5.3 Departementets vurderinger og forslag
5.3.2 Overfor arbeidsgiver
A refrigeração é um processo pelo qual a temperatura dos corpos ou fluidos em geral diminui. Existem vários métodos possíveis para proceder ao abaixamento da temperatura das substâncias. Encontramos neste caso o arrefecimento por contacto directo com água, métodos baseados em mudança de estado (fusão, vaporização e sublimação), e outros métodos especiais como a refrigeração termoeléctrica ou o efeito termomagnético.
O abaixamento da temperatura com água é muito utilizado nas fileiras das hortofrutícolas através do seu contacto directo com a água fria.
A diminuição da temperatura de um meio material através de dissolução de substâncias ou sais em determinados líquidos realiza-se mediante a utilização de misturas crioscópicas, baseada na sua capacidade em absorver o calor, de acordo com a lei de Raoult (processo endotérmico) (Pineda, 2001).
Nos processos que envolvem a mudança de fase (calor latente) encontramos a fusão do gelo (0°C) ou a fusão de misturas eutécticas (-4 a -65°C), a sublimação do CO2 (-78,5°C), a
vaporização directa do N2 (-196°C), e a vaporização indirecta de um fluido (máquina de
compressão de vapor, absorção, adsorção e de injecção de vapor).
Os processos de refrigeração termoeléctrica ou o efeito termomagnético envolvem efeitos especiais, tais como o efeito Peltier, Hass-Keenson e Ettings-Hausen (Pineda, 2001).
Alguns dos métodos de produção de frio acima referidos apresentam características de produção descontínua (misturas crioscópicas, fusão do gelo, sublimação do CO2 e a vaporização directa do
N2) e os processos especiais disponibilizam baixas capacidades de refrigeração, são muito caros e
complexos, sendo por isso pouco utilizados.
Segundo Koelet (2002) os principais sistemas de refrigeração usados actualmente nos estabelecimentos, são aqueles que produzem o frio de forma continua e utilizam fluidos frigorigéneos, em circuito fechado, dos quais se destacam os sistemas de compressão de vapor, sistemas de absorção e sistemas de expansão de ar ou gás.
No sistema de refrigeração por compressão de vapor é utilizado um compressor mecânico, que consome energia eléctrica, para elevar a pressão do vapor de fluido frigorigéneo para um nível de pressão superior e uma temperatura do vapor mais elevada que a do meio dissipador de calor para realizar a transferência de calor e condensar para a forma líquida. O fluido frigorigéneo na forma líquida sofre uma queda de pressão para o nível inferior reunindo as condições adequadas para absorver o calor do meio a refrigerar através da sua vaporização (Martín, 2005).
O sistema de produção de frio por absorção é composto por um gerador ou fervedor, um condensador, uma válvula de expansão, um evaporador, um absorvedor e uma bomba. Neste sistema utiliza-se energia térmica fornecida do exterior para movimentar o fluido frigorígeneo. A energia exterior aquece a solução, por exemplo de água e amoníaco, no fervedor promovendo a separação do amoníaco na fase gasosa, e a sua rectificação para libertar as pequenas quantidades de vapor de água que o acompanham. O processo de aquecimento provoca o aumento de pressão do vapor, fazendo-o entrar no condensador, onde condensa e se dirige para o evaporador passando pela válvula de expansão. O fluido frigorígeneo ao passar no evaporador, vaporiza novamente, produzindo o frio e o gás é recolhido no absorvedor onde se mistura com o líquido aí existente e forma nova solução que é bombeada para o fervedor, iniciando novo ciclo (Koelet, 2002).
O sistema de expansão de ar ou gás utiliza a energia mecânica para realizar a compressão do ar ou do gás até um nível de pressão muito elevada. Em seguida, o ar ou gás comprimido é arrefecido e expande-se para um nível de pressão mais baixa. Durante o processo de expansão a temperatura do ar ou gás diminui bastante, produzindo dessa forma o efeito de refrigeração. Este sistema utiliza o calor sensível do ar ou gás para efectuar o arrefecimento do meio a refrigerar ao contrário da máquina de compressão a vapor ou de absorção que se baseiam no princípio do calor latente do fluido.
