Refrigeração Evaporator Dimensionamento e seleção

O evaporador é um componente crítico em qualquer sistema de refrigeração, servindo como coração do processo de resfriamento. O dimensionamento e a seleção adequados dos evaporadores afetam diretamente a eficiência do sistema, os custos operacionais e o desempenho de refrigeração. Este relatório examina a abordagem metódica do dimensionamento e seleção do evaporador, combinando princípios de engenharia com considerações práticas para o design ideal do sistema.

Fundamentos de evaporadores em sistemas de refrigeração

O evaporador serve como o componente onde o efeito de resfriamento real ocorre nos sistemas de refrigeração. Funciona, permitindo que o refrigerante evapore e expanda em um ambiente controlado. À medida que o refrigerante líquido entra no evaporador, ele encontra baixa pressão, fazendo com que ele vaporize e absorva o calor do ar ou meio circundante que requer resfriamento. Essa absorção de calor remove efetivamente o calor do espaço refrigerado, diminuindo sua temperatura.

Dentro do ciclo de refrigeração mais amplo, o evaporador trabalha em conjunto com o compressor, condensador e válvula de expansão. Cada componente desempenha um papel específico no processo termodinâmico:

1. O compressor bombeia o vapor de refrigerante do evaporador e o comprime, aumentando sua pressão e temperatura
2. O condensador rejeita o calor indesejado do sistema para o ambiente externo
3. A válvula de expansão expande o refrigerante, diminuindo sua pressão e temperatura
4. O evaporador absorve o calor do espaço sendo resfriado

Compreender esse ciclo é crucial para o dimensionamento adequado do evaporador, pois o evaporador deve ser correspondido corretamente aos outros componentes para o desempenho ideal do sistema.

O processo termodinâmico

Do ponto de vista termodinâmico, a operação do evaporador envolve quatro pontos -chave no ciclo de refrigeração:

1. Entre o evaporador e o compressor (baixa temperatura, baixa pressão)
2. À medida que o refrigerante deixa o compressor (alta temperatura, alta pressão)
3. Quando o refrigerante sai do condensador (temperatura média, alta pressão)
4. Após a válvula de expansão, antes de entrar no evaporador (baixa temperatura, baixa pressão)

Para cada ponto, as propriedades, incluindo temperatura, pressão, entropia e entalpia, devem ser consideradas para projetar adequadamente o sistema e selecionar componentes apropriados.

Metodologia de dimensionamento de evaporador

O processo de dimensionamento dos evaporadores segue os cálculos sistemáticos de engenharia com base nos requisitos de carga de resfriamento e nos parâmetros do sistema.

Cálculo de carga de calor

A primeira etapa no dimensionamento de um evaporador é determinar a carga de calor que precisa ser removida do espaço ou produto. Isso envolve calcular:

1. Carga de transmissão: O ganho de calor através das paredes, piso, teto e janelas devido à diferença de temperatura entre o ambiente interno e externo.
2. Carga do produto: A remoção de calor do produto que está sendo resfriada, que pode incluir o calor gerado pelo próprio produto, bem como qualquer calor transferido para o produto do ambiente circundante.
3. Carga interna: O calor gerado por fontes internas como:
   • Luzes
   • Pessoas (calor metabólico)
   • Equipamento (máquinas, computadores, etc.)
4. Carga de infiltração: O ganho de calor devido à troca de ar quando as portas são abertas, o que permite que o ar externo entre no espaço e no ar interno escape.

Esses cálculos fornecem a carga total de calor em BTU/HR (unidades térmicas britânicas por hora) ou kW, que serve como base para dimensionar o evaporador.

Fórmula de cálculo de carga de calor

A carga total de calor pode ser calculada usando a seguinte fórmula:

Componente	Fórmula
Carga de transmissão	Q_trans = u * a * Δt
Carga do produto	Q_prod = m * c_p * Δt
Carga interna	Q_int = Q_Lights + Q_People + Q_EQUIPENT
Carga de infiltração	Q_inf = ρ * v * c_p * Δt

Onde:

• Q = Carga de calor (BTU/HR ou KW)
• U = coeficiente geral de transferência de calor (Btu/hr · ft² · ° F ou W/m² · k)
• A = área de superfície (ft² ou m²)
• Δt = diferença de temperatura (° F ou k)
• M = massa de produto (lb ou kg)
• C_P = Capacidade de calor específica do produto (BTU/lb · ° F ou J/kg · k)
• ρ = densidade do ar (lb/ft³ ou kg/m³)
• V = taxa de câmbio de ar (ft³/min ou m³/s)

Ao calcular a carga total de calor, você pode determinar o tamanho do evaporador necessário para remover efetivamente o calor do espaço ou produto.

