3.8: Introdução à Refrigeração

Atenção: Este experimento envolve sistemas com pressões elevadas e uso de refrigerantes, que podem ser tóxicos em altas concentrações. Certifique-se de que as precauções de segurança razoáveis sejam seguidas e que os EPI apropriados sejam usados. Certifique-se de ventilação adequada ao trabalhar com refrigerantes.

1. Fabricação do sistema de refrigeração (ver diagrama e fotografia, Fig. 3)

1. Construa o compressor de vapor conectando primeiro uma porta de um cilindro pneumático de ação dupla a um tee de encaixe do tubo. Instale uma válvula Schraeder na outra porta do cilindro pneumático. Instale válvulas unidirecional (verificação) nas duas outras portas do tee, uma apontando para dentro e outra apontando para fora. Isso permite que o refrigerante seja retirado do evaporador e expelido para o condensador em alta pressão.
2. Usando mais duas tees de encaixe do tubo, instale mordaças de pressão rio acima e rio abaixo do compressor.
3. Uma bomba de piso de bicicleta de alta pressão é usada para acionar o compressor. Remova a conta de borracha (componente da válvula de verificação) do encanamento da bomba de bicicleta. Isso permitirá que o compressor se expanda e desenhe em refrigerante entre os traçados de bombeamento. Conecte a mangueira da bomba de bicicleta à válvula Schraeder no compressor.
4. Forme uma fina bobina de tubulação de alumínio (3,2 mm de diâmetro externo) para atuar como condensador. No sistema protótipo (Fig. 3), a bobina foi formada por envoltório helicoidal da tubulação de alumínio em torno de um núcleo de tubo de borracha rígido de 2,5 cm de diâmetro para quatro voltas (~50 cm de comprimento total). O comprimento da bobina do condensador não é crítico para este experimento em pequena escala.
5. Conecte uma extremidade da bobina do condensador à porta aberta do encaixe do tubo a jusante da gagem de pressão usando um encaixe de compressão (McMaster Inc.part #5272K291 sugerido).
6. Instale um tubo de PVC curto e claro em dois cotovelos de tubulação redutor. Este componente funcionará como o reservatório refrigerante de alta pressão. Conecte o reservatório à saída da tubulação do condensador.
7. Instale uma válvula de esfera em uma camiseta de tubo com um conector de encaixe de sinalização AN/SAE. Esta será a porta de carregamento. Conecte um medidor de fluxo de agulha a um lado da do tubo. Este será o dispositivo de expansão. Usando o tubo de alumínio estreito, conecte a outra porta do tubo ao ponto baixo do reservatório refrigerante.
8. Forme uma segunda bobina de tubulação de alumínio para agir como o evaporador. Conecte-o entre a saída da válvula da agulha e a entrada do compressor.
9. Encha o sistema com ar comprimido (550 kPa se disponível) através da porta de carregamento. Use um spray de água com sabão para identificar quaisquer vazamentos de encanamento e faça reparos conforme necessário.
10. Conecte os termoparles ao condensador e às bobinas do evaporador para medição da temperatura.

Figura 3: a. Diagrama de componentes e conexões em sistema experimental de refrigeração de compressão de vapor. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4: T - s (a) e P - h (b) diagramas para o ciclo experimental de refrigeração de compressão de vapor R-134a.

2. Carregar o sistema de refrigeração

1. Conecte a porta média de um coletor de carregamento refrigerante à porta de carregamento da geladeira. Conecte uma bomba de vácuo à porta de baixa pressão do coletor e uma lata de refrigerante à porta de alta pressão. R134a é o refrigerante mais disponível, e é usado aqui. R1234ze(E) pode ser uma opção melhor porque sua baixa pressão de saturação permitiria uma operação mais fácil do compressor, e seu baixo GWP reduziria os impactos ambientais de quaisquer vazamentos.
2. Execute a bomba de vácuo e abra gradualmente todas as válvulas do sistema para remover todo o ar. Abra brevemente a válvula do recipiente de refrigeração para limpar qualquer ar do conjunto.
3. Uma vez alcançado o vácuo, isole a bomba de vácuo e feche a porta de baixa pressão no coletor de carregamento refrigerante. Inverta o recipiente de refrigerante e injete refrigerante líquido no sistema até que o nível no reservatório de alta pressão esteja ligeiramente acima do nível da válvula da agulha.

