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Sistemas com degelo a gás quente precisam usar compressores projetados para este tipo de operação

Este artigo apresenta os fenômenos que ocorrem durante o degelo a gás quente (Hot Gas Defrost) e os requisitos para o projeto do compressor. Esta descrição é importante para entender que compressores projetados para operação em gás quente possuem características especiais e maior robustez de componentes para suportar tal condição. Desta forma, ao selecionar um compressor para aplicações com esse sistema de degelo, sempre verifique se o modelo do compressor foi projetado considerando tais condições.

Degelo a gás quente no circuito de refrigeração

Nos aparelhos de refrigeração convencionais, o evaporador é o componente responsável por resfriar o ar do gabinete. Durante o processo, a umidade do ar, que condensa na superfície do evaporador,  pode eventualmente congelar, reduzindo a eficiência de troca de calor. Em outros aparelhos, como máquinas de gelo, durante o período de resfriamento, o evaporador precisa estar em contato direto com a água para produzir os cubos de gelo. Em ambos os casos, o gelo deve ser removido da superfície do evaporador, seja para melhorar sua eficiência ou para coleta de cubos de gelo.

O método de degelo por gás quente é o comumente utilizado em aparelhos comerciais, como máquinas de gelo, freezers comerciais, unidades seladas e em alguns equipamentos médicos. Este método utiliza o gás da descarga do compressor, que está em alta temperatura e pressão, para derreter o gelo. O principal benefício do degelo por gás quente é derreter o gelo da superfície do evaporador para fora de forma rápida, com menor irradiação de calor para o gabinete. Para possibilitar este método, um desvio é adicionado (chamado de linha de gás quente, desvio de gás quente ou bypass de gás quente), para criar um atalho entre a descarga do compressor e a entrada do evaporador.

Durante o período de resfriamento, o bypass de gás quente é desenergizado (válvula fechada) e a operação do sistema é semelhante a um circuito de resfriamento padrão. Para realizar o degelo, o bypass é energizado para que a válvula, em geral do tipo solenoide, abra. A operação pode ocorrer com o compressor funcionando ou desligado, dependendo da configuração do aparelho. Depois que a válvula é aberta, a maior parte do gás de descarga do compressor, que está em alta temperatura e pressão, fluirá pelo bypass de gás quente, devido à menor restrição em comparação ao escoamento pelo condensador e dispositivo de expansão (tubo capilar ou válvula de expansão).

Da linha de gás quente, ele flui para o evaporador onde condensa e rejeita calor para a tubulação do evaporador, realizando o degelo. Durante quase todo o período do degelo por gás quente, a condição de saída do evaporador será uma mistura de refrigerante líquido e vapor. Finalmente, a mistura de gás-líquido refrigerante é empurrada do evaporador para o compressor e aquecida por seus componentes. Durante este ciclo, o refrigerante continua a circular na seguinte sequência: compressor, bypass de gás quente, evaporador e compressor. Em um dado momento, o degelo por gás quente é encerrado por um sensor de temperatura ou outro meio e a válvula solenoide é fechada. Antes que o ciclo de resfriamento seja iniciado novamente, pode ser aplicado um tempo de gotejamento da água de degelo.

Operação do compressor durante o degelo a gás quente

No início do processo do degelo por gás quente, a válvula solenoide é aberta e a alta vazão empurra o refrigerante líquido acumulado no evaporador para o compressor. A quantidade de líquido que chega ao tubo de sucção do compressor depende das características da aplicação. Quando o refrigerante líquido atinge o compressor, ele pode: (i) evaporar ao entrar em contato com elementos quentes, (ii) entrar no filtro acústico de sucção (muffler) ou (iii) acumular na carcaça do compressor. Cada um desses “caminhos de líquidos” pode ocorrer em paralelo e afetar os componentes do compressor de diferentes maneiras, exigindo diferentes soluções.