Abordagem de dimensionamento quantitativo

Para aplicações de resfriamento de água, o tamanho do evaporador pode ser calculado usando o seguinte método:

1. Determine o diferencial de temperatura: subtraia a temperatura de saída do evaporador a partir de sua temperatura da água recebida
2. Multiplicar pela taxa de fluxo volumétrica em galões por minuto
3. Multiplique por 500 para converter em BTUs por hora
4. Divida por 12.000 para converter em toneladas de refrigeração

Por exemplo, se a água entrar a 60 ° F e sair a 46 ° F, com uma taxa de fluxo de 400 galões por minuto:

• Diferencial de temperatura: 60 - 46 = 14 ° F
• Cálculo BTU/HR: 14 × 400 × 500 = 2.800.000 BTU/h
• Tonalidade: 2.800.000 ÷ 12.000 = 233,33 toneladas

Considerações sobre o equilíbrio do sistema

Ao dimensionar um evaporador, ele deve ser adequadamente parecido com a capacidade do compressor e do condensador. A rejeição total de calor para o sistema é determinada adicionando a carga do evaporador (em KW) e a potência absorvida do motor do compressor. Esse relacionamento garante que os componentes do sistema funcionem harmoniosamente.

Muitos profissionais recomendam dimensionar evaporadores com uma margem de segurança. Por exemplo, alguns engenheiros rotineiramente evaporadores de tamanho grande em aproximadamente 20% para fornecer capacidade de resfriamento adicional e melhorar o desempenho do sistema.

Critérios de seleção para evaporadores de refrigeração

A seleção do evaporador certo envolve várias considerações críticas além dos requisitos de capacidade de correspondência.

Fatores específicos do aplicativo

O processo de seleção deve explicar vários fatores para garantir que a solução de resfriamento escolhida atenda às necessidades específicas do aplicativo. Os seguintes fatores devem ser considerados:

1. Tipo de aplicativo: Isso inclui armazenamento a frio, resfriamento de processos, preservação de alimentos e outras aplicações especializadas, como:
   • Conservação de peixes
   • Armazenamento farmacêutico
   • Resfriamento de data center
   • Resfriamento do processo industrial
2. Capacidade de resfriamento desejada: Refere -se à quantidade de calor que precisa ser removida da aplicação, normalmente medida em unidades de energia como Kilowatts (KW) ou toneladas de refrigeração.
3. Restrições de espaço: Isso inclui o espaço disponível para o equipamento de refrigeração, bem como quaisquer limitações no tamanho, peso ou forma.
4. Condições ambientais: Isso abrange a temperatura ambiente, a umidade e outros fatores ambientais que podem afetar o desempenho do sistema de refrigeração, como:
   • Faixas de temperatura
   • Níveis de umidade
   • Qualidade do ar
   • Exposição a condições climáticas
5. Características do produto: Se o aplicativo envolver o resfriamento de um produto específico, como alimentos ou produtos farmacêuticos, as seguintes características do produto devem ser consideradas:
   • Requisitos de temperatura
   • Sensibilidade às flutuações de temperatura
   • Teor de umidade
   • Requisitos de embalagem

Para aplicações especializadas como a conservação de peixes, fatores adicionais podem incluir:

• Requisitos de temperatura específicos para a preservação do produto, como manter uma temperatura refrigerada consistente para evitar deterioração
• Condições climáticas locais, como alta umidade ou temperaturas extremas, o que pode afetar o desempenho do sistema de refrigeração e requer considerações de design especializadas

A tabela a seguir resume os principais fatores específicos do aplicativo a considerar:

