Aproveitamento do calor dissipado na tubulação em sistemas de refrigeração

1. RESUMO

Este trabalho tem o objetivo de identificar potenciais fontes de calor dissipado pelo sistema de refrigeração, sendo possível analisar as metodologias existentes para o aproveitamento do calor dissipado, analisar os possíveis usos para este calor, como por exemplo no aquecimento de água através de um trocador de calor embutido, a água aquecida pode ser usada em diversas finalidades, em industrias e comércios, o aproveitamento do calor dissipado pela tubulação do condensador de um sistema pode-se obter economia energética, gerando benefícios as organizações e principalmente ao meio ambiente.

Palavras-chave: Energia térmica; Calor; Refrigeração; Condensador; Rejeito térmico.

ABSTRATCT

The objective of this work is to identify potential sources of heat dissipated by the refrigeration system. It is possible to analyze the existing methodologies for the use of dissipated heat, to analyze possible uses for this heat, such as heating water through a heat, can be used for various purposes in industries and businesses, the use of heat dissipated by the condenser piping of a system can achieve energy savings, generating benefits to organizations and especially to the environment.

Key - Words: Thermal energy; Heat; Refrigeration; Condenser; Thermal rejection.

2. INTRODUÇÃO

O elevado custo financeiro e ambiental para o fornecimento de energia elétrica, tem levado ao crescente desenvolvimento de estudos para aumento da eficiência energética de equipamentos e sistemas. Devido a questão ambiental, uma empresa se torna mais competitiva no mercado quando ela se preocupa com o meio ambiente, eliminando custos e desperdícios nos processos industriais, promovendo eficiência em seus recursos e aproveitando toda forma de energia em um processo ou aplicação.

Os sistemas de refrigeração consistem em retirar o calor de um local e transferir a outro. Nesse sistema são utilizados componentes principais como: compressor, condensador, dispositivo de expansão e evaporador. Na tubulação de descarga do compressor, o líquido refrigerante passa a alta temperatura, chegando até o condensador, nesse trecho da tubulação o calor é dissipado no meio ambiente, portanto esta energia em forma de calor não é utilizada.

O objetivo deste trabalho verifica a possibilidade do aproveitamento do calor gerado na tubulação entre a descarga do compressor até o condensador nos sistemas de refrigeração que opera por compressão a vapor. Uma das formas de aproveitar esse calor dissipado é utilizando como fonte de aquecimento a tubulação de descarga do compressor para aquecer água com a finalidade de substituição de resistências térmicas, elétricas ou gás, em comércios e industrias.

Os objetivos específicos são:

- Verificar as formas de utilização do calor dissipado pela tubulação entre a descarga do compressor até o condensador no sistema de refrigeração;

- Utilizar o calor que é dissipado ao meio ambiente para aquecimento da água utilizando um trocador de calor.

A justificativa para esse estudo é a utilização de fontes de energia mais limpas focadas na sustentabilidade, portanto quaisquer formas de reaproveitamento de sistemas podem ser convertidas em economia, obtendo retornos financeiros. O sistema de refrigeração dissipa grande parte da energia térmica no meio ambiente, tal energia não é aproveitada. Por este motivo, há interesse em tornar o ciclo de refrigeração mais aproveitável para promover uma economia energética considerável.

O presente trabalho abordou como metodologia a revisão bibliográfica, das principais iniciativas de melhorias para aproveitamento de energia nos processos de refrigeração em estudo, tendo como fonte de consulta uma variedade literária pertinente à temática em estudo sendo realizada através de análise, tal como: melhorias nos processos de refrigeração, perdas de calor, aproveitamento do calor dissipado e aquecimento da água tais temas possibilitou a fundamentação deste trabalho.

3. FUNCIONAMENTO DO SISTEMA FRIGORÍFICO E SEU CALOR REJEITADO.

3.1. CICLO DE REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO A VAPOR

É importante conhecer o ciclo de refrigeração para entendimento de como a energia em forma de calor é dissipada no meio ambiente.

A refrigeração é um processo que reduz a temperatura removendo a energia no formato de calor, o ciclo por compressão de vapor é o mais comum utilizado para resfriar e congelar os produtos e equipamentos frigoríficos, para o conforto térmico o ar condicionado refrigera ambientes. Nesse sistema, o líquido refrigerante passa no evaporador a baixa pressão e baixa temperatura, a evaporação é um processo no qual o liquido muda para o estado gasoso de líquido e vapor, retira-se o calor do ambiente interno enquanto se transforma em vapor. O vapor adentra no compressor enquanto é comprimido e bombeado, o vapor é superaquecido e vai para o condensador, que tem a finalidade de dissipar a energia em forma de calor que foi tirada do ambiente interno. O líquido, ao dissipar o calor transforma-se em vapor superaquecido para líquido, e por fim entra no expansor, para reduzir a pressão, então novamente irá retornar ao evaporador e repetir o ciclo.

