Introdução à Refrigeração

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.