Refrigera¸ c˜ ao e Ar Condicionado Condensadores Filipe Fernandes de Paula fi[email protected] Departamento de Engenharia de Produ¸c˜ ao e Mecˆ anica Faculdade de Engenharia Universidade Federal de Juiz de Fora Engenharia Mecˆ anica 1/42
Refrigeracao e Ar CondicionadoCondensadores
Filipe Fernandes de [email protected]
Departamento de Engenharia de Producao e MecanicaFaculdade de Engenharia
Universidade Federal de Juiz de Fora
Engenharia Mecanica
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Introducao
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Introducao
I Os condensadores sao trocadores de calor responsaveis pela rejeicaode calor para o reservatorio de alta temperatura a uma alta pressao;
I O processo de troca de calor no condensacao e realizado a pressaoconstante e, em sua maior parte, temperatura constante;
I Como em todo trocador de calor, a troca de calor noscondensadores e influenciada por:
I Area de troca de calor;I Fluido refrigerante;I Temperatura de condensacao;I Temperatura de entrada do fluido externo.
I Podem ser classificados em:I Condensadores a ar;I Condensadores a agua;I Condensadores evaporativos.
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Relacao de Rejeicao de Calor (HRR)
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Relacao de Rejeicao de Calor (HRR)
I HRR (Heat-Rejection Ratio) e definido como o quociente entre ocalor rejeitado no condensador e o calor absorvido no evaporador;
HRR =Qc
Qo
(1)
I HHR e sempre maior que 1;I Depende das temperaturas de condensacao e evaporacao.
I Um sistema frigorıfico e normalmente definido pela sua capacidadefrigorıfica. Utilizando HRR e possıvel encontrar Qc ;
HRR =Qo + Wc
Qo
= 1 +1
COP(2)
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Relacao de Rejeicao de Calor (HRR)
I Se nao e possıvel a obtencao de Qo e Wc , e possıvel utilizar aseguinte relacao aproximada:
HRR =
(Tc
To
)1,7
(3)
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Relacao de Rejeicao de Calor (HRR)
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Troca de Calor no Condensador
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Coeficiente Global de Troca de Calor
I De forma analoga aos evaporadores, para condensadores pode-sedefinir o coeficiente global de troca de calor:
1
UA=
1
href Aint+
t
kAml+
1
haletas(Alivre + ηAaletas)(4)
I O coeficiente UA leva em conta:I Resistencia termica de conveccao proporcionada pelo refrigerante;I Resistencia termica de conducao no tubo;I Resistencia termica relacinada as aletas.
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Capacidade dos Condensadores
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Capacidade dos CondensadoresI Pela primeira da termodinamica aplicado ao fluido externo, pode-se
escrever uma relacao para o calor trocado no condensador:
Qc = macp(Tsa − Tea) (5)
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Capacidade dos Condensadores
I Analisando o condensador, pode-se expressar a taxa de calortrocado da segunte maneira:
Qc = UA∆Tml (6)
I U e o coeficiente global de troca de calor;I ∆Tml e a temperatura media logarıtmica, e e dada por;
∆Tml =Tsa − Tea
ln
[(Tc − Tea)
(Tc − Tsa)
] (7)
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Capacidade dos Condensadores
I Combinando as equacoes 5, 6 e 7, pode-se encontrar a seguinterelacao,
Qc = macp
[1− exp
(− UA
macp
)](Tc −Tea) = Fcond(Tc −Tea) (8)
I O termo Fcond e chamdo de Fator de condensacao, e costuma ser ainformacao dada em catalogos de condensadores;
I A unidade de Fcond e [W /K ] ou [W /°C ].
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Capacidade dos Condensadores
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Capacidade dos Condensadores
Qo =Fcond
HRR(Tc − Tea) (9)
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Capacidade dos Condensadores
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Ponto de Equilıbrio
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Ponto de EquilıbrioI Num dado conjunto de condicoes,
as capacidades do compressor e doevaporador equilibram-se nomesmo ponto, onde ambosapresentam a mesma capacidade;
I Na figura ao lado sao mostradasas curvas referentes a uma unidadecondensadora com temperaturasde 40, 5°C e 46°C (B e A);
I Na mesma figura aparecem ascurvas X e Y, representando ascapacidades de dois evaporadoresidenticos (6 filas, 762x1219mm)mas com vazoes de 1, 89m3/s e2, 36m3/s.
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Ponto de Equilıbrio
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Efeito da Mudanca da Temperatura de Condensacao
I A curva X da serpentina A1, 89m3/s intercepta a curva daunidade condensadora a 46°C noponto 1, com temperatura desuccao de 6, 2°C e capacidade de59, 4kW ;
I Se a temperatura de condensacaobaixasse para 40, 6°C , o ponto deequilıbrio seria entao o ponto 3,diminuindo a temperatura desuccao para 5, 4°C e aumentandoa capacidade do sistema para63kW .