Os sistemas de refrigeração consistem em retirar o calor de um local e transferir a outro, o calor vai da temperatura maior para menor, assim como a temperatura, portanto, o produto diminui sua temperatura quando em contato com o ar frio, resfriar é transferir calor. Na tubulação de descarga do compressor, o líquido refrigerante passa a alta temperatura e alta pressão, chegando até o condensador, nele esse calor é dissipado no meio ambiente, portanto esta energia em forma de calor sai da descarga do compressor até o condensador. (MILLER, 2008).

Figura 1 - Ciclo de refrigeração com diagrama (P-h)

Fonte: Danfos, (2017).

O ciclo termodinâmico feito pelo sistema tem início no compressor e tem uma comparação com o chamado ciclo de Carnot. A compressão é hipoteticamente isentrópica, na qual o vapor saturado passa da pressão P0 para pressão PC e da entalpia h1 para h2, consumindo trabalho mecânico, representado pela passagem do ponto 1 para o ponto 2 da Figura 2 (VARGAS, 2009).

Figura 2 - Ciclo teórico de refrigeração.

Fonte: VARGAS, (2010).

3.2. A ENERGIA EM FORMA DE CALOR REJEITADO NO CONDENSADOR

Nos sistemas de refrigeração com compressão a vapor, o calor rejeitado da descarga do compressor até o condensador é responsável por até 83% da energia térmica rejeitada nos sistemas de refrigeração (ASHRAE, 2012). Corresponde à quantidade de calor total rejeitada pelo sistema de refrigeração no condensador, que pode ser recuperada a partir do fluido refrigerante na linha de descarga do compressor.

Segundo Brückner et al. (2015), o calor residual é considerado como todas as formas de calor (latente e sensível) que não têm propósito em um sistema. A energia térmica de um sistema que seria rejeitada pode ser usada para outros processos e aplicações. O aproveitamento deste calor residual, consiste na recuperação possível do calor rejeitado pelos sistemas de refrigeração de compressão a vapor.

Figura 3 - Diagrama P – h, Ciclo de compressão vapor.

Fonte: adaptado de Carrier (2008)

3.3. PRINCIPIO DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR

A transferência de calor ocorre de três formas, quais sejam: convecção, radiação térmica e condução Térmica.

Na tubulação de descarga do compressor a vapor, ocorre uma transferência de calor entre o lado interno e o lado externo da tubulação. O estudo em questão ocorre uma transferência por condução, onde o calor é transferido pelo material até o fluido.

A convecção abrange dois pontos, a transferência de energia devido ao movimento molecular aleatório (difusão), a energia também é transferida através do movimento macroscópico do fluído, ou seja, em um instante qualquer, uns grandes números de moléculas se movem coletivamente ou como agregado. Este movimento, na presença de uma temperatura variada, contribui para a transferência desse calor. Como as moléculas nos agregados mantêm seus movimentos aleatórios, então, devido a superposição do transporte de energia pelo movimento aleatório das moléculas com o transporte devido ao movimento global do fluído.

Radiação térmica é a emissão de energia pela matéria que se encontra a temperatura não-nula. Ainda que voltemos nossa atenção para a radiação em superfícies sólidas, a emissão também ocorre a partir de gases e líquidos. Independente da forma da matéria, a emissão pode ser atribuída a mudança nas configurações eletrônicas dos átomos ou as moléculas que constituem a matéria. A energia do campo de radiação é transportada por ondas eletromagnéticas (ou, alternativamente, fótons). Enquanto a transferência da energia por condução ou convecção requer a presença de um meio de material, na radiação não é necessário. Na realidade, no vácuo a transferência por radiação ocorre de forma mais eficientemente (FRANK, P. et al., 2008).

A condução é vista como a transferência de uma energia das partículas com maior energia para as menos energéticas de uma substância devido às interações entre partículas (QUINDE, 2015).

Figura 4 – Transferência de calor por condução em um tubo.