3. Operação

1. Ajuste a válvula da agulha até que ela mal esteja aberta.
2. Opere a geladeira bombeando a bomba de bicicleta conectada ao cilindro pneumático do compressor.
3. Acompanhe as pressões altas e baixas laterais e as temperaturas do evaporador e do condensador até que as condições de estado estáveis sejam atingidas. Registos e valores de temperatura. Note que a maioria dos medidores de pressão relatam pressão de mordia. Isso pode ser convertido em pressão absoluta adicionando aproximadamente 101 kPa.
4. Indicar os pontos de estado (1-4) e curvas de conexão aproximadas em diagramas T-s e P-h (Fig. 4).

Os sistemas de refrigeração são onipresentes e têm um enorme impacto no nosso dia a dia. Sempre que você armazena alimentos na geladeira ou no freezer, ou liga o ar condicionado, está colocando os sistemas de refrigeração em uso. Fundamentalmente, a tarefa desses sistemas é remover o calor de um reservatório frio e depositá-lo em um reservatório quente, contra a direção natural do fluxo de calor. A tecnologia dominante empregada para conseguir isso é o ciclo de compressão de vapor. Este vídeo ilustrará como funciona o ciclo de compressão de vapor e, em seguida, demonstrará como ele é usado em um sistema de refrigeração simples bombeado manualmente. No final, discutirá algumas aplicações adicionais.

O ciclo de compressão de vapor é um ciclo termodinâmico realizado em um fluido de trabalho, ou refrigerante, de modo que o calor flua para o refrigerante do reservatório frio e do refrigerante para o reservatório quente. Isso requer circulação mecânica do refrigerante, bem como transições coordenadas de seu estado termodinâmico. O ciclo aproveita a cúpula de vapor, uma região do espaço de fase do refrigerante que pode ser vista nos diagramas de entropia de temperatura e entalpia de pressão. Nesses diagramas, a região esquerda indica a fase líquida, que é parcialmente delimitada pela linha de líquido saturado, e a região direita indica a fase de vapor, que é igualmente delimitada pela linha de vapor saturado. As linhas de saturação se encontram no ponto crítico, acima do qual o fluido é super crítico. Entre as linhas de saturação, o fluido é bifásico e a temperatura é uma função da pressão, conforme indicado pelas isotermas no diagrama de entalpia de pressão. Nesta região, a temperatura e a pressão não podem ser variadas independentemente uma da outra, portanto, cada valor de pressão especifica uma temperatura. Portanto, a temperatura de uma mistura bifásica pode ser ajustada alterando a pressão. Com isso em mente, vamos examinar o ciclo de compressão de vapor. Para fins ilustrativos, suponha que R-134a seja o refrigerante e uma taxa de fluxo de massa de 0,01 kg por segundo. Existem quatro estágios no ciclo: compressão, condensação, expansão e evaporação. Cada um descreve uma transição entre os principais pontos de permanência do refrigerante. Durante a compressão, o vapor de baixa pressão entra no compressor e a entrada de trabalho no compressor é usada para pressurizar o refrigerante. Depois de deixar o compressor, o vapor de alta pressão passa para o condensador, aqui, o calor é rejeitado para o reservatório quente circundante à medida que o refrigerante se condensa isobaricamente. O refrigerante de alta pressão agora em fase líquida flui através de um dispositivo de expansão de estrangulamento. O líquido se expande de forma entroprópica ao passar e, à medida que sua pressão cai, pisca para um estado bifásico e cai para uma temperatura mais baixa. No último estágio, o refrigerante de baixa temperatura entra no evaporador e absorve o calor do reservatório de frio. Isso impulsiona a evaporação isobárica à medida que o refrigerante flui. O ciclo é concluído quando o vapor do refrigerante de baixa pressão retorna ao compressor. Neste exemplo, a capacidade de resfriamento do evaporador é de 1,67 quilowatts e a entrada de trabalho do compressor é de 0,31 quilowatts, portanto, o coeficiente de desempenho, ou eficiência do sistema, é de 5,4. Agora que você entende como o ciclo funciona, vamos construir e analisar um refrigerador simples para mostrar esses princípios em ação.

