UMA INTRODUÇÃO A REFRIGERAÇÃO RESIDENCIAL

CENTRO UNIVERSITÁRIO UNIVATES

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

 

 

 

 

 

 

 

 

UMA INTRODUÇÃO A REFRIGERAÇÃO RESIDENCIAL

 

 

Luis Guilherme Seidel

Gabriel Diehl

Jean Ludwig

Henrique Isse

 

 

Lajeado, Julho de 2013

SUMÁRIO

 

1 INTRODUÇÃO..........................................................................................................1

2 COMPONENTES BÁSICOS DO SISTEMA FRIGORÍGENO...................................3

2.1 Fluidos refrigerantes...............................................................................................3

2.2 Compressores........................................................................................................3

2.3 Condensadores......................................................................................................6

2.4 Dispositivo de expansão........................................................................................7

2.5 Evaporadores.........................................................................................................8

3 ACESSÓRIOS E COMPONENTES........................................................................10

4 COMPONENTES DE PROTEÇÃO E CONTROLE................................................11

REFERÊNCIAS..........................................................................................................12

1 INTRODUÇÃO

O termo refrigeração descreve a retirada de carga térmica – calor – de qualquer corpo para o ambiente ou outro corpo. O ambiente é um lugar no espaço, sendo ele o próprio o vácuo ou constituído por matéria, já o calor é uma forma de energia em movimento, que pode ser transferida do corpo mais quente, com maior agitação dos átomos, ao mais frio, com menor agitação. Essa transferência de carga realizar-se-á de três distintos modos, regidos pelas leis da termodinâmica.

Por condução, onde o calor passa de um local para outro através dos átomos do meio, por exemplo, quando se aquece a extremidade de uma barra de ferro por um tempo observa-se que a outra ponta também se aqueceu, mas estará com menor temperatura. Isso se deve à vibração dos átomos que passou para os átomos vizinhos e assim sucessivamente até a outra ponta, perdendo intensidade.

Por convecção, que é a troca de calor pela variação de densidade. Sabe-se que quando os fluidos são aquecidos, seus átomos passam a vibrar mais rapidamente e, como estão livres no meio, se afasta um dos outros e aumentam seu volume e diminuem a densidade. Então esse fluido menos denso sobe, ocupando o lugar do fluido mais frio e denso, que se moverá para baixo ocupando o lugar do fluido anteriormente aquecido.

 

Por radiação que é a propagação de energia térmica em forma de ondas eletromagnéticas, entre corpos sem contato direto ou com o meio. Todo corpo com temperatura acima de 0º Kelvin emite energia radiante em ondas do espectro infravermelho, os corpos com maior temperatura emitem mais energia do que os com menor temperatura.

Os princípios da termodinâmica são leis básicas que regem a transferência de energia no espaço e entre corpos de um sistema.

A lei zero da termodinâmica determina que, quando dois sistemas em equilíbrio termodinâmico têm igualdade de temperatura com um terceiro sistema também em equilíbrio, eles têm igualdade de temperatura entre si. A primeira lei da termodinâmica afirma que a energia não pode ser criada nem destruída, mas somente modificada.

A segunda lei da termodinâmica atesta a viabilidade dos processos em sistemas físicos quanto à troca de energia e a ocorrência ou não destes processos na natureza. Afirma que há processos que ocorrem em certa direção, e jamais ocorrerão na direção oposta. “A entropia do universo tende a um máximo” – Rudolf Clausius.

A terceira lei da termodinâmica estabelece um ponto de referência absoluto para determinação da entropia, representado pelo estado de ordem molecular com máxima ou mínima energia.

A entalpia de um sistema termodinâmico é a energia que está armazenada ou nos arredores dele - podendo esta ser absorvida ou removida na forma de calor. Já a entropia é a parcela da energia que não pode ser convertida em trabalho ou em transformações termodinâmicas.

As medidas de calor são, basicamente, a caloria, que é a quantidade de energia necessária para elevar 1g de água de 14,5º C para 15,5º, o calor específico que é a quantidade de calor para aumentar ou diminuir em 1º C a temperatura de 1kg de um corpo, o calor sensível que é a quantidade de calor adicionada ou extraída do corpo onde a temperatura muda, mas o estado físico não, e o calor latente que é o calor adicionado ou removido de um corpo onde a temperatura e o estado físico mudam.