Fonte: Termo y calor, (2015)

3.4. TROCADOR DE CALOR CASCO TUBO COM SERPENTINA

Neste trabalho a pesquisa para aquecimento da água, foi com a a utilização de um trocador de calor casco tubo onde a tubulação interna tem formato de serpentina enrolada ordenada em uma carcaça e funciona por meio da troca de calor entre dois fluidos. Uma transferência de calor associada a um tubo espiral é mais eficiente na questão do aproveitamento. Além disso, uma grande superfície pode ser acomodada em um determinado espaço utilizado pelas serpentinas.

Figura 5 - Trocador tipo serpentina

Fonte: Mundo mecânico, (2017)

4. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Geniêr et al. (2013), elaborou um artigo de revisão sob os conceitos e estudos de eficiência dos ciclos de refrigeração incentivando ao estudo dos principais sistemas de refrigeração, propondo uma avaliação do qual tipo refrigerante e sistema é melhor a ser usado para obter uma eficiência energética com a possibilidade de reduzir tal consumo de energia elétrica num sistema de refrigeração por compressão ou absorção. Em sua conclusão concluiu a necessidade de avaliar o tipo de aplicação do sistema, assim como o ambiente em que o sistema se encontra, qual fluído refrigerante deve ser adequado, portanto, de acordo com o projeto cada processo deve analisar qual se encaixa melhor e determinar as perdas de cargas energéticas e contribuir para suas melhorias.

Filho et al. (2004), estudou o funcionamento de sistema de aquecimento, para utilizações residenciais, que aproveita o calor dissipado no ambiente pelo condensador do refrigerador. Utilizou como aparato experimental nos ensaios um refrigerador doméstico duplex de 260 litros de capacidade, um tanque de armazenamento de fluido aquecido com 85 litros, ou seja, de 1,2 m de altura e 0,3 m de diâmetro, construído em PVC, dotado de uma sonda contendo termopares, para a captação das temperaturas ao longo da sua altura, um registrador gráfico para a captação das temperaturas. Sua a análise dos resultados concluiu que o sistema apresentou um bom desempenho na recuperação do calor rejeitado pelo refrigerador. Portanto, associado a um aquecedor complementar, este sistema representou economia de energia de 44 kW/mês no consumo residencial de água quente e apresentando como efeito adicional uma diminuição da carga térmica no ambiente do refrigerador.

Foggiatto (2014), propôs um estudo sobre como utilizar o calor rejeitado pelo sistema de refrigeração de um frigorífico de aves do sudoeste do Paraná, onde seu trabalho se baseou a planta industrial do abate de frangos de corte que está localizada no Sudoeste do Paraná, os seus objetivos foram: Identificação das formas de utilização do calor rejeitado pelo sistema de refrigeração e utilização do calor que atualmente é lançado ao meio ambiente no pré - aquecimento de água da caldeira da planta analisada.

Em seu estudo descreveu o sistema de refrigeração na sala de máquinas, caracterizando-se assim como uma análise descritiva. Observa-se que o período utilizado para pesquisa foi de junho a dezembro de 2014,

Analisou que o calor que é dissipado para o meio ambiente é retirado da carne do frango por meio de um fluído refrigerante, o qual é utilizado compressores a vapor, fluído sendo pressurizado a uma pressão de alta gerando uma elevação de temperatura e quando associada ao calor retirado de dentro da câmara frigorífica onde está a ser resfriada, a temperatura dissipada chega a mais de 100°C, sendo assim necessário o seu resfriamento para que o ciclo de refrigeração se reinicie e faça um novo ciclo.

Após analisar as formas de aproveitar o calor rejeitado pelo sistema, a sua proposta inicial foi a utilização esse calor rejeitado pelo sistema de refrigeração do frigorífico de aves para pré-aquecer a água da caldeira. Para isso, instalou na planta frigorífica um trocador de calor por placas. Segundo o autor a instalação do trocador de calor trouxe benefícios, para a empresa e também para o meio ambiente. A empresa ganhou em eficiência energética, o que refletindo em economia nos consumos de energia, não fazendo o uso da lenha que era utilizado para aquecer a caldeira e o calor que antes era dissipada para o ambiente, está sendo aproveitado pelo sistema de refrigeração.

Portanto, segundo Foggiatto (2014), concluiu que seu trabalho mostrou que a instalação de um trocador de calor só trouxe benefícios para os frigoríficos de aves, contribuindo para que cada vez mais as empresas sejam sustentáveis.

