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Introdução à Refrigeração

Overview

Fonte: Alexander S Rattner e Christopher J Greer; Departamento de Engenharia Mecânica e Nuclear, Universidade Estadual da Pensilvânia, Parque Universitário, PA

Este experimento demonstra os princípios da refrigeração de compressão de vapor. O ciclo de compressão de vapor é a tecnologia dominante de refrigeração, encontrada na maioria dos refrigeradores, freezers, sistemas de ar condicionado e bombas de calor. Neste ciclo, o resfriamento (aquisição de calor) é alcançado com evaporação de baixa pressão do refrigerante. A energia térmica absorvida na evaporação é rejeitada ao ambiente através de condensação refrigerante de alta pressão. O trabalho mecânico é aplicado no compressor para elevar o fluido de trabalho de baixa a alta pressão.

Embora a tecnologia de refrigeração seja onipresente, a ocultação de embalagens e o funcionamento autônomo da maioria dos frigoríficos dificulta a apreciação dos princípios operacionais e da função dos componentes-chave. Neste experimento, é construído um refrigerador de compressão de vapor rudimentar. O compressor é acionado manualmente com uma bomba de bicicleta, permitindo a apreciação intuitiva da operação do ciclo à medida que o experimentador se torna parte do sistema. Pressões e temperaturas componentes resultantes podem ser interpretados em termos dos diagramas termodinâmicos T-s e P-h, que capturam a variação das propriedades do fluido dos estados líquido-vapor (durante a evaporação e condensação).

Principles

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O ciclo de compressão de vapor é composto por quatro componentes principais: o compressor de vapor, condensador (rejeição de calor de alta temperatura), dispositivo de expansão e evaporador (aquisição de calor de baixa temperatura) (Fig. 1). O ciclo pode ser descrito com quatro pontos-chave do estado.

• 1 → 2: Refrigerante de vapor de baixa pressão flui para dentro do compressor e é comprimido para a pressão lateral.

• 2 → 3: O vapor refrigerante pressurizado condensa-se à fase líquida isobaricamente (pressão constante), rejeitando o calor ao ambiente.

• 3 → 4: Refrigerante líquido flui através do dispositivo de expansão do estrangulamento isenthalpicamente (entalpia constante), piscando para um estado de duas fases à medida que sua pressão cai. Isso reduz a temperatura do refrigerante à temperatura de saturação à pressão baixa.

• 4 → 1: Refrigerante de baixa temperatura recebe calor do entorno e continua evaporando à medida que flui pelo evaporador isobaricamente.

As transições entre esses pontos de estado podem ser mapeadas em diagramas termodinâmicos. Nestes diagramas de entropia de temperatura(T-s, Fig. 2a) e pressão-entalpia(P-h, Fig. 2b), o lado esquerdo da cúpula representa a fase líquida e o lado direito representa a fase de vapor. Dentro da cúpula de vapor, o fluido é em duas fases e a temperatura é uma função de pressão. A transferência de energia para ou do sistema em cada etapa do processo pode ser avaliada pela mudança na entalpia multiplicada pela taxa de fluxo de massa refrigerante (mudança positiva: aquisição de energia, negativa: rejeição térmica ao ambiente). Considere um sistema de ar condicionado representativo utilizando refrigerante R-134a a uma taxa de fluxo de Equation 1 = 0,01 kg s-1 com os seguintes valores de ponto de estado (Tabela 1).

Tabela 1 - Pontos de estado do ciclo de refrigeração representativo

Ponto Pressão
(P, kPa)
Temperatura
(T, °C)
Entalpia
(h, kJ kg-1)
Entropia
(s, kJ kg-1 K-1)
Qualidade
(Q)
1 402.2 17.0 263.0 0.953 1
2 815.9 57.1 293.6 1.000 1
3 815.9 32.0 96.5 0.357 0
4 402.2 9.1 96.5 0.363 0.169

Aqui, a capacidade de resfriamento no evaporador é avaliada como Equation 2 = 1,67 kW. A entrada de trabalho do compressor é Equation 3 = 0,31 kW. A eficiência do sistema, ou coeficiente de desempenho (COP), é Equation 4 = 5,4.