O sistema de compressão de vapor domina as aplicações de produção de frio com mais de 90% de todas as produções a nível mundial (Devotta e Sicars, 2005; Toro, 2006). Esta abrangência deve- se em grande parte à facilidade com que satisfaz os níveis de temperatura usados nas indústrias, configuração simples, tecnologia desenvolvida, grande versatilidade, baixo custo, bom desempenho e boa eficiência energética comparativamente aos outros tipos de sistemas e não influencia excessivamente as condições ambientais durante o seu funcionamento (Toro, 2006; Wang, 1999).
O objectivo do sistema de refrigeração é o de retirar a energia sob a forma de calor do interior do meio que se pretende refrigerar mediante a utilização do trabalho exterior, que é fornecido ao sistema (Langley, 2009). O seu desempenho é avaliado através do parâmetro eficiência
()
,também designado por “coeficiente de performance” (COP) que se define como a relação entre o calor removido do ambiente a baixa temperatura e o trabalho fornecido do exterior, de acordo com a equação 2.1.
exterior
do
fornecido
trabalho
a
temperatur
baixa
a
ambiente
do
removido
Calor
(2.1)
O valor máximo da eficiência de um ciclo frigorífico obtém-se quando o sistema trabalha de acordo com as condições impostas no ciclo de Carnot. Este ciclo admite uma compressão adiabática e reversível (isentrópica), uma cedência de calor a temperatura constante (isotérmica), expansão adiabática e reversível (isentrópica), e finalmente uma expansão a temperatura constante (isotérmica), respectivamente. O ciclo pressupõe que a compressão e a expansão adiabática se realizam em sistemas isolados, sem trocas de calor com o meio exterior, sem atritos nem perdas de energia e a compressão e expansão isotérmica admitindo a existência de uma fonte fria e quente de dimensões infinitas para que o calor possa ser extraído e cedido, respectivamente, sem provocar alteração no valor das temperaturas da fonte fria (T1) e da fonte
quente (T2) (Koelet, 2002; Pineda, 2001; Wang, 1999).
A figura 2.1 apresenta o esquema do Ciclo inverso da máquina de Carnot, com indicação das respectivas transformações, no diagrama P-h (Mollier).
Figura 2.1 – Representação do Ciclo inverso da máquina de Carnot e das transformações que o constituem, no Diagrama P-h (Mollier).
A eficiência da máquina frigorífica do Ciclo de Carnot que funciona entre as temperaturas da fonte fria (T1) e da fonte quente (T2), com o valor das temperaturas em Kelvin (K), é só função
do valor destas duas propriedades, conforme se apresenta na equação 2.2. 1 2 1
T
T
T
carnot
(2.2) Por motivos de natureza técnica, mecânica, física e económica a eficiência do ciclo de uma máquina real difere muito da eficiência de Carnot e para efeitos comparativos é usual utilizarmos um ciclo mais próximo do funcionamento de uma máquina real, neste caso o ciclo teórico (Langley, 2009).No ciclo teórico admite-se que a compressão e a queda de pressão na válvula de expansão se realizam segundo uma transformação isentrópica e isentálpica, respectivamente. Segundo (Langley, 2009) estas modificações acarretam uma diminuição da eficiência do ciclo, promovida pela diminuição da capacidade de refrigeração e do aumento do trabalho do compressor.
A Figura 2.2 mostra um esquema básico de um sistema de refrigeração por compressão de vapor, com seus principais componentes, e o seu respectivo ciclo teórico construído sobre um diagrama de Mollier, no plano P-h. Os equipamentos esquematizados na referida figura representam,
genericamente, qualquer dispositivo capaz de realizar os respectivos processos específicos indicados.
Na referida figura, os circuitos de alta pressão serão representados a vermelho e os de baixa pressão a azul.
Figura 2.2 - Esquema básico do sistema de refrigeração e diagrama P-h (Mollier) do Ciclo Teórico de compressão de vapor-
Conforme representado no diagrama P-h, da figura 2.2, o ciclo teórico de compressão a vapor é constituído por uma compressão isentrópica (processo 1 - 2), um arrefecimento e condensação do vapor até liquido saturado a pressão constante (processo 2 – 3), uma expansão isentálpica até à pressão de evaporação (processo 3 – 4) e finalmente uma evaporação do fluido a pressão e temperatura constante até ao estado de vapor saturado (processo 4 – 1).