Fator	Descrição	Exemplos
Tipo de aplicativo	Tipo de aplicativo, como armazenamento a frio ou resfriamento de processo	Conservação de peixes, armazenamento farmacêutico, resfriamento de data center
Capacidade de resfriamento desejada	Quantidade de calor a ser removido do aplicativo	10 kW, 5 toneladas de refrigeração
Restrições de espaço	Espaço disponível para equipamentos de refrigeração	Espaço limitado no piso, altura restrita de teto
Condições ambientais	Temperatura ambiente, umidade e outros fatores ambientais	Faixa de temperatura: -20 ° C a 30 ° C, Nível de umidade: 50%
Características do produto	Requisitos de temperatura, sensibilidade às flutuações de temperatura, teor de umidade	Requisito de temperatura: 2 ° C a 8 ° C, teor de umidade: 10%

Diferencial de temperatura (TD)

O diferencial de temperatura entre o refrigerante evaporador e o meio que está resfriado (ar ou líquido) é um fator de seleção crítico. Um TD maior fornece mais capacidade de resfriamento, mas pode causar maior umidade relativa no espaço resfriado. Por outro lado, um TD menor mantém uma umidade mais alta, mas requer uma área de superfície de evaporador maior.

Para muitas aplicações de armazenamento de alimentos, a manutenção dos níveis de umidade apropriados é tão importante quanto o controle de temperatura, tornando a TD uma consideração essencial na seleção de evaporadores.

Compatibilidade do refrigerante

A escolha do refrigerante afeta significativamente a seleção e o dimensionamento do evaporador. Diferentes refrigerantes têm propriedades termodinâmicas variadas, afetando o desempenho do sistema e a seleção de componentes. Por exemplo:

• R-134A é comumente usado em aplicações automotivas e comerciais
• R-22 (sendo eliminado) tem sido historicamente usado em muitas aplicações industriais
• Refrigerantes alternativos como R-152A, R-1234YF e R-290 (propano) têm diferentes características de desempenho que exigem projetos específicos de evaporador

O coeficiente de refrigeração do desempenho (COP) varia com base na seleção de refrigerante, com algumas alternativas tendo melhor do que as opções tradicionais.

Tipos de evaporadores e suas aplicações

Diferentes tipos de evaporadores servem a várias aplicações, cada uma com vantagens e considerações distintas.

Evaporadores refrigerados a ar

Os evaporadores resfriados ao ar usam os ventiladores para circular o ar sobre as bobinas do evaporador, onde o refrigerante absorve o calor. Estes são o tipo mais comum usado na refrigeração industrial e estão disponíveis em várias configurações:

• Unidades montadas no teto
• Unidades montadas no piso
• Unidades montadas na parede

Os evaporadores refrigerados a ar são versáteis e adequados para uma ampla gama de aplicações, desde o armazenamento a frio até o resfriamento do processo. Sua seleção depende dos requisitos de fluxo de ar, restrições de espaço e capacidade de resfriamento necessária.

Evaporadores resfriados a água

Os evaporadores resfriados a água usam água como meio para absorver o calor do refrigerante. Estes são normalmente empregados em:

• Processar aplicações de resfriamento
• Grandes sistemas industriais
• Aplicações onde é necessário controle de temperatura preciso

Os sistemas resfriados a água geralmente alcançam maior eficiência, mas requerem infraestrutura e gerenciamento adicionais de água.

Trocadores de calor coaxial

Para aplicações que requerem resfriamento de outro líquido, os trocadores de calor coaxiais servem como evaporadores eficazes. Eles consistem em um tubo dentro de um tubo, com refrigerante fluindo através de uma passagem e o líquido a ser resfriado fluindo através da outra.

Esse projeto permite uma transferência de calor eficiente entre os dois fluidos, tornando -o ideal para aplicações especializadas como equipamentos de laboratório, resfriamento médico ou controle de temperatura do fluido de processo.

Integração do sistema e correspondência de componentes

A função evaporadora adequada depende de sua integração com outros componentes do sistema e design geral do sistema.