Figure 1
Figura 1: Esquema do ciclo de refrigeração da compressão de vapor

Figure 2
Figura 2: T-s (a) e P-h (b) diagramas para o ciclo representativo de compressão de vapor R-134a com pontos estaduais listados na Tabela 1.

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Procedure

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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.

Figure 3
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.

Figure 4
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 eles têm um enorme impacto no nosso dia a dia. Toda vez que você armazena alimentos na geladeira ou freezer, ou liga o ar condicionado, você está colocando sistemas de refrigeração para usar. 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 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 simples sistema de refrigeração bombeado à mão. 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 tal forma que o calor fluirá 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 refrigerante que pode ser visto na entropia de temperatura e diagramas de pressão. Nestes diagramas, a região esquerda indica fase líquida, que é parcialmente delimitada pela linha líquida saturada, e a região direita indica fase de vapor, que é igualmente delimitada pela linha de vapor saturada. 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 de duas fases e a temperatura é uma função de pressão, como indicado pelos isotherms no diagrama de pressão. Nesta região, a temperatura e a pressão não podem ser variadas independentes umas das outras, de modo que cada valor de pressão especifica uma temperatura. Portanto, a temperatura de uma mistura de duas fases pode ser ajustada alterando a pressão. Com isso em mente, vamos examinar o ciclo de compressão de vapor. Para fins de ilustração, 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 pontos-chave do refrigerante. Durante a compressão, o vapor de baixa pressão entra no compressor e a entrada de trabalho para o 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 como o refrigerante condensa isobaricamente. O refrigerante de alta pressão agora em fase líquida, então flui através de um dispositivo de expansão de estrangulamento. O líquido expande isentropicamente ao passar, e à medida que sua pressão cai, pisca para um estado de duas fases, e cai a uma temperatura mais baixa. No último estágio, o refrigerante de baixa temperatura entra no evaporador e absorve calor do reservatório frio. Isso impulsiona a evaporação isobárica à medida que o refrigerante flui. O ciclo é concluído quando o vapor refrigerante de baixa pressão retorna ao compressor. Neste exemplo, a capacidade de resfriamento do evaporador é de 1,67 quilowatts, e o insumo 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 funciona o ciclo, vamos construir e analisar uma geladeira simples para mostrar esses diretores em ação.

