcione para dois ou mais
evaporadores
a temperaturas diferentes,
assim
como um
controlo adequado
das
temperaturas desejadas, aumentando a sua eficiência, com menor consumo de energia. Por
outro lado, evita a entrada de fluido refrigerante no evaporador, aquando da paragem do
compressor, após ter atingido a temperatura desejada.
Normalmente, as válvulas estão instaladas nas linhas de líquido, possibilitando a diminuição
progressiva da pressão de evaporação pump down, até que os dispositivos de segurança
(protecção) parem o compressor. Assim, no arranque seguinte, o evaporador não estará
inundado e, consequentemente, não existirá o perigo de entrada de fluido refrigerante líquido
no compressor.
O seu corpo é em latão, com passagem directa ou angular, do tipo normalmente fechado ou
normalmente aberto. As válvulas possuem uma bobina, com núcleo móvel, em ferro (armadura
ou êmbolo), montada no respectivo corpo. A alimentação da bobina cria um campo magnético
que, actuando sobre o núcleo móvel, produz a força necessária para actuar a válvula. As
tensões de alimentação das bobines são normalmente 230 V com corrente alterna, mas
também são possíveis outras tensões em corrente contínua.
As válvulas eléctricas podem ser de união de roscar SAE ou do tipo de soldar. Durante a
utilização de fluidos refrigerantes CFC (carbono, flúor e cloro), eram mais utilizadas as do tipo
de rosca. No entanto, as válvulas soldadas vêm ganhando aplicabilidade com a utilização dos
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fluidos refrigerantes isentos de CFC. No entanto, devem ser tomadas medidas preventivas
aquando da sua soldadura, nomeadamente em relação à bobine.
As boas práticas recomendam a sua instalação após o filtro de líquido, de forma a evitar a
entrada de corpos estranhos que possam condicionar o desempenho da válvula solenóide.
As válvulas podem funcionar na posição vertical ou horizontal, com a bobine virada para cima
ou para os lados, mas nunca virada para baixo. Deve ser sempre respeitado o sentido de
escoamento do fluido refrigerante recomendado pelo fabricante.
As avarias mais comuns, neste tipo de válvulas, são:
– Bobine eléctrica queimada devido a:
• Voltagem excessiva, baixa voltagem ou enrolamento impróprio;
• Diafragma furado (fugas de fluido refrigerante);
• Caixa protectora mal apertada ou junta de vedação deteriorada;
– Válvula com fugas por efeitos de:
• Impurezas alojadas na sede da válvula;
• Válvula montada incorrectamente.
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E. PERMUTADORES DE CALOR
O permutador de calor permite estabelecer o contacto térmico (escoamento em contracorrente) entre os vapores “frios” provenientes do evaporador e o líquido saturado proveniente
do condensador, dando-se o subarrefecimento do líquido e o sobreaquecimento do vapor.
Permutador de calor
Os objectivos principais do permutador de calor são:
– Subarrefecer o fluido refrigerante líquido, proveniente do condensador, à custa do fluido
refrigerante na fase de vapor, proveniente do evaporador, antes de ser aspirado pelo
compressor;
– Sobreaquecer o fluido refrigerante na linha de aspiração (maior protecção do compressor
contra golpes de líquido e reduz a formação de condensados ou gelo na linha de aspiração, em
caso de ausência de isolamento);
– Subarrefecer o fluido refrigerante, o que evita a possibilidade da sua vaporização parcial ao
longo da linha de líquido (redução da capacidade da válvula expansora);
– Aumentar a capacidade do evaporador.
Os permutadores são constituídos por dois tubos concêntricos onde os dois fluidos
refrigerantes, em contacto térmico, se escoam em contracorrente, de modo a obter-se a
máxima transferência de calor, com o mínimo da perda de carga.
Nota:
Quanto mais baixa for a temperatura de evaporação e mais alta for a tempera- tura de
condensação, maior é a transferência (permuta) possível de calor. Além disso, o calor
específico do vapor é menor que o calor especifico do líquido, sendo que o aumento da
temperatura do vapor (sobreaquecimento) é superior à diminuição da temperatura do líquido.
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F. SEPARADORES DE ÓLEO
É um componente utilizado nas instalações de média capacidade. Consiste num dispositivo
mecânico que permite separar o óleo lubrificante que é arrastado pelo fluido refrigerante após a
compressão, fazendo-o regressar ao compressor. Deve ser instalado entre o compressor e o
condensador.
