This guide focuses on systems that use Refrigerant-22 (R-22). While the general requirements are the same for systems that use other refrigerants, velocities and pressure drops will differ.
A revisão das mudanças físicas que o refrigerante sofre dentro do ciclo de refrigeração ajudará a demonstrar certas demandas que o projeto da tubulação deve atender.
Refrigeração por compressão de vapor
A figura abaixo ilustra um ciclo básico de refrigeração por compressão de vapor. O refrigerante entra no evaporador na forma de uma mistura fria e de baixa pressão de líquido e vapor (A). O calor é transferido para o refrigerante a partir do ar relativamente quente que está sendo resfriado, fazendo com que o refrigerante líquido ferva. O vapor refrigerante resultante (B) é então bombeado do evaporador pelo compressor, o que aumenta a pressão e a temperatura do vapor.
O vapor refrigerante quente e de alta pressão resultante (C) entra no condensador, onde o calor é transferido para o ar ambiente, que está a uma temperatura mais baixa que a do refrigerante. Dentro do condensador, o vapor refrigerante condensa em líquido e é sub-resfriado. Este refrigerante líquido (D) flui então do condensador para o dispositivo de expansão. Este dispositivo cria uma queda de pressão que reduz a pressão do refrigerante à do evaporador. A esta baixa pressão, uma pequena porção do refrigerante ferve (ou pisca), resfriando o refrigerante líquido restante até a temperatura desejada do evaporador. A mistura fria de refrigerante líquido e vapor (A) entra no evaporador para repetir o ciclo.
Tubulação de refrigerante de interconexão
Esses componentes individuais são conectados por tubulação de refrigerante. A linha de sucção conecta o evaporador ao compressor, a linha de descarga conecta o compressor ao condensador e a linha de líquido conecta o condensador ao dispositivo de expansão. O dispositivo de expansão normalmente está localizado no final da linha de líquido, na entrada do evaporador.
O projeto da tubulação de refrigerante envolve mais do que apenas mover o refrigerante de um componente para outro. Independentemente do cuidado exercido na seleção e aplicação dos componentes do sistema de refrigeração, poderão ocorrer problemas operacionais se a tubulação de interligação for projetada ou instalada inadequadamente.
Refrigerant Piping Requirements
- Devolva o óleo ao compressor
- Certifique-se de que apenas refrigerante líquido entre no dispositivo de expansão
- Minimizar a perda de capacidade do sistema
- Minimizar a carga de refrigerante
Quando um sistema de refrigeração inclui tubulação de refrigerante montada em campo para conectar dois ou mais componentes, os principais objetivos do projeto geralmente são maximizar a confiabilidade do sistema e minimizar o custo de instalação. Para atingir estes dois objetivos, o projeto da tubulação de refrigerante de interconexão deve atender aos seguintes requisitos:
- Devolva o óleo ao compressor na taxa adequada, em todas as condições de operação
- Certifique-se de que apenas refrigerante líquido (sem vapor) entre no dispositivo de expansão
- Minimize a perda de capacidade do sistema causada pela queda de pressão na tubulação e nos acessórios
- Minimize a carga total de refrigerante no sistema para melhorar a confiabilidade e minimizar o custo instalado
O primeiro requisito é garantir que o óleo retorne ao compressor em todas as condições de operação. O óleo é usado para lubrificar e vedar as partes móveis de um compressor. Por exemplo, o compressor scroll mostrado na Figura acima usa duas configurações scroll, unidas face a face, para comprimir o vapor refrigerante. As pontas dessas espirais são equipadas com vedações que, juntamente com uma fina camada de óleo, evitam que o vapor refrigerante comprimido escape pelas superfícies de contato. Da mesma forma, outros tipos de compressores também dependem de óleo para lubrificação e para fornecer vedação ao comprimir o vapor refrigerante.
Caracteristicamente, parte desse óleo lubrificante é bombeado junto com o refrigerante por todo o resto do sistema. Embora este óleo não tenha função em nenhum outro lugar do sistema, a tubulação de refrigerante deve ser projetada e instalada de modo que esse óleo retorne ao compressor na taxa adequada, em todas as condições de operação.