Neste ciclo, o trabalho fornecido pelo compressor é utilizado para aumentar a pressão do vapor saturado, até atingir a pressão de condensação. No final da compressão o vapor sobreaquecido, passa no condensador e transfere o calor para o meio exterior e condensa passando ao estado de líquido saturado. O fluido frigorigéneo é encaminhado para a válvula de expansão e sofre uma diminuição de pressão até chegar à pressão de evaporação, como uma mistura de líquido mais vapor (baixos valores do título
). Seguidamente, o fluido frigorígeneo passa no evaporador onde absorve o calor do meio a refrigerar e vaporiza, seguindo em direcção ao compressor, onde recomeça um novo ciclo.Alguns dos principais parâmetros utilizados na caracterização do ciclo teórico de compressão de vapor são o efeito frigorífico específico (
e. ef.
.
), potência frigorífica (Q
evap), potência cedida no condensador (Q
cond) e a potência do compressor (W
comp) (Langley, 2009; Pineda, 2001).O efeito frigorífico específico (
e. ef.
.
) representa a quantidade de calor absorvido porquilograma de fluido frigorígeneo no evaporador e é definido, pela equação 2.3, como a diferença entre o valor da entalpia do fluido frigorígeneo à saída e à entrada do evaporador, representados na figura 2.2 por ponto 1 e ponto 4, respectivamente.
e.f.e.
(h
1h
4)
(kJ/kg) (2.3) A potência frigorífica ou capacidade de refrigeração (Q
evap) corresponde à quantidade de calor que por unidade de tempo é absorvido pelo fluido frigorígeneo no evaporador, sendo definida pela equação 2.4 como o produto do caudal mássico de fluido frigorígeneom
e o efeito frigorífico específico do ciclo (e. ef.
.
).
Q
evapmh
1h
4
(kW) (2.4) No caso da potência cedida pelo condensador (Q
cond), esta grandeza traduz a quantidade de calor que por unidade de tempo o fluido frigorígeneo cede ao meio exterior, sendo avaliado pelo produto do caudal mássico de fluido frigorígeneom
e a diferença entre o valor da entalpia do fluido frigorígeneo à entrada e à saída do condensador (ver equação 2.5), também representados na figura 2.2, por ponto 2 e 3, respectivamente.
Q
condm
h
2h
3
(kW) ( 2.5)Finalmente, a potência específica de compressão (
W
comp), corresponde à quantidade de energia necessária para realizar o ciclo por unidade de tempo, sendo neste caso obtida pelo produto do caudal mássico de fluido frigorígeneo (m
) e o trabalho específico realizado na compressão, definido pela diferença de entalpia do fluido correspondente aos estados final e inicial da compressão, que se encontram representados na figura 2.2 pelos índices 2 e 1, respectivamente, de acordo com a equação 2.6.
W
compm
(h
2h
1)
(kW) (2.6)De acordo com (ASHRAE, 1986), a eficiência do ciclo teórico de compressão de vapor (
), é definida pelo quociente entre o efeito frigorífico específico e o trabalho específico realizado pelo compressor, como mostra a equação 2.7.1 2 4 1
h
h
h
h
W
Q
comp evap
(2.7) No ciclo teórico, a eficiência do ciclo de compressão de vapor teórico depende das temperaturas da fonte fria (T1) e da fonte quente (T2) e ainda das propriedades do fluido frigorigéneo usado nociclo (Koelet, 2002; Langley, 2009; Pineda, 2001).
O ciclo real de compressão de vapor apresenta muitas diferenças em relação ao ciclo teórico em resultado das características geométricas, mecânicas e térmicas do compressor que proporcionam fugas de fluido frigorígeneo através do pistão e das válvulas, absorção do óleo pelo fluido frigorígeneo, queda de pressão nas linhas de descarga e de sucção e perdas de energia sob a forma de calor do fluido frigorígeneo no compressor (desvia a compressão isentrópica para uma transformação politrópica (Domínguez, 2011; Koelet, 2002; Langley, 2009). Cumulativamente, ainda tem a influência de sub-arrefecimento e sobreaquecimento do fluido à saída do condensador e entrada no compressor, respectivamente (Pineda, 2001); (Koelet, 2002). Alguns destes fenómenos contribuem positivamente para a melhoria da eficiência do ciclo, como é o caso do sub-arrefecimento, mas outros, em geral, exercem uma influência negativa, como é o caso do sobreaquecimento do fluido frigorígeneo à entrada do compressor (Pineda, 2001).