Separadores de óleo
Os separadores de óleo são constituídos por um cilindro com um filtro em lã de aço, cujo
diâmetro é calculado de modo a que a velocidade do fluido refrigerante, através do separador,
não ultrapasse 1 m/s, sendo normais valores da ordem de 0,5 m/s. Possui um terminal para
devolver o excesso de óleo ao compressor, sendo o seu retorno controlado por uma válvula de
flutuador.
O seu dimensionamento é função da potência frigorífica da instalação e do fluido refrigerante
utilizado. A aplicação de um separador de óleo num circuito é importante porque aumenta a
eficácia do sistema, sem reduzir a lubrificação do sistema.
O separador de óleo assegura o retorno do óleo ao cárter do compressor, protege-o contra
golpes de líquido e prolonga a sua vida útil. Este componente reduz o ruído e vibrações no lado
da alta pressão do circuito frigorífico.
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G. DEPÓSITOS DE LÍQUIDO
O depósito de líquido situa-se a jusante do condensador e antes da válvula expansora, tendo
como principais funções:
– Acumular o fluido refrigerante em excesso quando a instalação funciona em regimes de
carga variável;
– Manter um selo de líquido, após o condensador, de modo a impedir a chegada
de fluido refrigerante gasoso aos dispositivos de expansão;
– Recolher a carga de fluido refrigerante sempre que se preveja uma paragem prolongada da
instalação ou seja necessário efectuar trabalhos de reparação;
– Permitir que o condensador funcione com a máxima superfície efectiva de permuta de calor,
após recolha do fluido refrigerante líquido.
Os depósitos de líquido devem ser dimensionados de modo a que, em 80% do seu volume,
possa receber a carga de refrigerante líquido do sistema (deve existir sempre uma almofada de
vapor para atenuar os esforços hidrostáticos resultantes da variação de volume do refrigerante
com a temperatura). Os depósitos de líquido devem ser instalados, sempre que sejam
previsíveis acentuadas variações de carga térmica e se utilizem condensadores arrefecidos por
ar.
Depósito de líquido
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H. SEPARADORES DE LÍQUIDO
Um separador de líquido é um reservatório instalado na tubagem de aspiração do compressor,
no qual se verifica a separação de partículas de fluido refrigerante no estado líquido, que
possam existir em suspensão no fluido refrigerante que se encontra no estado de vapor e
proveniente do evaporador. A separação é feita por diminuição brusca da velocidade do fluido
refrigerante, permitindo, através da gravidade, depositar as partículas de fluido refrigerante
líquido e, consequentemente, separá-las do restante fluido refrigerante que se encontra no
estado gasoso.
A sua principal função é evitar a admissão de fluido refrigerante líquido ao compressor.
Quando exista uma bomba de circulação forçada de fluido refrigerante, o separador de líquido
pode desempenhar as funções de depósito de líquido.
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I.
VÁLVULA DE SEGURANÇA
As válvulas de segurança abrem automaticamente (sem intervenção exterior) quando a
pressão a montante ultrapassa o valor para o qual estão reguladas (pressão de abertura) e
fecham, também automaticamente, logo que a referida pressão desça de um determinado
valor, o qual é, em regra, 95 a 97% da pressão de abertura. São constituídas por um obturador
que é mantido contra a sede por acção de uma mola, com porca de regulação, através da qual
é possível ajustar a pressão de abertura. São instaladas nas linhas de alta e baixa pressão,
sendo que a sua principal diferença reside nos perfis dos obturadores e das sedes.
Normalmente, existe uma válvula de segurança no depósito de líquido ou no condensador, se
este for arrefecido a água.
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J. VÁLVULAS DE RETENÇÃO
As válvulas de retenção apenas permitem o escoamento do fluido refrigerante num único
sentido, ou seja, caso exista tendência para a inversão do sentido de escoamento, a diferença
de pressões resultante origina o seu fecho automático.
O sistema de fecho é constituído por:
– Obturador que é mantido afastado da sede (no caso de válvula aberta) por acção da pressão
do fluido em escoamento sobre a sua face inferior;
– Mola que tem tendência a manter a válvula fechada. Para se obterem baixas perdas de
carga, a tensão da mola deve ser reduzida.
Estas válvulas podem ser instaladas em qualquer posição e em qualquer local do circuito
frigorífico, onde se pretenda que o escoamento do fluido se efectue num único sentido.
