Segundo Brückner et al., 2015, o calor residual é considerado como todas as formas de calor (latente e sensível) que não têm propósito num sistema. No enquadramento desta dissertação, é definido como calor residual, a energia térmica que normalmente seria rejeitada pelo sistema de refrigeração para o meio ambiente e que pode ser usada para outros processos e aplicações, que serão estudadas no capítulo 3.4. O aproveitamento deste calor residual, consiste na recuperação possível do calor rejeitado pelos sistemas de refrigeração de compressão de vapor.
3.1.1 Calor rejeitado no condensador
O calor rejeitado no condensador, é uma fonte de calor residual facilmente identificável nos sistemas de refrigeração de compressão de vapor, sendo o processo responsável por aproximadamente 83 % da energia térmica rejeitada por estes sistemas (ASHRAE, 2012). Corresponde à quantidade de calor total rejeitada pelo sistema de refrigeração no condensador, que pode ser recuperada a partir do fluido frigorigéneo na linha de descarga do sistema.
Figura 3.1 - Ciclo de compressão vapor no diagrama p-H (adaptado de Carrier, 2008)
Este calor residual representado no diagrama p-H da figura 3.1, é o calor rejeitado pelo sistema de refrigeração para o meio ambiente desde a descarga do compressor, até à entrada
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na válvula de expansão. Tomando assim em consideração as condições hipotéticas da figura 3.1, o calor residual que é rejeitado no condensador e possível de aproveitar, é definido como:
(
)
cond r D A
Q
m h
h
(3.1)onde:
cond
Q
= calor residual disponível no condensador do sistema de refrigeração [W]D
h
= entalpia do fluido frigorigéneo na saída do compressor [J/kg]A
h
= entalpia do fluido frigorigéneo na entrada da válvula de expansão [J/kg]r
m
= caudal mássico de fluido frigorigéneo [kg/s]O calor residual disponível no condensador corresponde a duas parcelas de estado do fluido frigorigéneo: calor sensível do fluido frigorigéneo desde a saída do compressor em estado de vapor sobreaquecido até atingir o estado de vapor saturado; e a fase de mistura de líquido-vapor correspondente ao calor latente libertado para o meio ambiente, para condensação do fluido frigorigéneo, até ao estado de líquido saturado.
A parcela de calor disponível para aproveitamento no fluido frigorigéneo em estado de vapor sobreaquecido é inferior à parcela de calor disponível na mistura de líquido-vapor. Embora isto aconteça, este calor encontra-se a uma temperatura superior. Tomando em consideração as condições hipotéticas da figura 3.1, o calor residual disponível no fluido frigorigéneo em estado de vapor sobreaquecido é definido como:
(
)
sob r D E
Q
m h
h
(3.2)onde:
sob
Q
= calor residual disponível no fluido frigorigéneo em estado de vapor sobreaquecido [W]D
h
= entalpia do fluido frigorigéneo na saída do compressor [J/kg]E
h
= entalpia do fluido frigorigéneo no estado de vapor saturado [J/kg]r
m
= caudal mássico de fluido frigorigéneo [kg/s]A parcela de calor latente disponível no fluido frigorigéneo representa o calor rejeitado para o exterior do sistema, desde o estado de vapor saturado, até ao estado de líquido saturado. Tomando em consideração as condições hipotéticas da figura 3.1, o calor disponível no fluido frigorigéneo em estado de mistura líquido-vapor é definido como:
(
)
lat r E A
Q
m h
h
(3.3)onde:
lat
Q
= calor disponível no fluido frigorigéneo em estado mistura líquido-vapor [W]E
h
= entalpia do fluido frigorigéneo no estado de vapor saturado [J/kg]A
h
= entalpia do fluido frigorigéneo na entrada da válvula de expansão [J/kg]r
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3.1.2 Calor rejeitado no lubrificante de compressores de parafuso
Reindl, Jekel, & Dettmers, 2007, realizaram um estudo onde avaliaram o aproveitamento de calor de sistemas de refrigeração industriais que utilizam amoníaco como fluido frigorigéneo. Nestes sistemas, a maioria dos compressores utilizados, são compressores de parafuso, que utilizam óleo para lubrificação, accionamento e vedação do rotor do compressor, para manter a eficiência volumétrica da máquina durante o processo de compressão.
Uma vez que o óleo é injectado directamente no compressor, a consequência do uso de óleo nestas máquinas deve-se ao óleo absorver uma parte do "calor de compressão" do fluido frigorigéneo que é comprimido no compressor. Como tal, o óleo ao sair do compressor, irá ter uma temperatura igual ou próxima da temperatura de descarga de fluido frigorigéneo (que varia entre 71 °C e 85 °C neste tipo de sistemas), sendo uma fonte de calor residual com uma temperatura considerável para aproveitamento.
Figura 3.2 - Compressor de parafuso com permutador de calor (Ron Marshall, 2010)
Como consequência, para manter o funcionamento adequado do compressor, é necessária a refrigeração do óleo de modo a limitar o aumento da temperatura do mesmo. O recurso a termossifão, ou permutadores de calor para arrefecimento do óleo com recurso a água (ou glicol), são uma solução para diminuir a temperatura dos compressores de parafuso.
Este estudo demonstrou que com recurso a permutadores de calor para aproveitamento de calor do óleo do compressor de um sistema de grande potência frigorífica (1474 kW ≤ Qref ≤ 3928) utilizando água (ou glicol), é possível aproveitar parte do calor do óleo
para fins de aquecimento de outros processos, reduzindo o recurso a energia primária (gás natural ou propano).
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Devido à realização do estudo efectuado por Reindl et al., 2007, sobre o aproveitamento de calor em sistemas tão específicos, (a desvantagem deste tipo de aproveitamento, recai em ser especifico para sistemas de elevada potência frigorífica que façam recurso da utilização de compressores de parafuso), assim como os sistemas de refrigeração com compressores alternativos ainda serem a escolha padrão para a refrigeração industrial e comercial, esta dissertação é vocacionada para a análise e avaliação das metodologias de calor possíveis de implementar nas fontes de calor residual, de qualquer que seja o sistema de refrigeração de compressão de vapor, independentemente do compressor utilizado.