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Efeito do Aumento da Vazao de Ar
I A curva Y da serpentina a2, 36m3/s intercepta a curva A daunidade condensadora no ponto 2.As demais condicoes de entradapermanecem as mesmas;
I Em relacao ao caso anterior,ponto 1, com o aumento da vazaode ar, aumentou a capacidade doevaporador, obrigando ocompressor a operar com umamaior temperatura de succao paraequilibrar a carga.
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Efeito da Reducao da Superfıcie do EvaporadorI A curva Z do evaporador com
vazao de ar de 1, 89m3/s possuicom 4 fileiras em vez de 6;
I A capacidade do evaporador reduzsignificativamente com a reducaoda area. A curva da serpentina Zentra em equilıbrio com as curvasdas unidades condensadoras nospontos 5 ou 6;
I Notar que devido a reducao dacapacidade do evaporador, menosrefrigerante evapora e ocompressor opera comtemperaturas de succao maisbaixas.
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Classificacao de Condensadores
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Classificacao de Condensadores
I Podem ser classificados em:I Condensadores a ar;I Condensadores a agua;I Condensadores evaporativos.
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Condensadores Resfriados a Ar
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Condensadores Resfriados a ArI Os condensadores resfriados a ar sao normalmente utilizados em
unidades de pequena ou media capacidade.I Grandes condensadores a ar tambem podem ser aplicados onde nao e
economica a utilizacao de sistemas resfriados a agua.A faixa de capacidades mais comum destes condensadores, cobre agama de valores de 1 a 100 TR (7 a 352kW).
I Porem e usual a sua montagem em paralelo, atingindo capacidadesbastante superiores.
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Condensadores Resfriados a ArI Podem ser classificados com base no mecanismo de conveccao
externa:I Conveccao natural - O coeficiente convectivo e pequeno e por este
motivo, necessitam de grandes superfıcies de troca de calor.
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Condensadores Resfriados a ArI Conveccao forcada - A circulacao do ar atraves do trocador de calor
se da por um ventilador ou soprador;I Devido a grande vazao de ar, eles geralmente sao bastante
barulhentos.
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Condensadores Resfriados a Ar
I Recomenda-se que a temperatura de condensacao nunca sejasuperior a 55 °C;
I No entanto, para garantir a eficiencia do sistema de compressao e,ao mesmo tempo, obter uma maior vida util dos compressores, atemperatura de condensacao nao deve ser maior que:
I 48°C , quando a temperatura de evaporacao do sistema frigorıfico formaior ou igual a 0 °C;
I 43°C , quando a temperatura de evaporacao do sistema frigorıfico formenor que 0 °C.
I Devem ser instalados elevados, com relacao ao nıvel do solo, paraprevenir acumulacao de sujeira;
I Deve-se garantir que existam aberturas adequadas e livres dequalquer obstrucao para entrada de ar frio e para a saıda do arquente.
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Condensadores Resfriados a Agua
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Condensadores Resfriados a Agua
I Condensadores resfriados a agua, quando limpos e corretamentedimensionados, operam de forma mais eficiente que oscondensadores resfriados a ar, especialmente em perıodos de elevadatemperatura ambiente;
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Condensadores Resfriados a Agua
I Normalmente estes condensadores utilizam agua proveniente deuma torre de resfriamento, sendo que usualmente utiliza-se, para acondicao de projeto do sistema, o valor de 29, 5°C para atemperatura da agua que deixa a torre;
I A temperatura de condensacao, por sua vez, deve ser fixada em umvalor entre 5, 0°C e 8, 0°C maior que a temperatura da agua queentra no condensador, isto e, da agua que deixa a torre;
I Existem quatro tipos principais de condensadores a agua:I Condensador duplo tubo;I Condensador Carcaca e Serpentina (Shell and Coil);I Condensador Casco-Tubo (Shell and Tube);I Condensador de Placa.
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Condensadores Duplo Tubo
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Condensadores Duplo TuboI Estes condensadores sao formados por dois tubos concentricos‘;
I O tubo por onde circula a agua e montado dentro do tubo de maiordiametro.
I O fluıdo frigorıfico, por sua vez, circula em contracorrente no espacoanular formado pelos dois tubos.
I Sendo resfriado ao mesmo tempo pela agua e pelo ar que esta emcontato com a superfıcie externa do tubo de maior diametro.
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Condensadores Duplo TuboI Estes condensadores sao normalmente utilizados em unidades de
pequena capacidade, ou como condensadores auxiliares operandoem paralelo com condensadores a ar, somente nos perıodos de cargatermica muito elevada;
I Esses condensadoressao difıceis de se limpar e nao fornecem espacosuficiente para a separacao de gas e lıquido.