Na figura 2.3 mostra-se a representação do ciclo teórico de compressão de vapor no diagrama P- h, com sub-arrefecimento (do ponto 3 até ao ponto 3’) e sobreaquecimento (do ponto 1 até ao ponto 1’), respectivamente.
Figura 2.3 – Diagrama P-h do Ciclo Teórico de compressão de vapor com sub-arrefecimento e com sobreaquecimento.
O sub-arrefecimento é produzido pela área de transferência de calor no final do condensador, durante a movimentação do fluido na linha de líquido ou no reservatório de líquido, através da cedência de calor para o meio ambiente ou por intermédio da utilização de permutadores de calor especiais de arrefecimento de líquidos, antes de chegar à válvula de expansão.
O sub-arrefecimento favorece o aumento do efeito frigorífico específico de refrigeração (
e. ef.
.
) e a eficiência frigorífica do ciclo (
). Normalmente, os sistemas de refrigeração trabalham com sub-arrefecimento entre 3 a 4°C, podendo no entanto ser superiores nos ciclos de um ou dois estados de compressão.Já quanto ao sobreaquecimento de vapor à entrada do compressor, Langley (2009) e Pineda (2001) referem que este fenómeno consiste no aquecimento do vapor saturado e que ele é desejável para evitar a entrada de líquido para o interior do compressor, pois a acontecer pode trazer danos irreparáveis a esse componente. Ainda assim, o sobreaquecimento engloba geralmente duas parcelas, uma que pode ser útil para o desempenho do sistema e outra inútil, uma vez que não trás benefícios para o mesmo. O sobreaquecimento útil contribui positivamente para aumentar o efeito frigorífico específico do ciclo, mas ao mesmo tempo o trabalho de compressão também aumenta, principalmente devido ao aumento no volume específico do vapor. Como resultado, o efeito de refrigeração volúmica do fluido frigorígeno e a eficiência do ciclo, ou COP, pode aumentar ou diminuir com sobreaquecimento dependendo do aumento relativo no efeito de refrigeração e no volume específico ((Carmona, 2009; Koelet, 2002; Pineda, 2001). Segundo Prasad (2007) o sobreaquecimento reduz o COP e o efeito de refrigeração volúmica para o fluido frigorígeneo amoníaco, aumenta para fluidos frigorígenos R134a e CO2 e
para o R22 o efeito é mais complexo, pois no inicio o efeito é favorável, passando despois a ter um efeito negativo.
As características geométricas do compressor e as propriedades do fluido frigorigéneo na zona de sucção exercem igualmente uma influência no desempenho do sistema de refrigeração real (Carmona, 2009; Koelet, 2002). Segundo Koelet (2002, Langley (2009 e Pineda (2001) o caudal volúmico aspirado pelo compressor
Vasp , é função das características do vapor à entrada docompressor e é definido pelo produto do caudal mássico do fluido frigorigéneo
m
(Kg/s) pelovolume específico do vapor à entrada do compressor.
A relação entre estes dois tipos de caudais traduz uma das principais características do compressor, que é o seu rendimento volumétrico real
volR . Este parâmetro que se define pelarelação entre o caudal volúmico aspirado
asp
V e o caudal volúmico varrido pelo pistão
(V
var)
dá-nos indicação da variação da capacidade de refrigeração. De acordo com Carmona (2009) e Koelet (2002), este parâmetro é fortemente influenciado pela razão de pressão, dimensões do compressor, acção das válvulas e do desgaste do compressor, sendo mais baixo para os compressores mais usados e com fugas nas juntas e nas válvulas e para razão de pressão mais elevada. Por outro lado, também varia com o tipo de fluido frigorigéneo, sendo mais baixo para os fluidos frigorigéneos mais densos, como os halogenados.