2 COMPONENTES BÁSICOS DO SISTEMA REFRIGERANTE

 

2.1 Fluidos refrigerantes

Os fluidos refrigerantes absorvem o calor do sistema frigorígeno. Geralmente os fluidos refrigerantes têm um ponto de ebulição baixo, em torno de 20º C e, no sistema, apresentam-se na forma de líquidos ou gases. Os mais comumente utilizados são os CFC’s como o R-22, que é um freon, mas estão sendo substituídos pelos tetrafluoroetanos por serem menos poluentes.

 

2.2 Compressores

São um dos principais componentes, já que fazem a compressão do fluido refrigerante, e distribuem-no pelo sistema.

Os Motocompressores Herméticos existem quando o compressor e o motor elétrico estão na mesma carcaça, a qual não pode ser aberta para manutenção. É utilizada em sistemas domésticos. Eles são constituídos de uma parte mecânica – o compressor – e uma parte elétrica – o motor, sendo esse suspenso por molas na carcaça.

Os Relés são os dispositivos de partida formados por uma bobina de fio grosso isolado e uma armadura móvel de metal. A armadura de metal está em posição vertical e mantém os contatos de partida em condições normais. A bobina do relé é ligada em série com o enrolamento principal do motor e quando a máquina é ligada, a alta corrente inicial que passa pela bobina do enrolamento principal eleva a armadura móvel, por meio do magnetismo, e faz com que os contatos de partida se fechem. Logo, o enrolamento de partida é conectado em paralelo com o enrolamento principal para fazer funcionar o motor. Quando o motor adquire velocidade normal, a corrente inicial decresce e reduz a força magnética e fazendo a armadura cair abrindo os contatos. Existem relés de PTC que são pastilhas de material cerâmico que aumentam a resistência elétrica quando aquecidos. Durante a partida do motor, o PTC está frio e com resistência baixa, então conduz corrente através da bobina de partida, fazendo o motor girar. Essa corrente vai aquecê-lo fazendo a resistência aumentar e a corrente diminuir até se tornar quase zero.

O protetor térmico dos compressores é constituído de uma lâmina bimetálica com diferentes coeficientes de dilatação e um resistor de aquecimento. Se uma corrente mais elevada que a normal de trabalho circular pelo resistor, a lâmina se curvará até desligar os contatos de sobrecarga e o enrolamento principal, parando o motor. Quando a lâmina resfriar, voltará à posição normal e fechará os contatos.

Os moto compressores semi-herméticos existem quando compressor e motor elétrico estão na mesma carcaça, a qual possibilita manutenção. Já os moto compressores abertos existem quando compressor e motor elétrico não estão juntos em uma mesma carcaça.

Os compressores alternativos possuem um pistão que executa movimentos alternados, onde o virabrequim gira e com o auxílio da biela move o pistão. Eles não conseguem expulsar todo gás admitido, sendo que esse será usado no próximo ciclo. Quando o pistão desce faz a válvula de sucção abrir e a válvula de descarga fechar, como a pressão no cilindro é menor que na linha de sucção o fluido refrigerante entra. Quando o pistão sobe faz a válvula de descarga abrir e a de sucção fechar, como a pressão no cilindro é maior que a da linha de descarga, o fluido sai.

Os compressores do tipo scroll possuem dois caracóis, um fixo e outro móvel, onde o móvel faz um movimento orbital dentro do fixo, criando bolsas de gás que vão diminuindo seu volume e aumentando a pressão do fluido refrigerante sendo descarregado para o condensador. Simultaneamente dois bolsões de gás são formados em baixa pressão efetuando a sucção do evaporador.

O compressor tipo parafuso é uma máquina de deslocamento positivo que possui dois rotores acoplados, montados em mancais para fixar suas posições na câmara de trabalho próximo ao cilindro. O rotor macho é convexo enquanto o fêmea é côncavo e têm a forma de uma rosca sem fim. O dispositivo de acionamento é geralmente conectado ao macho que aciona o fêmea por meio de uma película de óleo.

A sucção ocorre quando os rotores giram os espaços entre os lóbulos que se abrem e aumentam de volume então o gás é sugado através da entrada e preenche o espaço entre os lóbulos. Quando o espaço entre os lóbulos alcançam o volume máximo, a entrada é fechada. O gás admitido na sucção armazena-se em duas cavidades helicoidais formadas pelos lóbulos e a câmara onde os rotores giram.