Retorno de óleo aos compressores
Voltando ao esquema do sistema, gotículas de óleo são bombeadas para fora do compressor junto com o vapor refrigerante quente e de alta pressão. A velocidade do refrigerante dentro da linha de descarga deve ser alta o suficiente para transportar as pequenas gotas de óleo através do tubo até o condensador.
Dentro do condensador, o vapor refrigerante se condensa em líquido. O refrigerante líquido e o óleo têm afinidade um com o outro, de modo que o óleo se move facilmente junto com o refrigerante líquido. Do condensador, esta mistura de refrigerante líquido e óleo flui através da linha de líquido para o dispositivo de expansão.
Em seguida, a mistura refrigerante-óleo é dosada através do dispositivo de expansão para o evaporador, onde o refrigerante líquido absorve calor e vaporiza. Novamente, a velocidade do vapor refrigerante dentro da linha de sucção deve ser alta o suficiente para transportar as gotas de óleo através do tubo de volta ao compressor.
Sem velocidade adequada e instalação adequada da tubulação, o óleo pode ficar preso no sistema. Se esta condição for suficientemente grave, o nível reduzido de óleo no compressor poderá causar problemas de lubrificação e, potencialmente, falha mecânica.
Válvula de expansão termostática (TXV)
O segundo requisito do projeto da tubulação de refrigerante é garantir que apenas refrigerante líquido entre no dispositivo de expansão. Existem vários tipos de dispositivos de expansão, incluindo válvulas de expansão (termostáticas ou eletrônicas), tubos capilares e orifícios.
Além de manter a diferença de pressão entre os lados de alta pressão (condensador) e baixa pressão (evaporador) do sistema, uma válvula de expansão termostática (TXV) também controla a quantidade de refrigerante líquido que entra no evaporador. Isso garante que o refrigerante será completamente vaporizado dentro do evaporador e mantém a quantidade adequada de superaquecimento no sistema.
Sub-resfriamento
Inside the condenser, after all of the refrigerant vapor has condensed into liquid, the refrigerant is subcooled to further lower its temperature. This subcooled liquid refrigerant leaves the condenser (A) and experiences a pressure drop as it flows through the liquid line and accessories, such as a filter drier and solenoid valve, installed upstream of the TXV. On the pressure-enthalpy chart, Figure below on page 5, this moves the condition of the refrigerant toward the saturated liquid curve (B). If this pressure drop is high enough, or if the refrigerant has not been subcooled enough by the condenser, a small portion of the refrigerant may boil (or flash), resulting in a mixture of liquid and vapor (C) entering the expansion device.
A presença de vapor refrigerante a montante do dispositivo de expansão é muito indesejável. Bolhas de vapor deslocam o líquido na porta da TXV, reduzindo a vazão do líquido através da válvula, reduzindo assim substancialmente a capacidade do evaporador. Isto resulta em operação errática da válvula.
O projeto do sistema de tubulação deve garantir que somente refrigerante líquido (sem vapor) entre no dispositivo de expansão. Isto requer que o condensador forneça subresfriamento adequado em todas as condições de operação do sistema e que a queda de pressão através da linha de líquido e acessórios não seja alta o suficiente para causar flashes. O sub-resfriamento permite que o refrigerante líquido sofra alguma queda de pressão à medida que flui pela linha de líquido, sem o risco de piscar.
Queda de pressão em uma linha de sucção
O terceiro requisito do projeto da tubulação de refrigerante é minimizar a perda de capacidade do sistema. Para atingir a capacidade máxima do sistema, o refrigerante deve circular pelo sistema da forma mais eficiente possível. Isto envolve minimizar qualquer queda de pressão através da tubulação e de outros componentes do sistema.