Compressor-Evaporator correspondência

O compressor e o evaporador devem ser correspondidos adequadamente para garantir a eficiência do sistema. Se o evaporador for superdimensionado em relação ao compressor:

• O diferencial de temperatura será menor do que as especificações da fábrica
• Os níveis de umidade podem aumentar um pouco
• A pressão de sucção aumentará, potencialmente melhorando a eficiência energética

Por outro lado, um evaporador de tamanho inferior lutará para atender às demandas de refrigeração, forçando o compressor a trabalhar mais e reduzir a eficiência do sistema.

Considerações do condensador

O condensador deve ser dimensionado para lidar com a rejeição total de calor, que inclui a carga do evaporador e o calor gerado pelo compressor. Por exemplo, se um evaporador lida com 4 kW de resfriamento e o compressor adicionar 1 kW de calor, o condensador deve lidar com um total de 5 kW.

Essa relação entre os componentes ressalta a importância do design em todo o sistema, em vez de se concentrar nos componentes individuais isoladamente.

Seleção de dispositivos de expansão

O dispositivo de expansão (válvula ou orifício) deve ser de tamanho adequado para fornecer a quantidade adequada de refrigerante ao evaporador. Em sistemas com dispositivos variáveis ​​de medição de orifício, como TXVs (válvulas de expansão termostática) e EEVs (válvulas de expansão eletrônica), uma coluna sólida de refrigerante líquido deve ser entregue para garantir a medição adequada.

O dispositivo de expansão controla a vazão do refrigerante e a queda de pressão, afetando diretamente o desempenho do evaporador e a eficiência do sistema.

Otimização de desempenho e considerações de eficiência

A otimização do desempenho do evaporador se estende além do dimensionamento e seleção inicial para incluir parâmetros operacionais e gerenciamento de sistemas.

Superaquecimento e controle de subcoolamento

Superaquecimento adequado (aquecimento adicional do refrigerante de vapor após a evaporação) é fundamental para o desempenho do sistema. Embora teoricamente ineficiente, é necessário algum superaquecimento para proteger o compressor contra danos ao refrigerante líquido. O equilíbrio ideal do superaquecimento garante:

• Refrigerante líquido adequado no evaporador para transferência de calor eficiente
• Proteção do compressor contra lesmas líquidas
• Uso maximizado da área de superfície do evaporador

Da mesma forma, o sub -resfriamento (resfriamento do refrigerante líquido abaixo de sua temperatura de condensação) no condensador garante a entrega adequada do líquido ao dispositivo de expansão.

Considerações de eficiência energética

Um evaporador bem projetado maximiza a transferência de calor e minimiza a entrada de energia, reduzindo os custos operacionais e aumentando a sustentabilidade do sistema. Vários elementos de design podem melhorar a eficiência energética:

1. Espaçamento e design ideais de barbatana
2. Distribuição de refrigerante adequada
3. Seleção de ventilador ou bomba eficiente
4. Sistemas de degelo eficazes (quando aplicável)
5. Padrões de fluxo de ar ou fluido apropriados

Os projetos de sistemas alternativos, como configurações de evaporador duplo, também podem melhorar a eficiência. Nesses sistemas, um evaporador no compartimento da geladeira funciona apenas o suficiente para a refrigeração, enquanto um evaporador separado lida com as temperaturas do congelador. Esse arranjo requer menos energia por unidade de calor removido em comparação com projetos convencionais.

Conclusão

O dimensionamento e a seleção do evaporador representam elementos críticos no design do sistema de refrigeração. O processo requer uma abordagem metódica que considere não apenas a carga de resfriamento, mas também a integração do sistema, as propriedades do refrigerante, os requisitos de aplicação e as metas de eficiência energética.

Engenheiros e designers devem equilibrar cálculos teóricos com considerações práticas, incluindo margens de segurança, necessidades futuras de capacidade e flexibilidade operacional. A seleção ideal do evaporador resulta dessa abordagem equilibrada, considerando os requisitos imediatos e o desempenho do sistema de longo prazo.

À medida que a tecnologia de refrigeração continua a evoluir, particularmente com a transição para refrigerantes de menor GWP (potencial de aquecimento global) e maior ênfase na eficiência energética, as metodologias de projeto e seleção do evaporador devem se adaptar de acordo. Os princípios fundamentais descritos neste relatório fornecem uma base para a navegação dessas alterações, alcançando o desempenho e a confiabilidade ideais do sistema.