A compressão ocorre quando os lóbulos do rotor macho começam a encaixar-se nas ranhuras do rotor fêmea no fim da sucção, na traseira do compressor. Os gases vindos de cada rotor são unidos numa cunha em forma de V. Posteriormente, devido à rotação do compressor, inicia-se a redução do volume, ocorrendo a compressão do gás.

A descarga do compressor parafuso é determinada pela localização da câmara de descarga. São utilizadas duas aberturas, uma para descarga radial na saída final da válvula de deslizamento e uma para descarga axial na parede final da descarga. Estas duas liberam o gás comprimido internamente, permitindo que seja jogado na região de descarga do compressor. O processo de descarga é finalizado quando o lóbulo do rotor macho ocupa o espaço antes tomado pelo gás.

O compressor centrífugo é uma máquina de alta velocidade, onde um jato contínuo de fluido é sugado e comprimido por uma força centrífuga. O compressor centrífugo pode ser de simples ou múltiplos estágios e têm rendimento muito superior aos compressores alternativos.

Figura 1 – Moto compressor de geladeira

Fonte: http://image.made-in-china.com/2f0j00ZCGEPpstZJcS/LG-Refrigerator-Compressor-R134A-115V-60Hz-.jpg

 

2.3 Condensadores

Os condensadores são constituídos por uma série de aletas onde passa uma tubulação, aumentando a superfície de contato com o ar. Tem a função de eliminar o calor do fluido refrigerante fazendo-o trocar do estado de vapor, quando entra no condensador - para líquido. O calor eliminado do fluido pode ir para o ar, água ou ambos ao mesmo tempo.

Nos condensadores à água o calor que o fluido retirou do condensador mais o do compressor é transferido para a água. A água por ter recebido calor do fluido precisa perder calor para entrar nos tubos do condensador com temperatura menor por isso está ligado a uma torre de resfriamento e bombas de água, que resfriam a água que se aqueceu no condensador e fazem-na circular pelo sistema.

Os condensadores a ar podem ser de dois tipos, de convecção natural onde o ar ambiente recebe o calor do condensador, deixando-o mais leve e fazendo-o subir, com isso um ar mais fresco ocupa seu lugar, e forçada onde o ar é jogado em cima do condensador por meio de um ventilador, retirando mais facilmente o calor.

O condensador evaporativo consiste em uma torre de resfriamento de água pelo sistema de ar forçado, combinada com um condensador formado por uma serpentina de tubo liso. A superfície do condensador é umidificada por meio de orifícios pulverizadores de água ao mesmo tempo em que uma corrente de ar passa sobre ele promovida pelo ventilador, dando a finalidade de ativar a evaporação da água.

Figura 2 – Condensador a ar

Fonte: http://i00.i.aliimg.com/img/pb/716/656/201/1196069010360jpg.jpg

 

2.4 Dispositivos de expansão

Os dispositivos de expansão são redutores de pressão e controladores de fluxo do fluido refrigerante, em forma de líquido, que vem do condensador para o evaporador, criando uma dificuldade à sua passagem. Assim, ele eleva a pressão no condensador e a reduz bruscamente no evaporador.

Figura 3 – Dispositivo de expansão

Fonte: https://dc398.4shared.com/doc/kDqC2r9r/preview_html_mc82940a.jpg

2.5 Evaporadores

O evaporador é um trocador de calor que roubam calor do refrigerador. Ele recebe o fluido refrigerante frio e com baixa pressão, vindo do dispositivo de expansão o faz passar por uma serpentina em cima do evaporador, que aumenta a área de contato e faz a troca de calor, vaporizando um fluido no seu interior, podendo ele ser água ou ar.

A evaporadora pode ser do tipo direto, onde o fluxo de fluido refrigerante é controlado de tal maneira que é essencialmente líquido ao entrar no evaporador e gasosa na saída. Ele é composto por um tubo contínuo onde flui o refrigerante em direção à linha de sucção do compressor e, a diferença de pressão entre a entrada e a saída ativa a circulação. Nesse não ocorre a recirculação e o refrigerante deve percorrer todo o sistema antes de voltar ao evaporador.