Sempre que um fluido flui dentro de um tubo, ocorre uma queda de pressão característica. A queda de pressão é causada pelo atrito entre o líquido (ou vapor) em movimento e as paredes internas do tubo. A queda de pressão total depende do diâmetro e comprimento do tubo, do número e tipo de conexões e acessórios instalados na linha e da vazão mássica, densidade e viscosidade do refrigerante.
A título de exemplo, o gráfico da Figura acima demonstra o impacto da queda de pressão, através da linha de sucção, na capacidade e eficiência do sistema. Para este sistema de exemplo operando com Refrigerante-22, aumentar a queda de pressão total na linha de sucção de 3 psi (20,7 kPa) para 6 psi (41,4 kPa) diminui a capacidade do sistema em cerca de 2,5 por cento e diminui a eficiência do sistema em cerca de 2 por cento.
Isto revela um compromisso com o qual o projetista do sistema deve lidar. O diâmetro da linha de sucção deve ser pequeno o suficiente para que a velocidade do refrigerante resultante seja suficientemente alta para transportar as gotas de óleo através do tubo. Contudo, o diâmetro do tubo não deve ser tão pequeno que crie uma queda de pressão excessiva, reduzindo muito a capacidade do sistema.
Minimizar carga de refrigerante
Os três primeiros requisitos permaneceram inalterados durante muitos anos. No entanto, anos de observação e resolução de problemas revelaram que quanto menor for a carga de refrigerante do sistema, mais fiável será o desempenho do sistema. Portanto, um quarto requisito foi adicionado ao projeto da tubulação de refrigerante: minimizar a quantidade total de refrigerante no sistema. Para começar, isso envolve definir o roteamento de tubulação mais curto, mais simples e mais direto. Também envolve a utilização do menor diâmetro de tubo possível, especialmente para a linha de líquido, porque, das três linhas, é a que tem maior impacto na carga de refrigerante. O gráfico na Figura abaixo mostra que a linha de líquido perde apenas para o condensador na quantidade de refrigerante que contém.
Isto revela outro compromisso para o projetista do sistema. O diâmetro da linha de líquido deve ser o menor possível para minimizar a carga total de refrigerante. Contudo, o diâmetro do tubo não pode ser pequeno o suficiente para criar uma queda de pressão excessiva que resulte em flashing antes que o refrigerante líquido atinja o dispositivo de expansão.
Envolva o Fabricante
Se fornecido, use tamanhos de linha de refrigerante recomendados pelo fabricante
Este guia discute os processos de dimensionamento da tubulação de interconexão em um sistema de ar condicionado. Algumas das informações necessárias para selecionar os tamanhos de linha ideais são mais conhecidas pelo fabricante. Portanto, se o fabricante do equipamento de refrigeração fornecer tamanhos de linha recomendados ou ferramentas para selecionar os tamanhos de linha ideais, recomendamos que você use esses tamanhos de linha.
Se, no entanto, os tamanhos das linhas não forem fornecidos pelo fabricante, os processos descritos neste guia poderão ser usados para selecionar os tamanhos.
Requisitos Gerais de Tubulação
- Use tubos de cobre Tipo L limpos
- Juntas cobre-cobre: BCuP-6 sem fluxo
- Juntas cobre-aço (ou latão): BAg-28, fluxo não ácido
- Apoie adequadamente a tubulação para levar em conta expansão, vibração e peso
- Evite instalar tubulações subterrâneas
- Teste todo o circuito refrigerante quanto a vazamentos
Antes de discutir o projeto e a instalação das linhas de sucção, descarga e líquido, existem alguns requisitos gerais que se aplicam a todas essas linhas.
Primeiro, a tubulação de cobre é normalmente usada para tubulações de refrigerante em sistemas de ar condicionado. Esta tubulação está disponível em vários diâmetros e espessuras de parede padrão. O diâmetro nominal da tubulação é expresso em termos do seu diâmetro externo. Esta tubulação deve estar completamente livre de sujeira, incrustações e óxido. A nova tubulação Tipo L ou Tipo ACR que foi limpa pelo fabricante e tampada em ambas as extremidades é recomendada para aplicações de ar condicionado.
