Construção de um circuito frigorífico usando o programa REFRISIM

Ser capaz de instalar e manter ou reparar o mais básico dos sistemas de refrigeração, só é possível se o engenheiro tiver um profundo conhecimento da operação do sistema, das funções das várias válvulas, dos controlos usados no sistema, e das ferramentas ou equipamento especializado necessários para se fazerem tais serviços.

Pretende-se com este trabalho construir um circuito frigorífico nas suas componentes mecânicas e elétricas e estudar o seu funcionamento através de uma simulação computacional utilizando o programa “REFRISIM”. Pretende-se ainda que seja feita uma simulação ao vácuo da instalação, calculo e carga de gás e colocação em funcionamento.

Cálculo da Carga do Refrigerante da Instalação

CARACTERÍSTICAS DO COMPRESSOR

Procedimentos para Efectuar Vácuo à Instalação

O Porquê da Operação de Vácuo

O ar e outros gases não condensáveis são indesejáveis numa instalação de refrigeração, devendo por isso , evitar-se a entrada sempre que possível. Se estiverem presentes no circuito , serão comprimidos e assim , abandonarão o compressor juntamente com o refrigerante .

O volume ocupado por estes gases deixa de ser ocupado por fluido, não esquecendo que o ar é mau condutor térmico. Ao associarmos estes dois factos ,concluímos que a sua presença nos permutadores diminui a transmissão de calor. Por este motivo para condensar a mesma quantidade de refrigerante é necessário uma maior diferença térmica entre o condensador e o meio envolvente .Daí um aumento de pressão e temperatura ,devido a estes gases exercerem a sua própria pressão parcial , que somada á do refrigerante gasoso representa a pressão a que trabalha o condensador .Por consequência deste aumento , vai haver uma subida de pressão e temperatura de evaporação , aumentando também o trabalho de compressão e diminuindo o rendimento da instalação .

Para que todos estes problemas sejam evitados antes da operação de carga , costuma-se retirar todo o ar e outros gases não condensáveis com o auxilio de uma Bomba de Vácuo , deixando as tubagens e todos os componentes do circuito frigorifico a uma pressão de -0.99 bar .

Outro motivo da operação de vácuo não menos importante, é da água evaporar a temperaturas muito baixas, garantindo assim que toda a água se encontra no estado de vapor e por isso pode ser retirada do circuito. Não esquecer que pode também ser usado como meio de verificar possiveis rupturas da instalação, por perda de vácuo.

Operação de Vácuo (Anexo: Esquema 1)

Esta é feita com auxilio de uma Bomba de Vácuo , que deve conseguir atingir uma pressão nas tubagens do circuito frigorífico na ordem dos –0.99bar . Seguindo o esquema Nº 1, em anexo podemos descrever passo a passo o procedimento da operação :

1º – Montar tudo o equipamento necessário para a realização do vácuo á instalação .

2º – Verificar se todas as válvulas do circuito estão abertas . As válvulas de serviço do compressor Nos 4 e 6 devem ter o cravo da haste na posição a meio .

3º – Abrir as válvulas de corte Nos 2 e 3 do jogo de manómetros , a válvula de corte Nº 1 , e ligar a Bomba de Vácuo .

4º – Quando o manómetro situado a seguir á Bomba de Vácuo atingir –0.99bar ,fechar as válvulas de serviço Nos 4 e 6 , posicionando o cravo da haste das mesmas na posição atrás.

5º – Desligar a Bomba de Vácuo e fechar as válvulas de corte Nos 1,2 e 3.

6º – Por último desmontar todo o material auxiliar para a realização destas operações .

Descrição dos Procedimentos Realizados para Carregar o Fluido

Carga da Instalação com Cilindro de Carga (por baixa pressão)

Embora seja um processo muito demorado , não deixa por isso de ser um modo de sabermos a quantidade de fluido frigorigénio com que trabalha o circuito frigorifico .

Processo detalhado de carga (seguir por esquema Nº 3 em anexo ) :

1º – Montar todo o material auxiliar necessário para a realização da operação .

2º – Fechar a válvula de corte Nº4 (no jogo de manómetros) e posicionar o cravo da haste da válvula de serviço Nº5 (válvula de descarga do compressor) na posição atrás .

3º – Abrir a garrafa de fluido e a válvula de corte Nº1 ,de modo a encher o cilindro com uma determinada quantidade de fluido (o técnico aproximadamente sabe quanto).

4º – Fechar válvula 1 e a garrafa .

5º – Abrir a válvula de corte Nº2 de modo a que o fluido em que vapor saia do cilindro e chegue até ao jogo de manómetros .

6º – Abrir a válvula de corte nº3.

7º – Posicionar o cravo da haste da válvula de serviço Nº7 na posição a meio .

8º – Deixar entrar o fluido para o sistema por diferença de pressões .

9º – Após a igualização de pressões , ligar o compressor (válvula de corte Nº6 aberta ).

10º – Quando o visor de liquido se apresenta cheio e sem passagem de bolhas (sinal de quantidade de fluido suficiente), posicionar o cravo da haste da válvula de serviço Nº7 na posição atrás .