Segundo Alves (2016), seu estudo consistia em identificar relevantes fontes de calor residual (energia térmica) nos sistemas de refrigeração de compressão a vapor e analisar as potencialidades energéticas decorrentes do aproveitamento de calor rejeitado por estes sistemas. Pretende-se assim analisar as temperaturas e potências possíveis de obter calor rejeitado pelo sistema e qual a praticabilidade de utilização deste calor em processos externos ao sistema de refrigeração, tendo em vista o aumento da eficiência energética global.

Fez analises se baseando em sistemas de refrigeração de compressão a vapor com características típicas de supermercado, onde propôs uma metodologia de aproveitamento de calor residual, analisando os benefícios energéticos, financeiros e ambientais resultantes da integração deste sistema.

Seus resultados possibilitou uma simulação no sistema de refrigeração em sua dissertação, identificando as potências e temperaturas das fontes de calor. Publicou sua dissertação para uso de pesquisa ao aumento de eficiência energética em sistemas de refrigeração.

5. MÉTODOS DE APROVEITAMENTO DO CALOR DISSIPADO.

Este capítulo apresenta o aproveitamento do calor em sistemas de refrigeração por compressão a vapor já existentes.

5.1. O CONDENSADOR ARREFECIDO COM ÁGUA.

Os condensadores arrefecidos a água, o fluído refrigerante é condensado em um permutador onde a água circula dentro do condensador fazendo a remoção do calor. Em ar condicionado e refrigeração são utilizados dois tipos: condensador de duplo tubo (Figura. 6) e também o tubo e carcaça (Figura 7). No duplo tubo existem dois tubos, o fluído refrigerante passa no de menor diâmetro a água passa no de maior, onde a agua é bombeada em contracorrente. Estes tipos de condensadores são utilizados em sistemas pequenos de baixa potência devido a área de condensação ser limitada. (Wang, 2000).

Figura 6 – Condensador com duplo tubo.

Fonte: Wang, (2000).

De acordo com Fricke & Ridge (2011), os recursos dos condensadores arrefecidos a água, seja de tubo carcaça ou duplo tubo, aproveitam melhor o calor do condensador, ao aproveitar esse calor para o aquecimento da água, ela pode ser usada em outros processos.

Figura 7 – Condensador tubo e carcaça.

Fonte: Wilbert F. Stoecker, (1998).

5.2. O CONDENSADOR COM ARREFECIMENTO A AR.

Utilizam o ar externo para extrair o calor sensível e latente do condensador que é rejeitado, na serpentina existe uma secção de sub arrefecimento do fluido refrigerante.

O calor que é aproveitado neste sistema é canalizado para o aquecimento em ambientes ou em caldeiras como pré-aquecimento do ar.

Figura 8 – Sistema com condensador arrefecido a ar.

Fonte: Carbon Trust, (2011).

5.3. TROCADOR DE CALOR EMBUTIDO NO SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO

São instalados normalmente em sistemas por compressão a vapor e podem recuperar até 25% do calor rejeitado pelo condensador (LEE & JONES, 1997). A temperatura do fluído refrigerante na descarga do compressor pode atingir até 70°C aquecendo a água até a temperatura de 60°C.

Estes trocadores de calor normalmente são usados em grandes sistemas frigoríficos, sistemas comerciais e industriais. O fluido refrigerante circula dentro da tubulação de cobre em formato serpentina que são ótimos condutores de calor, a água circula no casco, esse tipo de trocador é conhecido como casco-tubo.

Figura 9 – Trocador de calor casca-tubo embutido no sistema de refrigeração.

Fonte: Carbon Trust, (2011).

6. APLICAÇÕES

Se torna necessário avaliar o tipo de aplicação do calor a ser aproveitado, tipo de sistema de refrigeração e o ambiente onde este sistema se encontra para que se atinja a temperatura necessária no aquecimento do ar ou da água. A temperatura de condensação também é um fator importante, pois o aproveitamento se encontra na linha descarga no sistema. Para eficiência no aproveitamento do calor o sistema de refrigeração depende das seguintes características:

• Pressão de descarga do compressor;

• Pressão de sucção do compressor;

• Tipo de compressor e sua eficiência térmica;

• Temperatura ambiente;

• Fluído refrigerante;

• Eficiência isentrópica do compressor.

Uma avaliação financeira deve ser feita para implementar um sistema de aproveitamento de calor em outros processos, analisando se os custos compensam ao poupar energia.

6.1. EXEMPLOS PARA APLICAÇÕES

- Descongelamento;

- Aquecimento de piscinas;

- Processos de secagem;

- Aquecimento de água para limpeza;

- Aquecimento ou pré-aquecimento de líquidos;

- Pré-aquecimento de caldeiras;

- Aquecimento de ar;

- Substituição de resistências térmicas.