As perdas de energia por transferência de calor do vapor com as paredes do cilindro, as perdas de calor através das válvulas e as perdas de hermeticidade do compressor, proporcionam um desperdício de energia que obriga a um maior consumo energético do compressor comparativamente ao consumo apresentado no ciclo teórico. Este aumento de energia está relacionado com as características da compressão politrópica do fluido frigorígeneo e é geralmente avaliado através do rendimento isentrópico do compressor
(
isent)
, que se define como a relação entre a energia teórica consumida na compressão isentrópica(s
1s
2)
e a energia realmente consumida pelo compressor no decurso da transformação politrópica (equação 2.8), (Langley, 2009; López, 2005; Pineda, 2001).1 2 1 2 .
h
h
h
h
W
W
real real comp comp isent
(2.8) Tendo em conta os efeitos anteriormente referidos, a eficiência do ciclo de refrigeração real pode ser obtida através da conjugação das eq. 2.7 e eq. 2.8 (Koelet, 2002; Langley, 2009). O ciclo de refrigeração real apresenta uma eficiência bastante mais baixa em relação ao ciclo teórico de compressão de vapor. Limitações práticas, tais como o tamanho do equipamento, a pressão do sistema, e o valor das temperaturas de evaporação e de condensação, são responsáveis pela diminuição do desempenho destes sistemas. Os valores do COP do sistema real são cerca de 20% a 30% do COP teórico comparativamente ao ciclo de Carnot a funcionar nas mesmas condições. Os componentes individuais, tais como o compressor, podem ter uma eficácia de 40% a 60% do COP teórico (ETSU, 2004).As condições de trabalho (temperatura de evaporação e de condensação) são geralmente os factores que maior influência exerce no desempenho energético do ciclo de refrigeração (Koelet, 2002).
O aumento da temperatura de evaporação (Te) para a mesma temperatura de condensação (Tc),
proporciona uma diminuição do trabalho de compressão e o aumento do efeito frigorífico específico (
e. ef.
.
) contribuindo assim para o aumento da eficiência do ciclo de refrigeração (
)(Langley, 2009; Pineda, 2001; Wang, 2001).
A figura 2.4 mostra a variação da capacidade de refrigeração e a variação da potência para um compressor que trabalha com diferentes temperaturas de evaporação.
Figura 2.4 – Influência da variação da temperatura de evaporação sobre a capacidade de refrigeração e potência requerida por um compressor (temperatura de condensação constante.
Conforme se observa nesta figura, embora seja necessário mais potência de compressão pelo compressor para trabalhar a temperaturas de evaporação mais altas, a curva da energia não cresce tão rapidamente como a curva da capacidade. Na prática, isto significa que se produz mais refrigeração por unidade de potência de compressão, para maiores valores da temperatura de evaporação.
A diminuição da temperatura de condensação (Tc), favorece igualmente o aumento do efeito
frigorífico específico (e.f.e) e a capacidade do compressor e por conseguinte, melhora a eficiência do ciclo (
), (Koelet, 2002; Langley, 2009; Pineda, 2001; Prasad, 2007).A figura 2.5 mostra o efeito da variação da temperatura de condensação sobre a capacidade de refrigeração e a potência requerida pelo compressor. À medida que a temperatura de condensação e a pressão de condensação aumentam, a capacidade diminui ligeiramente, mas a potência aumenta rapidamente.
P ot ên ci a (W ) Temperatura de condensação (ºC) Potência requerida pelo compressor Capacidade de refrigeração
Figura 2.5 - Influência do aumento da temperatura de condensação sobre a capacidade de refrigeração e a potência requerida pelo compressor.
Em conclusão podemos afirmar que as pressões de condensação e de evaporação (consequentemente as temperaturas de condensação e de evaporação), bem como o tipo de fluido frigorigéneo adoptado são os parâmetros que maior influência exerce na eficiência energética do sistema de refrigeração. Devemos pois trabalhar com temperaturas de condensação o mais baixas possíveis e temperaturas de evaporação o mais altas possíveis, ou seja com razão de pressão baixa, pois fora destas condições a eficiência do ciclo de refrigeração diminui, com o consequente aumento do consumo de energia e diminuição da potência frigorífica.