11º – Fechar válvulas de corte Nos2 e 3 .

12º – Com a instalação estabilizada , verifica se as pressões e temperaturas de trabalho são as esperadas (sinal a carga da instalação foi bem realizada).

(Em anexo estaram outras formas de carregar a instalação, assim como, cuidados a ter antes desta operação e após a montagem da instalação.)

Descrição do Equipamento

Compressor

A sua função é aspirar o vapor formado no evaporador mantendo uma pressão baixa (Pe) e comprimi-lo até uma pressão alta (Pc). O fluído no compressor durante a aspiração encontra-se a baixa pressão e temperatura ; durante a compressão encontra-se a alta pressão e temperatura. Ao comprimir os vapores do fluído frigorigéneo , estes aumentam de temperatura pois a energia comunicada pelo trabalho do compressor transforma-se em calor . O trabalho de compressão é fornecido por um motor eléctrico acoplado ao compressor .

Evaporador

É essencialmente um permutador de calor no qual o fluído frigorigéneo passa do estado líquido ao estado gasoso . Esta passagem dá-se com absorção de calor , chamado calor latente de vaporização . Este calor obtém-se precisamente do meio que se pretende arrefecer (ar , água ou salmoura).

O fluído no evaporador encontra-se a baixa temperatura e pressão.

Condensador

Neste permutador de calor o fluído frigorigéneo passa do estado gasoso ao estado líquido libertando uma certa quantidade de calor , o chamado calor latente de condensação que será cedido ao ar ou água de arrefecimento.

O fluído no condensador encontra-se a alta temperatura e pressão.

Válvula de expansão

A sua função é dupla . Por um lado regula a quantidade de líquido frigorigéneo que entra no evaporador , assegurando uma pressão de vaporização constante. Por outro, o fluído ao passar na válvula reduz a pressão desde um valor alto no condensador até um valor baixo no evaporador. O fluído procedente do condensador a alta temperatura e alta pressão (Pc) , ao atravessar a válvula encontrando uma pressão mais baixa vaporiza-se instantaneamente absorvendo calor do próprio líquido que arrefece até atingir a temperatura correspondente à baixa pressão (Pe) . A este processo sofrido pelo líquido ao atravessar um estrangulamento sem efectuar trabalho algum , ou permutar calor com o exterior dá-se o nome de laminagem . Em termodinâmica este processo é adiabático irreversível e isentálpico (entalpia constante).

Ventiladores nos permutadores

Os ventiladores nos permutadores tem como função aumentar a transferencia de calor entre os permutadores de calor e o ar em contacto com estes. Através da utilização de permutadores conseguem-se taxas de transferencia de calor bastante superiores comparando com os mesmos permutadores sem os ventiladores

Deposito de líquido

Local onde é recolhido todo o fluído frigorigéneo , quando é necessário proceder a alguma reparação em que haja necessidade de abrir a sistema.

Visor de líquido

O visor de líquido é um componente que permite a visualização do nível de carga de fluído que a instalação contem . É muito útil aquando da primeira carga do sistema .

Válvula reversível

Válvula que permite a reversibilidade do sentido de circulação do fluído frigorigéneo.

Válvula eléctrica

Válvula que não permite uma inversão do sentido de circulação do fluído frigorigéneo, permitindo apenas o escoamento num sentido predefinido.

Descrição Mecânica e Termodinâmica

Iniciando o ciclo pela saída do compressor , de onde o fluído sai a alta temperatura e pressão podendo ou não estar sobreaquecido , o fluído frigorigéneo entra num deposito , onde se separa do óleo ficando este no fundo do mesmo. Depois o fluído segue para uma válvula reversível de onde segue para o permutador 1 (que neste caso funciona como condensador) , onde o fluído ao trocar energia com o ar condensa (passa do estado de vapor ao estado de líquido) , quando a parte móvel da mesma está deslocada para a esquerda (de acordo com o esquema anexo).No condensador o ventilador tem como função aumentar a taxa de transferencia de calor do fluído para o ar. Em seguida o fluído passa por uma válvula eléctrica 1 que por acção de um campo electromagnético que faz subir um embolo resultando assim na abertura da válvula.

A seguir o fluído passa pelo visor de líquido e por um tubo capilar (aqui o fluído não passará pela válvula eléctrica 2 em função da mesma estar fechada).Dá-se a expansão do fluído passando de líquido a alta pressão a fluído em duas fazes e a baixa pressão , que depois entra no permutador 2 (a funcionar como evaporador) . No evaporador (onde o fluído ao absorver energia do ar , passa do estado a duas fazes a vapor saturado ou sobreaquecido) o ventilador tem como função aumentar a taxa de transferencia de calor do ar para o fluído. Segue para a válvula reversível onde a parte móvel o encaminha para o compressor , entrando neste no estado de vapor .

À parte do compressor temos um motor eléctrico que dá movimento à cambota , que por intermédio da biela faz um movimento ascendente/descendente do piston. Cada piston tem um ou mais seguementos que têm como função retirar o óleo das paredes do cilindro , óleo este que lá chega pelo efeito de chapinhagem (a cambota ao mover-se , chapinha no óleo depositado no fundo do cárter do compressor projectando-o por todo o seu corpo) .