Se o líquido entrar no filtro acústico de sucção e atingir a câmara de compressão, a carga aumentará significativamente para o motor do compressor. Além do retorno do líquido, as altas pressões de evaporação durante o degelo a gás quente também aumentarão a carga em outros componentes. Devido a essas cargas, os compressores que operam em sistemas com degelo a gás quente necessitam de maior robustez. Requisitos especiais devem ser levados em conta para mancais, válvulas, cabeçote e filtro acústico de sucção de modo a considerar essas cargas.

Filtro acústico de sucção

O líquido que entra no compressor deve passar pelo filtro acústico de sucção de modo a atingir a câmara de compressão. Quando certa quantidade de líquido (óleo ou refrigerante) é comprimida, podem ocorrer picos de carga conhecidos como “golpe de líquido”. Para reduzir a probabilidade de ocorrência destes “golpes de líquido”, o caminho de sucção do compressor pode ser projetado de tal forma que proporcione uma separação eficaz e segura de vapor e líquido.

Isso é feito, por exemplo, quando o conector do tubo de sucção na carcaça do compressor, a entrada de gás do filtro acústico de sucção de gás e a unidade de bombeamento estão localizados em lados opostos da carcaça do compressor (sucção indireta). No entanto, este conceito reduz a eficiência do compressor, uma vez que o gás de sucção é superaquecido dentro da carcaça. Nos compressores de alta eficiência, o filtro acústico de sucção é projetado para reduzir o superaquecimento do refrigerante, que exige um caminho mais direto para chegar à câmara de compressão (sucção semidireta e direta). Para o filtro acústico de sucção direta, em que o caminho do refrigerante é “limitado” por um conector, a probabilidade de “golpe de líquido” aumenta. Neste caso, sugere-se utilizar um separador de gás/líquido adequado, após a saída do evaporador para evitar que o líquido atinja o tubo de sucção do compressor.

Válvulas

 Mesmo durante o degelo a gás quente, se o projeto da linha de sucção e do filtro acústico considerar essa condição, apenas uma fração do líquido deverá conseguir atingir a câmara de compressão. No entanto, quando este líquido é comprimido, leva a picos de pressão extremos dentro da câmara do cilindro e impõe uma carga adicional nas válvulas e no kit mecânico. A compressão de uma determinada quantidade de líquido (refrigerante ou óleo) pode causar danos à válvula, como uma deformação permanente, que pode resultar em quebra quando o limite à fadiga for atingido.

Outra possibilidade é a quebra direta de outros componentes mecânicos com maior quantidade de líquido. Além do retorno de líquido, as condições de degelo a gás quente geralmente implicam que o compressor precisa funcionar fora do envelope de operação aprovado, com temperaturas de evaporação mais altas e condensação mais baixas do que aquelas que são caracterizadas no envelope. Isso pode estressar o sistema de válvulas (principalmente os modelos LBP). Pelas razões expostas acima, em compressores que usam degelo a gás quente , o sistema de válvulas deve ser robusto o suficiente para aguentar operação fora da envelope, bem como as cargas adicionais impostas pela eventual compressão de gotículas de líquido.

Mancais

O refrigerante líquido, que retorna ao compressor, será misturado com o óleo do compressor, que reduzirá suas propriedades lubrificantes. Enquanto é bombeado através dos mancais, a pressão do óleo é reduzida e a mistura é aquecida por superfícies quentes e fricção, que promovem a evaporação do refrigerante líquido, resultando em um fluxo bifásico que pode levar à cavitação nos mancais. A cavitação reduzirá a capacidade de carga dos mancais, o que pode levar ao desgaste. Portanto, os compressores aprovados para degelo a gás quente possuem requisitos especiais para os mancais. A quantidade de óleo, viscosidade e capacidade de carga dos mancais são algumas das variáveis ​​de projeto que visam garantir uma operação robusta durante o degelo a gás quente .

Design do sistema de refrigeração

Além do projeto do próprio compressor, o projeto do refrigerador também pode contribuir para a robustez durante a operação durante degelo a gás quente . Isso requer um projeto que minimize o retorno do líquido ao compressor. Os componentes que mais influenciam são o separador líquido-vapor, a carga de refrigerante, o acumulador, o comprimento e a orientação do tubo de sucção, o  evaporador, a restrição de fluxo de bypass de gás quente e o algoritmo de controle da válvula solenoide e compressor.

