Um sistema de refrigeração com um condensador arrefecido a água, funciona de forma mais eficiente, do que um sistema com um condensador arrefecido a ar devido à necessidade de temperaturas de condensação inferiores. (Silva, 2005) . Embora um sistema de refrigeração com condensador arrefecido a água ofereça esta vantagem, é necessário também um sistema mais complexo e com mais componentes, tais como bombas, tanques de armazenamento de água e torres de arrefecimento (figura 3.6).
A maioria dos condensadores arrefecidos a água, condensa o fluido frigorigéneo num permutador de calor. A água a uma temperatura inferior à temperatura do fluido frigorigéneo circula dentro do condensador removendo o calor do fluido, sendo a água posteriormente arrefecida por uma torre de arrefecimento. A temperatura de condensação, deve ser fixada num valor entre 5,0 °C e 8,0 °C maior que a temperatura da água que entra no condensador (Silva, 2005).
Um condensador arrefecido a água transfere calor sensível, nas fases de sobreaquecimento e subarrefecimento, assim como calor latente na fase de condensação. Os perfis de temperatura na realidade não são lineares, devido às regiões em que o fluido frigorigéneo se encontra no estado de vapor sobreaquecido e em líquido subarrefecido, como mostrado na figura 3.3a.
19
Figura 3.3 - Distribuição de temperaturas num condensador arrefecido a água (adaptado de W. F. Stoecker & Jabardo, 2002)
Embora isto aconteça, o efeito das mudanças de temperatura no fluido frigorigéneo em estado de vapor sobreaquecido que entra no condensador, normalmente são insignificantes devido à relação inversa entre a diferença de temperatura e coeficiente de transferência de calor do fluido frigorigéneo, sendo que o subarrefecimento ocupa apenas uma pequena parte da área da superfície do condensador.
Como resultado, W. F. Stoecker & Jabardo, 2002 e ASHRAE, 2012 demonstraram que um coeficiente de transferência de calor global médio e a diferença de temperatura média logarítmica (calculada a partir da temperatura de condensação correspondente à pressão de condensação e das temperaturas de entrada e saída da água), estabelecem uma precisão razoável, na previsão do desempenho do condensador com um perfil de temperaturas mostrado pela figura 3.3b.
Assumindo a transferência de calor entre o condensador arrefecido a água e o ambiente envolvente desprezável, assim como as alterações de energia potencial e cinética negligenciáveis, a transferência de calor total entre o fluido frigorigéneo e a água no condensador, é expressa por:
(
)
(
)
cond r ri ro w wo wi
Q
m h
h
m h
h
(3.4)onde:
cond
Q
= transferência de calor total entre o fluido frigorigéneo e a água no condensador [W]r
m
= caudal mássico de fluido frigorigéneo [kg/s]ri
h
= entalpia do fluido frigorigéneo na entrada do condensador [J/kg]ro
h
= entalpia do fluido frigorigéneo na saída do condensador [J/kg]w
m
= caudal mássico de água [kg/s]wo
h
= entalpia da água na saída do condensador [J/kg]wi
20
Utilizando o método baseado na diferença média logarítmica de temperatura para calcular o coeficiente global de transferência de calor, o balanço de calor num condensador arrefecido a água é dado por:
cond m
Q
UA T
(3.5)onde:
cond
Q
= transferência de calor entre o fluido frigorigéneo e a água no condensador [W]U
= coeficiente global de transferência de calor [W/m2·K]A
= área da superfície da troca de calor associada a U [m2]m
T
= diferença média logarítmica de temperatura [K]Uma vez que a temperatura de condensação permanece constante, a diferença média de temperaturas é independente da circulação do fluido (equicorrente ou contracorrente) a diferencia média logarítmica de temperatura é expressa por:
ln
wo wi m c wi c woT
T
T
T
T
T
T
(3.6) onde: mT
= diferença média logarítmica de temperatura [°C]wo
T
= temperatura da água na saída do condensador [°C]wi
T
= temperatura da água na entrada do condensador [°C]c
T
= temperatura de condensação do fluido frigorigéneo [°C]Existem dois tipos de condensadores arrefecidos a água que são amplamente utilizados para fins de ar condicionado e refrigeração: condensadores de duplo tubo (figura 3.4) e condensadores de tubo e carcaça (figura 3.5). Um condensador de duplo tubo consiste em dois tubos, um dentro do outro, em que a água é bombeada através do tubo interior, enquanto o fluido frigorigéneo flui no espaço entre os tubos interior e exterior, numa disposição em contracorrente. Como os condensadores de duplo tubo proporcionam uma área de condensação limitada, estes são utilizados em sistemas de refrigeração de pequena potência frigorífica (Wang, 2000).
21
Figura 3.4 - Condensador de duplo tubo (Wang, 2000)
Nos condensadores de tubo e carcaça, o fluido frigorigéneo é condensado na carcaça exterior, utilizando a água que circula dentro dos tubos. Este é o tipo de condensador mais utilizado para grandes potências frigoríficas, em sistemas de refrigeração industriais e comerciais.
Figura 3.5 - Condensador de tubo e carcaça (Wilbert F. Stoecker, 1998)
Segundo Fricke & Ridge, 2011, a maior parte das aplicações que aproveitam todo o calor de condensação, fazem-no com recurso a condensadores arrefecidos a água. Ao aproveitar o calor rejeitado pelo condensador do sistema de refrigeração, estas aplicações permitem a substituição total ou parcial da torre de refrigeração. Normalmente a água quente proveniente do condensador, é bombeada para outro permutador de calor, sendo assim o calor aproveitado por outros processos. Após o aproveitamento de calor, a água passa pela torre de refrigeração se necessário, como mostra na figura 3.6.
22
Figura 3.6 - Sistema de refrigeração com condensador arrefecido a água e aproveitamento de calor (Ernest Orlando Lawrence Berkeley National Laboratory, 2016)
Sendo que a temperatura da água aquecida pelo condensador arrefecido a água pode ser estimada pela equação:
cond wo wi w pw
Q
T
T
m c
(3.7) onde: condQ
= transferência de calor total entre o fluido frigorigéneo e a água no condensador arrefecido a água [W]wo
T
= temperatura da água na saída do condensador [°C]wi
T
= temperatura da água na entrada do condensador [°C]w
m
= caudal mássico de água [kg/s]pw
c
= calor especifico da água [J/kg·°C]O calor assim recuperado na água do condensador pode ser utilizado directamente como fluido de processo, ou passar por um permutador de calor para aquecimento de ar.