Cuidado, este experimento envolve sistemas em pressões elevadas e o uso de refrigerantes, que podem ser perigosos em altas concentrações. Sempre siga as precauções de segurança razoáveis e use equipamentos de proteção individual adequados. Garanta ventilação adequada ao trabalhar com refrigerantes. Comece a construção do sistema de refrigeração com o compressor de vapor. Instale uma válvula Schrader em uma porta de um cilindro pneumático de dupla ação e, em seguida, conecte um T de encaixe de tubulação à outra porta. Conecte as válvulas de retenção nas duas portas restantes do tee, de modo que uma aponte para dentro e a outra para fora. Essa configuração permitirá que o refrigerante seja aspirado do evaporador e expelido para o condensador em alta pressão. O compressor será acionado por uma bomba de piso de bicicleta de alta pressão modificada. Remova o componente da válvula de retenção do cordão de borracha do encanamento da bomba da bicicleta. Isso permitirá que o compressor se expanda e aspire refrigerante entre os cursos de bombeamento. Instale os T de encaixe de tubulação com manômetros em ambos os lados do compressor, para que a pressão a montante e a jusante possa ser monitorada. As conexões em T são conectadas por meio de válvulas de retenção, que permitem apenas o fluxo em uma direção. Quando o pistão é estendido, a válvula de retenção esquerda permite a entrada do evaporador de baixa pressão para o volume do compressor. Quando o pistão é pressionado, o vapor é pressurizado e forçado através da válvula de retenção direita para o condensador de alta pressão. Ao girar o pistão, um fluxo contínuo de vapor de baixa pressão pode ser retirado do evaporador e entregue ao condensador em alta pressão. O próximo estágio do sistema é o condensador, que construiremos a partir de um pedaço de tubo de alumínio. Forme a tubulação em uma bobina, envolvendo-a em torno de um núcleo de borracha rígida de 2,5 centímetros de diâmetro por quatro voltas e, em seguida, use um encaixe de compressão para prender uma extremidade à porta aberta do T, a jusante do compressor. Certifique-se de instalar e apertar as conexões de acordo com as diretrizes do fabricante. Em seguida, instale um pequeno pedaço de tubo de PVC transparente entre dois cotovelos de tubo redutor. Este atuará como reservatório para o refrigerante de alta pressão, conectado à saída da tubulação do condensador com outro encaixe de compressão. O próximo estágio é o expansor, mas este também é um local conveniente para adicionar uma porta de carregamento para encher e drenar o refrigerante. Construa a porta de carregamento combinando um conector de encaixe de alargamento ANSAE com uma válvula de esfera e outro T de tubo. Conecte uma válvula de agulha a um lado do T do tubo para o dispositivo de expansão. Finalmente, use outra seção de tubulação de alumínio para conectar a terceira porta do T do tubo ao ponto baixo do reservatório. A única seção restante é o evaporador. Forme uma segunda bobina de tubo de alumínio usando a mesma técnica de antes e conecte-a entre a saída da válvula de agulha e a entrada do compressor, para completar o circuito de refrigeração. Agora que o sistema está montado, encha-o com ar comprimido através da porta de carregamento para testar se há vazamentos. Use um spray de água com sabão para identificar quaisquer conexões com vazamento e fazer os reparos necessários. Por fim, conecte os termopares às serpentinas do condensador e do evaporador para medição de temperatura. Agora você está pronto para carregar e operar o refrigerador.