 

Por Daniel Hense, pesquisador sênior da área de Pesquisa e Desenvolvimento da Nidec Global Appliance (detentora da marca Embraco)

Setor do frio busca projetos energeticamente mais eficientes

Segmento de trocadores de calor oferece ao mercado tecnologia de duplo tubo (tube in tube), casco e tubos, serpentina, aletados e placas brasadas.

O constante avanço tecnológico dos equipamentos dos segmentos que compõem o HVAC-R inclui também uma forte corrida pela ampliação cada vez maior da eficiência energética dos sistemas de refrigeração e aquecimento. Neste sentido, a indústria tem investido em projetos de trocadores de calor que atendam (e até superem) as expectativas da cadeia produtiva do frio.

Trocadores de calor são dispositivos que transferem calor de um meio para outro, e têm diversas aplicações. O processo depende da área de troca térmica, portanto, quanto maior a área, maior a troca de calor, permitindo com que se opere com diferencial de temperatura menor.

Entre os principais tipos de trocadores estão o tube in tube, geralmente aplicado em sistemas que demandam pequenas capacidades; o casco e tubo, em que um trocador de calor passa ar frio por um núcleo de aletas para resfriar um líquido; a serpentina, a qual permite a troca de calor entre dois fluidos; aletados, indicados para sistemas que geram baixa temperatura, como câmaras frigoríficas; e as placas brasadas, as quais permitem a passagem de fluidos com maior facilidade.

Trocadores de calor Sondex, da Danfoss

Os trocadores estão presentes em diversos processos. Um resfriador de óleo hidráulico, por exemplo, remove o calor do óleo quente usando água fria ou ar. Ao contrário, para aquecer uma piscina, um permutador pode utilizar a água quente de uma caldeira ou proveniente de aquecimento solar.

Igualmente, bombas de calor também são utilizadas em piscinas. À medida que este equipamento circula a água, ela passa por um filtro e por um aquecedor. Em seguida, um ventilador aspira o ar externo e o direciona sobre a bobina do evaporador.

Fabricante de equipamentos de ar condicionado e de bombas de calor para aquecimento de água, as Indústrias Tosi utilizam todos esses tipos de trocadores de calor. As serpentinas são de fabricação própria e têm quatro geometrias diferentes para tubos de 1/2″, duas geometrias para tubos de 3/8″ e uma para tubos de 7 mm.

Também são de fabricação própria os trocadores de calor do tipo tube in tube, utilizados como condensadores em selfs de condensação a água e em bombas de calor para aquecimento de água. Já os trocadores de calor do tipo casco e tubos e de placas brasadas são adquiridos de fornecedores que podem tanto ser nacionais como importados.

“No caso das serpentinas, são tendências a diminuição do diâmetro dos tubos, para 7 mm ou 5 mm, e o uso de trocadores do tipo microcanal. Atualmente, está ocorrendo o aumento na participação do mercado dos trocadores a placa brasadas. Estamos acompanhando esta tendência, inclusive reconfigurando serpentinas para tubos de 7 mm e utilizando mais trocadores a placas brasadas”, explica o engenheiro de aplicação e de produto da Tosi, Marcos Santamaria Alves Corrêa.

O especialista explica que, no caso dos chillers de condensação a ar, a forma de se aumentar a eficiência energética é elevando o número de “V” de serpentinas. “Com maior área de troca e maior vazão de ar, é possível se reduzir a temperatura e, consequentemente, a pressão de condensação. Isto vai reduzir o trabalho a ser realizado pelo compressor para a rejeição do calor e o consumo de energia”, descreve.

A multinacional Danfoss também aposta em trocadores de calor, incluindo placas soldadas, com gaxeta e microcanais. Esses equipamentos foram desenhados de modo a aumentar a troca de calor e diminuir a carga de fluido refrigerante no sistema.