Cuidado, este experimento envolve sistemas a pressões elevadas e o uso de refrigerantes, que podem ser perigosos em altas concentrações. Siga sempre as precauções razoáveis de segurança e use equipamentos de proteção individual adequados. Certifique-se de ventilação adequada ao trabalhar com refrigerantes. Comece a construção do sistema de geladeira com o compressor de vapor. Instale uma válvula Schrader em uma porta de um cilindro pneumático de ação dupla e, em seguida, conecte uma camiseta de encaixe do tubo à outra porta. Anexar válvulas de verificação nas duas portas restantes do tee, de modo que uma aponta para dentro e a outra aponta para fora. Esta configuração permitirá que o refrigerante seja retirado do evaporador e expelido para o condensador em alta pressão. O compressor será acionado por uma bomba modificada de piso de bicicleta de alta pressão. Remova o componente da válvula de verificação de contas de borracha do encanamento da bomba de bicicleta. Isso permitirá que o compressor se expanda e desenhe em refrigerante entre os traçados de bombeamento. Instale tees de encaixe do tubo com medidores de pressão em ambos os lados do compressor, para que a pressão a montante e a correnteza possam ser monitoradas. Os encaixes do tee são conectados através de válvulas de verificação, que só permitem o fluxo em uma direção. Quando o pistão é estendido, a válvula de verificação esquerda permite a entrada do evaporador de baixa pressão para o volume do compressor. Quando o pistão está deprimido, o vapor é pressurizado e forçado através da válvula de verificação direita para o condensador de alta pressão. Ao pedalar o pistão, um fluxo contínuo de vapor de baixa pressão pode ser extraído do evaporador e entregue ao condensador em alta pressão. A próxima etapa do sistema é o condensador, que construiremos a partir de um comprimento de tubo de alumínio. Forme a tubulação em uma bobina, envolvendo-a em torno de um núcleo de borracha rígido de 2,5 centímetros de diâmetro para quatro voltas e, em seguida, use um encaixe de compressão para anexar uma extremidade à porta aberta do tee, rio abaixo do compressor. Certifique-se de instalar e apertar os encaixes nas diretrizes do fabricante. Em seguida, instale um curto comprimento de tubo de PVC claro entre dois cotovelos de tubulação redutor. Este funcionará como o reservatório para o refrigerante de alta pressão, conectado à saída do tubo condensador com outro encaixe de compressão. A próxima etapa é o expansão, mas este também é um lugar conveniente para adicionar uma porta de carregamento para enchimento e drenagem de refrigerante. Construa a porta de carregamento combinando um conector de encaixe de sinalização A.N.S.A.E. com uma válvula de esfera e outra tacada de tubo. Conecte uma válvula de agulha a um lado do tubo para o dispositivo de expansão. Por fim, utilize outra seção de tubos de alumínio para conectar a terceira porta 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 da agulha e a entrada do compressor, para completar o laço de refrigeração. Agora que o sistema está montado, preencha-o com ar comprimido através da porta de carregamento para testar quaisquer vazamentos. Use um spray de água com sabão para identificar quaisquer conexões com vazamentos e fazer reparos conforme necessário. Por fim, conecte os termoparles às bobinas condensadoras e evaporadoras para medição da temperatura. Você está pronto para carregar e operar a geladeira.

O carregamento é um processo de duas etapas. O ar é primeiro evacuado do sistema e, em seguida, refrigerante é adicionado. Conecte a porta média de um coletor de carregamento refrigerante, à porta de carregamento da geladeira. 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 qualquer ar da linha refrigerante e, em seguida, fechá-lo novamente. Agora que todo o ar foi evacuado, isole a bomba de vácuo fechando 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. O último passo é ajustar a válvula da agulha até que ela mal esteja aberta e, em seguida, conectar a mangueira da bomba de bicicleta à válvula Schrader no compressor. Opere a geladeira bombeando a bomba de bicicleta, como você faz, rastreie as pressões laterais altas e baixas, bem como as temperaturas do evaporador e do condensador. Quando as condições de estado estáveis são atingidas, registo essas pressões e valores de temperatura. Se os medidores relatarem pressão de medidor, que é pressão relativa à atmosfera, então converta as leituras em pressão absoluta adicionando uma atmosfera à leitura.

Dê uma olhada nos resultados de desempenho da sua geladeira. Primeiro, compare as temperaturas medidas com as temperaturas correspondentes de saturação do refrigerante nas baixas e altas pressões medidas. Neste caso, as medidas batem 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 porção super aquecida do condensador. Termine a análise indicando os pontos do estado e curvas de conexão aproximadas na entropia de temperatura e diagramas de entalpia de pressão. Você pode ver que o sistema simples produz desempenho limitado com baixa capacidade de resfriamento e baixo elevador, em comparação com sistemas comerciais. Como grande parte do trabalho de entrada é de ar comprimido gasto na bomba de bicicleta, o desempenho poderia ser melhorado com um refrigerante de menor pressão. 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 controlada por temperatura, que ajusta dinamicamente sua abertura para manter a temperatura desejada do evaporador. Agora que analisamos o processo básico, vamos olhar para algumas outras aplicações típicas.