Industrias no processo de alimentos: industrias que processam bebidas, congelados, carnes, laticínios, etc., utilizam sistemas frigoríficos de grande potência, tem a necessidade de altas cargas térmicas. Essas industrias utilizam grande parte de água quente em limpeza, a uma oportunidade de aproveitar o calor rejeitado pelo sistema frigorico nesse processo.

Comércios: No supermercado necessitam de quase 80 kW em seu sistema frigorifico para armazenamento dos seus produtos congelados e 300 kW para produtos resfriados, enquanto em um hipermercado pode chegar até 500 kW (Judith, Evans & Foster, 2015). Alguns desses sistemas frigoríficos já utilizam o aproveitamento do calor rejeitado para aquecer a água das torneiras, também pode ser usada para aquecimento de ambientes.

7. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Este trabalho teve o objetivo de identificar potenciais fontes de calor rejeitado pelo sistema de refrigeração, sendo possível analisar as metodologias existentes para o aproveitamento do calor dissipado no sistema de refrigeração, identificar os possíveis usos para este calor dissipado tornando assim o sistema de refrigeração mais eficiente.

Uma boa opção para tal aproveitamento seria a implantação de um trocador de calor do tipo serpentina para troca térmica, destinando o calor rejeitado pelo sistema de refrigeração para aquecer a água, gerando assim tal aproveitamento, a água aquecida pode ser usada em várias finalidades como adaptações em torneiras de residências e industrias.

A verificação da relação da energia térmica gerada com a capacidade do sistema de refrigeração obtêm-se o aumento e pode ser alcançado pela utilização do calor gerado nos refrigeradores domésticos para aquecimento da água utilizada nas cozinhas residenciais, por exemplo. Outro exemplo, é a utilização do calor dissipado em processos industriais.

Esse trabalho mostra que o calor dissipado pela tubulação do sistema de refrigeração pode ser utilizado e só traz benefícios para as empresas que tenham tal sistema contribuindo para que as empresas sejam sustentáveis.

8. REFERÊNCIAS

ALVES, HENRIQUE. Aproveitamento do Calor Rejeitado em Sistema de Refrigeração - Lisboa, 2016. Dissertação de mestrado, Universidade Nova de Lisboa.

CARBON TRUST. Heat recovery. 2011.

ELETROBRÁS CENTRAIS ELÉTRICAS BRASILEIRAS. Eficiência Energética em Sistemas de Refrigeração Industrial e Comercial - Rio de Janeiro: Eletrobrás, 2005.

FILHO, P. H. F. A.; DR. PADILHA, A.; DR. SCALON, V.L. Análise Teórica e Experimental da Captação e Utilização do Calor Dissipado no Condensador Sistemas de Refrigeração ABCM, Rio de Janeiro, Brasil, Nov. 29 -- Dec. 03, 2004.

FOGGIATTO, CLEO. Como utilizar o Calor Rejeitado Pelo Sistema de Refrigeração de um frigorífico de Aves do Sudoeste do Paraná: Monografia de Especialização em Engenharia de Produção- Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Pato Branco, 2014.

FRANK, P. Incropera. et al. Fundamentos de transferência de calor e de massa. Tradução e revisão técnica Eduardo Mach Queiroz, Fernando Luís Pellegrini Pessoa. Rio de Janeiro: LTC, 2008. 657 p.

FRICKE, B. RIDGE. Waste Recapture from Supermarket Refrigeration Systems.EUA 2011.

GENIÊR, FRANCIELLI S.; COSTA, ANDRÉA O. S.; JUNIOR, ESLY F. C. Ciclos de Refrigeração: Conceitos e Estudos de Eficiência - Artigo de Revisão, Publicado em: 01/07/2013 Universidade Federal do Espírito Santo, Alegre, Brasil.

MILLER, R., MILLER, M. R., Refrigeração e Ar Condicionado. Rio de Janeiro, LTC, 2008.

MUNDO MECÂNICO. Transferência de calor. Disponível em: <http://www.mundomecanico.com.br/wp-content/uploads/2014/01/Trocadores-de-calor.pdf> Acesso em: 15 Set. 2017.

STOECKER, W.F., JABARDO, J. Refrigeração industrial. 2ª ed. São Paulo, Brasil: Edgard Blucher LTDA, 2002.

WANG, S. Handbook o fair conditioning and refrigeration. 2ª ed. Macgraw-Hill Education. EUA, 2000.