Evaporador de sistema de refrigeração comercial

“De 90% a 95% de todos os componentes, compressores e trocadores de calor são utilizados pela nossa empresa na fabricação de chillers, splitões ou VRFs. Além disso, investe em tecnologia para desenvolver projetos e sistemas HVAC-R com água gelada”, comenta o gerente regional de aplicação e serviços da Danfoss na América Latina, Eduardo de Castro Drigo.

Em seu portfólio, a companhia dinamarquesa dispõe de trocadores de calor SondBlock e de placa soldada, que foram projetados para uso em meio agressivo, temperatura extrema e/ou alta pressão. Os trocadores de calor casco e placas (SPS) são voltados para condensação e aquecimento a vapor, enquanto os trocadores de calor espirais são indicados para aplicações que requerem tratamento específico de fluidos desafiadores.

No caso dos trocadores de calor espirais Sondex, eles foram projetados para manipular lamas, sedimentos, água de esgoto, polpas de celulose, hidrocarbonetos com alta viscosidade e líquidos com risco de incrustação contendo fibras e sólidos.

 Eficiência energética

Em todos os trocadores de calor ocorrem tecnicamente duas trocas térmicas. Na primária, a condução de gás acontece através da tubulação que o envolve, transportando-o para as aletas. Na secundária, há troca de calor entre as aletas e o ar a ser resfriado.

“Os materiais da tubulação têm influência na troca primária, em consequência dos diferentes coeficientes de condutividade térmica entre eles. A escolha do material para atender às caraterísticas da aplicação e do seu fluido refrigerante requer um perfeito dimensionamento para a melhor eficiência do sistema de refrigeração”, detalha o CEO da Mipal, Cláudio Palma.

A empresa trabalha hoje com tubos de cobre, alumínio e aço inox. A escolha desses materiais está relacionada diretamente às características da aplicação e para todos os fluidos refrigerantes. Seus carros-chefes são os evaporadores de médio perfil, médio alto perfil, alto perfil, alta vazão, condensadores remotos e serpentinas trocadoras de calor.

“Todo foco da tecnologia está voltado à eficiência energética para todos os fluidos refrigerantes disponíveis no mercado. A Mipal está indo além deste passo, inovando em seus produtos para atender à crescente demanda nacional e internacional de equipamentos projetados para propiciar uma instalação com design diferenciado, com operação e manutenção rápida e segura”, salienta o executivo.

Nos últimos meses, a companhia lançou três novas linhas de evaporadores com um conceito totalmente inovador, levando em consideração todas as necessidades de manutenção, operação e dos refrigeristas, projetistas e instaladores. “O resultado são equipamentos com amplo acesso ao seu interior, sem necessidade do uso de qualquer ferramenta, tornando a manutenção fácil, rápida e extremamente segura. E uma manutenção bem feita, garante o bom rendimento e a eficiência do produto”, complementa Palma.

O CEO da Mipal alerta que equipamentos de baixo rendimento provocam a ineficiência total do sistema, e isso reflete em mais gasto de energia elétrica e maior custo operacional, refletindo em perdas. “Recomendamos que sempre sejam seguidas as orientações do fabricante para o dimensionamento, instalação e operação, e as boas práticas do mercado, além de se usar equipamentos de qualidade reconhecida”, enfatiza.

Linter lança filtro híbrido

A paulistana Linter Filtros acaba de ampliar o seu portfólio com o lançamento de um filtro híbrido, indicado para o uso em sistemas de ar-condicionado (HVAC), instalações industriais, entradas de ar de turbomáquinas e qualquer conjunto com regime de fluxo de ar laminar ou turbulento.

Um dos seus diferenciais fica por conta do meio filtrante, composto de diferentes tipos de fibras sintéticas dispostas em três camadas progressivas.

O filtro tem como diferencial a tecnologia patenteada de plissagem, cujo design mantém as plissas afastadas nos filtros de 100 mm de profundidade, otimizando a área filtrante.

“O projeto das plissas, com sua geometria perfeita, conserva as dobras afastadas e resistentes a todas as velocidades de ar. Assim, transforma o fluxo turbulento em laminar, o que reduz consideravelmente a perda de carga”, explica a engenheira Mistue.

Também indicado para os setores de geração de energia, farmacêutico e automotivo.