O ciclo de compressão de vapor é a tecnologia dominante de refrigeração usada em muitos dispositivos de lugar comum. A termomanagem para eletrônicos tornou-se cada vez mais importante à medida que o tamanho dos componentes diminuiu constantemente, enquanto as demandas por energia e velocidade têm crescido. Resfriamento de super computadores e outros eletrônicos de alta potência usando o ciclo de compressão de vapor, tem muitas vantagens em relação a 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 a partir de ambientes de baixa temperatura e, em seguida, entregue a um espaço mais quente condicionado. Este pode ser um modo eficiente de aquecimento em comparação com o aquecimento de resistência direta, pois a maior parte do calor entregue é extraído do ambiente, e apenas uma pequena porção é fornecida ao compressor como trabalho mecânico.

Você acabou de assistir a 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 entropia de temperatura e diagramas de entalpia de pressão. Obrigado por assistir.

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Results

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Palto 659 ± 7 kPa
Pbaixo 569 ± 7 kPa
AmbienteT 22,0 ± C
Tcond 25,0 ± C Tsáb,R-134a (Palto) 24,7 ± 0,3 °C
Tevap 21,1 ± C Tsáb,R-134a (Pbaixo) 19,8 ± 0,4 °C

Mesa 2. Sistema de refrigeração mediu propriedades.

As temperaturas da superfície externa do condensador medido e do evaporador estão relativamente próximas das temperaturas de saturação em Palta e Pbaixas. A temperatura do evaporador é ligeiramente maior do que Tsat,R-134a (Pbaixa),possivelmente devido à transferência de calor do ar ambiente para o termopar exterior. A temperatura do condensador é ligeiramente maior do que Tsat,R-134a (Pbaixo),mas dentro da incerteza experimental. Esta temperatura também pode ser medida na porção mais quente super-aquecida do condensador.

Os diagramas de ciclo T-s e P-h aproximados para este sistema são apresentados na Fig. 4.

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Applications and Summary

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Este experimento demonstrou os princípios da refrigeração de compressão de vapor. É certo que o sistema experimental produz desempenho limitado - com baixa capacidade de resfriamento(evapQ) e baixo elevador (diferença de temperatura evaporador-ambiente). No entanto, oferece uma introdução intuitiva ao design e à física da compressão de vapor. As etapas de análise de dados demonstram o uso de diagramas T-s e P-h para descrever a operação do ciclo termodinâmico.

Grande parte do trabalho de entrada é gasta na compressão de ar na bomba de bicicleta. O uso de um refrigerante de pressão mais baixa (por exemplo,R1234ze(E)) reduziria este trabalho e poderia permitir maiores diferenças de temperatura evaporador-condensador. Além disso, a válvula de expansão empregada aqui só poderia manter diferenças relativamente pequenas de pressão lateral baixa a alta. Uma válvula alternativa com controle de ajuste mais fino pode ser preferível. Na maioria dos sistemas comerciais de refrigeração, é utilizada uma válvula de expansão controlada por temperatura (TXV), que ajusta dinamicamente sua abertura para manter a temperatura desejada do evaporador.

O ciclo de compressão de vapor é a tecnologia de refrigeração mais utilizada. É encontrado em quase todos os condicionadores de ar domésticos e geladeiras, bem como refrigeradores e freezers em escala industrial. O ciclo também pode ser usado como uma bomba de calor. Neste modo, ele adquire calor no evaporador a partir do ambiente de baixa temperatura, e o entrega a um espaço condicionado mais quente. Este pode ser um modo eficiente de aquecimento em comparação com o aquecimento de resistência direta, pois a maior parte do calor entregue é extraído do ambiente e apenas uma pequena porção é fornecida ao compressor como trabalho mecânico.

Este experimento também demonstra o uso de diagramas termodinâmicos T-s e P-h. Estas são ferramentas críticas para análise e engenharia de inúmeros sistemas de energia, incluindo operações de processamento químico, ciclos de refrigeração e geração de energia.

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Transcript

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