As evaporadoras do tipo inundado são utilizadas em sistemas de climatização para conforto, onde o refrigerante é líquido do início ao fim do sistema e ocorre a recirculação do fluido e todo o evaporador está em contato com ele, dando uma ótima troca de calor.

O evaporador de tubo liso consiste em um tubo de cobre, por onde passa o refrigerante, que pode ser moldado conforme a necessidade. Ele pode ser submerso em tanques de resfriamento ou congelamento.

O evaporador do tipo Shell & Tube é um misto de aletas fixadas em torno de tubos que melhoram a troca de calor por aumentarem a área de contato. Por isso também são mais compactos que os de tubo liso.

 

 

 

 

 

Figura 4 – Evaporador

Fonte: http://www.eletrofrigor.com.br/product_images/s/evaporador_congelador__63515.jpg

3 ACESSÓRIOS E COMPONENTES

A – Filtro desidratante: Retém impurezas do circuito frigorígeno e absorve umidade. Está no dispositivo de expansão, pois é o lugar mais propenso a entupimentos.

B – Tanque de líquido: fica na saída do condensador e armazena todo o fluído refrigerante do sistema, podendo manter a linha de líquido se houver alguma deficiência de condensação.

C – Válvula solenoide da linha de líquido: é uma válvula eletromagnética que é instalada na linha de líquido para retenção do refrigerante. Se o solenoide recebe corrente, o orifício da válvula abre-se e libera uma passagem para o controle de pressão. Quando a bobina não recebe corrente, o orifício está fechado e o diafragma é empurrado em direção à sede da válvula, pois a pressão sobre o diafragma aumenta os orifícios de controle de pressão.

D – Separador de líquido: evita que o fluido refrigerante líquido que não evaporou no evaporador seja sugado pelo compressor. Isso ocorre porque a linha de líquido transfere calor para a de sucção e, se na de sucção estiver passando fluido líquido, isso irá evaporá-lo.

E – Válvula de segurança tipo plugue fusível: sendo montada no condensador, a válvula, quando tiver sua temperatura ultrapassada da prefixada, terá o núcleo fundido, deixando o fluido refrigerante fluir assim, evitado danos a instalação.

4 COMPONENTES DE PROTEÇÃO E CONTROLE

A – Pressostatos eletromecânicos: é um dispositivo de proteção que desliga o motor elétrico do compressor se a pressão de sucção atingir o mínimo ou o máximo.

B – Pressostatos de óleo: desligará o motor elétrico do compressor caso a pressão do óleo atinja o valor mínimo estabelecido pelo fabricante. Quando a pressão do óleo está abaixo da recomendada, o temporizador é acionado, dando um tempo para a pressão voltar ao normal e, se não voltar, o temporizador abrirá os contatos que desligam o comando do motor elétrico do compressor.

C – Termostato: mantém a temperatura ambiente na média pré-estabelecida. Quando a temperatura no Bulbo sensor atinge o valor mínimo, o termostato abre seus contatos elétricos desligando o motor elétrico do compressor. O termostato funciona devido à pressão do gás que pressiona seu diafragma e faz um contato encostar-se a um que está fixo. Quando a temperatura ambiente diminui, a pressão do gás no bulbo diminui fazendo os contatos afastarem-se.

 

 

 

REFERÊNCIAS

TERMODINÂMICA. Wikipédia. Disponível em:<http://pt.wikipedia.org/wiki/Termodin%C3%A2mica> Acesso em: 23 de abril de 2013.

ENTROPIA. Wikipédia. Disponível em:<http://pt.wikipedia.org/wiki/Entropia> Acesso em: 23 de abril de 2013.

CALOR. Instituto de física UFRGS. Disponível em: <http://penta3.ufrgs.br/CESTA/fisica/calor/> Acesso em: 23 de abril de 2013.

GASES Refrigerantes. Instituto de física UFRGS. Disponível em: <http://www.if.ufrgs.br/~dschulz/web/clorodif.htm> Acesso em: 23 de abril de 2013.

EVAPORADORES. Portal da Refrigeração. Disponível em: <http://www.refrigeracao.net/Topicos/evaporador_1.htm> Acesso em: 23 de abril de 2013.

SILVA, José de Castro; SILVA, Ana Cristina G. Castro. Refrigeração e climatização para técnicos e engenheiros. Rio de Janeiro: Ciência Moderna, 2007.