O carregamento é um processo de duas etapas. O ar é primeiro evacuado do sistema e, em seguida, o refrigerante é adicionado. Conecte a porta do meio de um coletor de carregamento de refrigerante à porta de carregamento do refrigerador. Em seguida, conecte uma bomba de vácuo à porta de baixa pressão do coletor e uma lata de refrigerante à porta de alta pressão. Feche todas as válvulas e ligue a bomba de vácuo. Abra gradualmente todas as válvulas do sistema para evacuar o ar do sistema. Depois que o ar for evacuado do sistema, abra brevemente a válvula do recipiente de refrigerante para limpar o ar da linha de refrigerante e, em seguida, feche-a novamente. Agora que todo o ar foi evacuado, isole a bomba de vácuo fechando a porta de baixa pressão no coletor de carga de refrigerante. Inverta o recipiente de refrigerante e injete refrigerante líquido no sistema até que o nível no reservatório de alta pressão esteja ligeiramente acima do nível da válvula de agulha. A última etapa é ajustar a válvula de agulha até que ela esteja mal aberta e, em seguida, conectar a mangueira da bomba da bicicleta à válvula Schrader no compressor. Opere o refrigerador bombeando a bomba da bicicleta, ao fazê-lo, rastreie as pressões laterais altas e baixas, bem como as temperaturas do evaporador e do condensador. Quando as condições de estado estacionário forem atingidas, registre essas pressões e valores de temperatura. Se os medidores relatarem a pressão manométrica, ou seja, a pressão relativa à atmosfera, converta as leituras em pressão absoluta adicionando uma atmosfera à leitura.

Dê uma olhada nos resultados de desempenho do seu refrigerador. Primeiro, compare as temperaturas medidas com as temperaturas de saturação correspondentes do refrigerante nas baixas e altas pressões medidas. Nesse caso, as medidas correspondem de perto. A discrepância da temperatura do evaporador pode ser devido à transferência de calor do ar ambiente para o exterior do termopar. A temperatura do condensador corresponde à tolerância experimental, mas isso também pode parecer mais quente do que o esperado se o termopar for colocado muito perto da parte superaquecida do condensador. Termine a análise indicando os pontos de estado e as curvas de conexão aproximadas nos diagramas de entropia de temperatura e entalpia de pressão. Você pode ver que o sistema simples produz desempenho limitado com baixa capacidade de resfriamento e baixa elevação, em comparação com os sistemas comerciais. Como grande parte do trabalho de entrada é gasto comprimindo o ar na bomba da bicicleta, o desempenho pode ser melhorado com um refrigerante de pressão mais baixa. Além disso, usar uma válvula de expansão que possa manter uma diferença de pressão maior seria benéfico. A maioria dos sistemas comerciais emprega uma válvula de expansão com temperatura controlada, que ajusta dinamicamente sua abertura para manter a temperatura desejada do evaporador. Agora que analisamos o processo básico, vamos dar uma olhada em algumas outras aplicações típicas.

O ciclo de compressão de vapor é a tecnologia de refrigeração dominante usada em muitos dispositivos comuns. O gerenciamento térmico para eletrônicos tornou-se cada vez mais importante à medida que o tamanho dos componentes diminuiu constantemente, enquanto as demandas por potência e velocidade cresceram. O resfriamento de supercomputadores e outros eletrônicos de alta potência usando o ciclo de compressão de vapor tem muitas vantagens sobre outras tecnologias. O ciclo de compressão de vapor também pode ser usado como uma bomba de calor. Neste modo, o calor é adquirido no evaporador de ambientes de baixa temperatura e, em seguida, entregue a um espaço condicionado mais quente. Este pode ser um modo eficiente de aquecimento em comparação com o aquecimento por resistência direta, porque a maior parte do calor fornecido é extraída do ambiente e apenas uma pequena parte é fornecida ao compressor como trabalho mecânico.

Você acabou de assistir à introdução de Jove à refrigeração e à cúpula de vapor. Agora você deve entender como o ciclo de compressão de vapor é implementado em sistemas de refrigeração e como analisar o desempenho usando diagramas de entropia de temperatura e entalpia de pressão. Obrigado por assistir.