Na cabeça do compressor está situado o prato de válvulas , que consiste num prato com umas lâminas metálicas , estando umas situadas na parte inferior (válvula(s) de baixa pressão) e outras na parte superior do prato (válvula(s) de alta pressão). O piston ao descer cria uma baixa de pressão no cilindro , conseguindo assim a força necessária para abrir a(s) válvula(s) de baixa pressão . Ao Ter movimento ascendente o piston vence a força da(s) válvula(s) de alta pressão expelindo assim o fluído para fora do compressor.

Quando a parte móvel da válvula reversível está posicionada para a direita , dá-se a reversão do ciclo passando o permutador 1 a funcionar com evaporador e o permutador 2 como condensador . Assim a válvula eléctrica 1 estará fechada permitindo a expansão do fluído e a válvula eléctrica 2 estará aberta .

Evolução da Temperatura Interior ao Longo de 24 Horas

Outside

Inside

É fácil de observar pelo gráfico que a temperatura se manteve quase constante no local a refrigerar, isto deve-se à capacidade da instalação tem de arrancar ou parar (economizando energia), quando a temperatura se desvia para valores dos quais a instalação foi projectada.

É sempre difícil projectar quando temos grandes variações de temperatura como neste caso onde temos a temperaturas a variarem entre 36 e 3,3 ºC assim variando também o rendimento da maquina.

Podemos ver também que no ínicio da simulação que corresponde a pôr a máquina a trabalhar pela primeira vez, a temperatura se encontra ligeiramente fora do valor pretendido, pois a refrigeração do local não é instantanea e o tempo que demora a atingir esse valor também depende da área que pretendemos refrigerar.

Cálculo dos Parâmetros Característicos de Funcionamento do Ciclo

***Este valor não nos é permitido calcular visto que não há nenhuma referência em relação refrigerante com que estamos a trabalhar e os valores não se adaptam a nenhum diagrama p-h. Devido a este ser um processo empírico assumimos um fluido hipotético e para esta gama de temperaturas leva-nos a concluir que estariamos perante um compressor de pequena cilindrada que tem um rendimento isentrópico tipico entre os 0.5-0.7(*1).

Nota: Para podermos calcular as eficiências de carnot e o rendimento utilizamos as temperaturas do exterior (Tq) e interior (Tf) ao fim da 7ª hora, pois só nos são dados os valores neste instante como podemos ver pelo diagrama p-h. ( estes valores vão deturpar a eficiência de carnot e o rendimento da máquina dando resultados absurdos, mas preferimos não ficar sem os calcular, pois não está a ser cometido nenhum erro de cálculo apenas não estam a ser utilizados os valores mais correctos para os cálculos pretendidos).

Potência Trocadas pelo Lado do Refrigerante

Não é possivel calcular as potências pois não nos é dado o caudal do refrigerante

Mapas de Resultados da Análise do Ciclo

Quadro de registo dos parâmetros de funcionamento:

Conclusão

Depois da construção do circuito frigorifico nas suas componentes mecanicas e eléctricas e de ter estudado o seu funcionamento através de uma simulação computacional utilizando o programa REFRISIM, concluimos que os objectivos foram atinjidos. Embora a simplicidade do circuito montado seja bem evidente, achamos que no geral todos os pontos ou componentes principais de uma máquina de refrigeração foram abrangidos, estando bem defenido um ciclo frigorifico, pois mais uma vez ficaram bem presentes os enunciados de Clausius e Kelvin que dizem que “a transferência espontânea de calor dum corpo frio para um corpo quente é impossivel”, “impossivel também é, um sistema realizar um ciclo termodinâmico e produzir trabalho trocando calor com uma única fonte.”.

É de vital importância o conhecimento da montagem e de carga do fluído na instalação pois quando algum destes processos é feito defecientemente, adveêm efeitos indesejaveis tal como a humidade que fica retida no interior da instalação, que vai reagir com o fluido formando ácidos que por sua vez corroiem os metais (válvulas, cilindros, vedantes, etc.), decomposição do óleo (formação de resíduos sólidos), ataque dos isolamentos do motor elétrico (compressores herméticos), a água livre também provoca congelamento e consequente obstrução da válvula de expanção ou tubo capilar. Assim além dos cuidados a ter, que foram anteriormente descritos, podiamos também ter mencionado outros como, a secagem dos componentes em estufas antes da montagem.

Lamentamos ainda não ter sido possivel saber qual o fluido que estava simuladamente a ser carregado e por sua vez posto em “funcionamento” com a máquina, pois poderiamos ter nos aprofundado nos cálculos dos parâmetros caracteristicos de funcionamento da máquina, não nos limitando a comentar que como era de esperar houve troca de energia nos permutadores (efeito frigorifico e calor trocado no condensador) embora não nos sendo possivel contabilizar a potência, e que foi fornecido trabalho ao sistema para haver essa mesma transferência de energia (trabalho de compressão).

Sobre o Ar Condicionado Central

Cálculo do fluido refrigerante R12 de uma instalação

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