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Condensadores Duplo Tubo
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Condensador Carcaca e Serpentina (Shell and Coil)
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Condensador Carcaca e Serpentina (Shell and Coil)
I Sao constituıdos por um ou mais tubos, enrolados em forma deserpentina, que sao montados dentro de uma carcaca fechada;
I A agua de resfriamento flui por dentro dos tubos, enquanto orefrigerante a ser condensado escoa pela carcaca;
I Sao usados em unidades de pequena e media capacidade,tipicamente ate 15 TR.
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Condensador Carcaca e Serpentina (Shell and Coil)
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Condensador Casco-Tubo (Shell and Tube)
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Condensador Casco-Tubo (Shell and Tube)I Os condensadores Shell and Tube sao constituıdos de uma carcaca
cilındrica, na qual e instalada uma determinada quantidade de tuboshorizontais e paralelos;
I A agua de resfriamento circula por dentro dos tubos e o refrigeranteescoa dentro da carcaca, em volta dos tubos;
I Sao de facil limpeza (por varetamento) e manutencao;I Sao fabricados para uma vasta gama de capacidades, sendo
amplamente utilizados em pequenos e grandes sistemas derefrigeracao.
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Condensador Casco-Tubo (Shell and Tube)
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Condensador Casco-Tubo (Shell and Tube)
I Alguns fatores influenciam nos custos iniciais e de operacao dosistema:
I Aumentando o fluxo de agua de resfriamento, aumenta-se acapacidade de condensador, porem tambem aumenta-se o custo debombeamento da agua e o seu consumo;
I Reduzindo-se o diametro da carcaca e aumentando-se o comprimentodos tubos reduz-se o custo inicial do condensador, mas aumenta-se aperda de carga no circuito de agua;
I O fator incrustacao, que esta associado a uma resistencia termicaadicional devido a formacao de incrustacoes, depende da qualidadede agua. Geralmente, para condensadores novos que operarao comagua de boa qualidade, considera-se um fator de incrustacao daordem de 0, 000044m2°C/W ;
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Condensador Casco-Tubo (Shell and Tube)
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Condensadores de Placas
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Condensadores de Placas
I Os condensadores de placas sao geralmente constituıdos de placasde aco inox de pequena espessura (0,4 a 0, 8mm);
I As placas sao montadas paralelamente umas as outras, com umpequeno afastamento (1,5 a 3,0 mm);
I A agua de resfriamento e o fluıdo frigorıfico circulam entre espacosalternados, formados pelas placas;
I Possuem elevado coeficiente global de transferencia de calor (2500 a4500W /m2 · C );
I Apresentam ainda a vantagem da facilidade de aumento de suacapacidade, pela simples inclusao de placas.
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Condensadores de Placas
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Condensadores de Placas
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Condensadores Evaporativos
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Condensadores Evaporativos
I Os condensadores evaporativos sao formados por uma especie detorre, no interior da qual e instalada uma serie de tubos, por ondeescoa o fluıdo frigorıfico;
I Geralmente existem ventiladores que circula o ar de baixo para cima;I No topo do condensador sao instalados bicos injetores que
pulverizam agua sobre a tubulacao de refrigerante;I A agua escoa, em contracorrente com o ar, em direcao a bacia do
condensador.
I O contato da agua com a tubulacao por onde escoa o refrigeranteprovoca a sua condensacao;
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Condensadores Evaporativos
I Ao mesmo tempo uma parcela da agua evapora e, num mecanismocombinado de transferencia de calor e massa entre a agua e o ar,esta ultima e tambem resfriada;
I A agua que chega a bacia do condensador e recirculada por umabomba.
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Condensadores Evaporativos
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Condensadores Evaporativos
I O contato da agua com as regioes de elevada temperatura daserpentina, pode provocar a formacao excessiva de incrustacoessobre a superfıcie dos tubos;
I Assim, em alguns condensadores evaporativos, instala-se umaprimeira serpentina, acima da regiao onde a agua e borrifada.
I Esta serpentina e chamada de dessuperaquecedor, e tem a funcao dereduzir a temperatura do refrigerante, o que reduz a formacao deincrustacoes na regiao onde ha agua.
I Em alguns condensadores evaporativos, e adicionada ainda umaserpentina para promover o subresfriamento do refrigerante lıquido,a uma temperatura inferior a temperatura de condensacao;
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Condensadores Evaporativos
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Exemplo
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Exemplo
I Exemplo 1 - Um ciclo padrao de compressao a vapor utilizandoR-134a com uma vazao de 0, 5kg/s, trabalha com To = 0C eTc = 50°C . Ar e soprado pelo condensador a 35°C e sai a 45°C .Determine:
(a) A capacidade frigorıfica do sistema;(b) O coeficiente UA do condensador;(c) A vazao em massa de ar que passa pelo condensador;(d) HRR;(e) Fcond .
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