Em instalações em que existam diferentes temperaturas de evaporação, é indispensável a
montagem de válvulas de retenção, que em condições de variações de carga, impedem a
passagem de refrigerante dos evaporadores com temperaturas mais elevadas para os
evaporadores com temperaturas mais baixas.
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K. LINHAS DE REFRIGERANTE
Numa instalação frigorífica, as linhas de refrigerante devem ser projectadas para
desempenharem as seguintes funções:
– Assegurar uma correcta alimentação de fluido refrigerante líquido aos evaporadores;
– Permitir o escoamento do fluido refrigerante sem perdas de carga excessivas;
– Evitar a acumulação de óleo em zonas baixas;
– Evitar que o óleo que sai do compressor fique retido na instalação;
– Evitar a entrada de fluido refrigerante líquido no compressor, tanto quando em funcionamento
como quando parado;
– Permitir que os circuitos se mantenham limpos e isentos de humidade.
Relativamente ao seu traçado, as linhas de refrigerante devem estar:
– Dispostas de forma a que não prejudiquem outras instalações nem dificultem o acesso a
outros órgãos ou dispositivos, nomeadamente os de medida ou de controlo;
– Protegidas contra choques e isoladas, nomeadamente as tubagens de diâmetro reduzido.
Nos locais de passagem frequente, as tubagens devem ser protegidas por dispositivos
adequados ou colocados a uma altura superior a 2,5 m;
– Visíveis, não devendo ser colocadas no interior de alvenarias em betão.
As variações de temperatura provocam a contracção ou dilatação das tubagens. Assim, devem
ser suficientemente maleáveis para que possam absorver essas variações de comprimento
sem tensões anormais, tanto nos suportes, como nos diversos equipamentos. Se o
amortecimento destas deformações não for previsto, corre-se o risco de fugas, tanto através
das soldaduras como de juntas.
Relativamente ao isolamento, as tubagens de aspiração são quase sempre isola- das,
enquanto as de descarga normalmente não o são, a não ser que haja o risco de queimaduras.
As tubagens de líquido só são isoladas se passarem por locais com temperaturas superiores à
temperatura de condensação.
Em termos económicos, o interesse é a utilização de tubagens de diâmetro tão pequeno
quanto possível, no entanto tubagens de diâmetros demasiadamente pequenos provocam
perdas de carga elevadas.
Uma perda de carga demasiadamente elevada na tubagem de descarga provoca um aumento
da potência absorvida e uma ligeira diminuição da potência frigorífica. Na tubagem de
aspiração temos o mesmo efeito, mas a redução da potência frigorífica é mais sensível. Na
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tubagem de líquido pode existir uma vaporização parcial de líquido, que pode originar
problemas no funcionamento da válvula de expansão.
Para um correcto dimensionamento de tubagens, é necessário ter em consideração
que a velocidade do fluido refrigerante não deve ser demasiadamente baixa, de forma a
garantir o retorno de óleo ao compressor. De uma forma geral, a velocidade do fluido
refrigerante nas tubagens de descarga deve situar-se entre os 9 e os 10 m/s e nunca deve ser
inferior a 4,5 m/s. Nas tubagens de aspiração horizontais a velocidade mínima deve ser de 4
m/s e nas verticais de 8,5 a 15 m/s.
a) Tubagens de Líquidos
As tubagens de líquido devem cumprir os seguintes requisitos:
– O líquido não deve vaporizar;
– As tubagens, válvulas e restantes acessórios devem ser dimensionados de forma que a
perda de carga seja a mínima possível.
A vaporização parcial do líquido nas tubagens pode acontecer devido a elevação ou diminuição
da temperatura.
As consequências da vaporização parcial do líquido são:
– Dificuldade na alimentação dos evaporadores, que pode provocar um funcionamento instável;
– Redução da capacidade da válvula de expansão e, por consequência, a subalimentação dos
evaporadores;
– A vaporização aumenta a velocidade de escoamento e, consequentemente, a perda de
carga.
b) Tubagens de Aspiração
Nas tubagens de aspiração, interessa considerar os seguintes aspectos:
– Evitar o arrastamento de óleo para os evaporadores fora de serviço;
– Evitar o arrastamento de fluido refrigerante líquido para os compressores que estejam
parados;
– Limitar as perdas de carga.