O sistema de tubulação é construído soldando tubos e conexões de cobre. Ao brasar juntas cobre-cobre, use BCuP-6* sem fluxo. Para juntas cobre-aço ou cobre-latão, utilizar BAg-28* com fluxo não ácido.
Baseado na especificação da American Welding Society (AWS) para metais de adição para brasagem e soldagem por brasagem, publicação A5.8–1992
A tubulação de refrigerante deve ser apoiada adequadamente para compensar a expansão, a vibração e o peso total da tubulação. Quando um tubo sofre uma mudança de temperatura, ele fica sujeito a uma certa expansão e contração. Como a tubulação de refrigerante está conectada ao compressor, as forças de vibração são transmitidas à própria tubulação. Finalmente, o peso do tubo e das conexões cheios de refrigerante deve ser suportado para evitar que os tubos cedam, dobrem ou quebrem.
Evite instalar tubulações de refrigerante subterrâneas. É muito difícil manter a limpeza durante a instalação ou testar vazamentos. Se a instalação subterrânea for inevitável, cada linha deve ser isolada separadamente e, em seguida, as linhas devem ser impermeabilizadas e protegidas com um invólucro rígido (como PVC).
Após a instalação da tubulação, todo o circuito de refrigeração deve ser testado quanto a vazamentos antes de poder ser carregado com refrigerante. Este processo normalmente envolve pressurizar todo o sistema de tubulação com nitrogênio seco para examinar cada junta soldada em busca de vazamentos.
Cada uma dessas questões é discutida com mais detalhes no Manual de refrigeração alternativa Trane.
Referência
FREQUENTLY ASKED QUESTIONS
The type of refrigerant used affects piping design in terms of velocities and pressure drops. Different refrigerants have different thermodynamic properties, such as density, viscosity, and specific heat capacity, which impact the design of the piping system. For example, Refrigerant-22 (R-22) has a higher density and viscosity than Refrigerant-410A, which means that R-22 requires larger pipe sizes and more powerful pumps to achieve the same flow rate. Additionally, the pressure drop in the piping system will be different for different refrigerants, which affects the design of the condenser and evaporator coils.
Undersized piping can lead to increased pressure drops, reduced flow rates, and decreased system efficiency. This can cause the compressor to work harder, increasing energy consumption and reducing its lifespan. On the other hand, oversized piping can lead to increased material costs, reduced system performance, and increased risk of refrigerant leakage. Oversized piping can also lead to oil trapping, which can cause compressor failure. Properly sized piping is critical to ensure efficient and reliable operation of the refrigeration system.
Pipe material selection plays a critical role in refrigerant piping design. Different materials have different thermal conductivity, corrosion resistance, and pressure ratings, which affect the design of the piping system. For example, copper pipes are commonly used in refrigeration systems due to their high thermal conductivity and resistance to corrosion. However, copper pipes may not be suitable for systems using refrigerants with high acidity, such as ammonia. In such cases, stainless steel or other corrosion-resistant materials may be required. The pipe material selection must also meet the pressure ratings and temperature requirements of the system.
When designing the layout of refrigerant piping, several factors must be considered, including pipe size and material, fittings and valves, insulation, and supports. The piping layout must ensure minimal pressure drops, avoid oil trapping, and prevent refrigerant leakage. The layout must also allow for easy access for maintenance and repair. Additionally, the piping layout must comply with relevant codes and standards, such as ASHRAE and ASME. A well-designed piping layout is critical to ensure efficient, reliable, and safe operation of the refrigeration system.
The refrigerant piping design has a significant impact on the overall efficiency of the refrigeration system. A well-designed piping system can minimize pressure drops, reduce energy consumption, and increase system efficiency. On the other hand, a poorly designed piping system can lead to increased energy consumption, reduced system performance, and decreased reliability. The piping design must be optimized to ensure that the refrigerant flows efficiently through the system, with minimal losses and maximum heat transfer. A efficient piping design can lead to significant energy savings and reduced operating costs over the lifespan of the system.