É praticamente impossível evitar que algum óleo seja arrastado do compressor para o
condensador, onde se dissolve na fase líquida do fluido refrigerante. Este óleo chega ao
evaporador, onde se dá uma verdadeira “destilação”, separando-se do fluido refrigerante. O
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óleo só regressa ao compressor por gravidade ou por arrastamento através das tubagens de
aspiração.
c) Tubagens de Descarga
Os cálculos e concepção das tubagens de descarga são idênticos aos das tubagens de
aspiração, constituindo uma zona menos crítica, porque intervêm menos directamente na
produção frigorífica e, geralmente, são mais curtas.
Para a concepção de tubagens de descarga, deve-se ter em atenção que:
– Deve ser assegurada a circulação do óleo;
– Não devem existir condensações e o líquido formado no condensador não pode inverter o
sentido do escoamento;
– Não devem produzir vibrações nem ruídos anormais;
– As dimensões das tubagens devem limitar a perda de carga a um valor mínimo.
Nas tubagens verticais de descarga podem-se aplicar as mesmas considerações que nas
tubagens de aspiração, de modo a permitirem que o escoamento do óleo seja sempre na
direcção do condensador, dentro dos limites das perdas de carga aceitáveis.
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PARTE IV
SISTEMAS COM BOMBA DE CALOR
O aquecimento ou o arrefecimento de um escoamento de ar pode ser obtido através do
contacto deste com a superfície de baterias, no interior das quais circula um fluido refrigerante.
Os principais elementos que compõem o ciclo frigorífico são o evaporador, o compressor, o
condensador e uma válvula de expansão.
O compressor é quase sempre accionado por um motor eléctrico, no entanto surgiram no
mercado sistemas com compressão mecânica accionada por motor a gás.
Para realizar alternadamente os processos de arrefecimento e de aquecimento no mesmo
sistema, é necessária a existência de uma válvula de inversão do circuito do fluido refrigerante
(ver figuras exemplificativas).
Válvula inversora de ciclo ou de quatro vias
O processo de arrefecimento é normalmente acompanhado por um processo de
desumidificação, devido ao facto da temperatura da superfície da bateria ser inferior à do ponto
de condensação do ar à entrada desta. O princípio de funcionamento deste sistema consiste
em controlar a temperatura de uma determinada zona. O calor retirado ao escoamento de ar
depende do calor sensível da carga térmica que é necessário remover ao local em questão.
No processo de desumidificação, o calor retirado no evaporador engloba uma parcela não
controlada de remoção de carga térmica latente no local e também a componente sensível. O
fluxo energético, juntamente com a potência associada ao trabalho do compressor, é libertado
no condensador, que pode ser arrefecido a ar ou a água.
No processo de aquecimento, obtido através da inversão do ciclo frigorífico, em que a mesma
unidade interior passa a desempenhar as funções de condensador.
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A instalação, quando funciona em processo de aquecimento, denomina-se bomba de
calor, em que o calor trocado no evaporador e a energia associada ao trabalho do compressor
são enviados para a unidade interior para elevar a temperatura do escoamento de ar, de modo
a que este remova o calor sensível da carga térmica, do local onde é insuflado.
Seguidamente, apresenta-se a válvula de quatro vias incorporada no processo de aquecimento
e de arrefecimento.
Instalação com bomba de calor a funcionar em ciclo de aquecimento
Instalação a funcionar em ciclo de arrefecimento
O princípio de funcionamento de uma bomba de calor é igual ao de uma máquina frigorífica. A
diferença está nos objectivos a alcançar, nomeadamente:
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– A máquina frigorífica mantém um determinado espaço a uma temperatura inferior à
temperatura ambiente, absorvendo calor continuamente desse local;
– A bomba de calor mantém um determinado espaço a uma temperatura superior à
temperatura ambiente, fornecendo calor continuamente a esse local.
A maior parte das bombas de calor possuem uma válvula de comutação reversível que permite
inverter o sentido do caudal do fluido refrigerante, podendo funcionar em dois ciclos:
– Ciclo de aquecimento como bomba de calor;
– Ciclo de arrefecimento como máquina frigorífica, onde o evaporador do ciclo de aquecimento
passa a evaporador no ciclo de arrefecimento.
A máxima utilização de uma bomba de calor é conseguida quando são utilizados
simultaneamente os efeitos de aquecimento e arrefecimento (produção combinada),
constituindo um sistema interessante no que diz respeito à economia de energia.
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