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O desenvolvimento de um módulo de controle para equipamentos que utilizam o ciclo de refrigeração por compressão a vapor, com dispositivo de medição por tubos capilares. O módulo atua baseado no superaquecimento do ciclo de refrigeração, mantendo-o constante e permitindo um rendimento elevado. O texto também discute as preocupações relacionadas à economia de energia, lançamento de fluidos refrigerantes na atmosfera e redução de resíduos sólidos em atividades relacionadas à refrigeração.
O que você vai aprender
Tipologia: Notas de aula
Compartilhado em 07/11/2022
4.6
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INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS FLORIANÓPOLIS DEPARTAMENTO DE METAL-MECÂNICA CURSO DE MECATRÔNICA
GEORGE HENRY WOJCIKIEWICZ
FLORIANÓPOLIS – SC, 2018
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS FLORIANÓPOLIS DEPARTAMENTO DE METAL-MECÂNICA CURSO DE MECATRÔNICA
GEORGE HENRY WOJCIKIEWICZ
Dissertação apresentada ao Mestrado em Mecatrônica do Campus Florianópolis do Instituto Federal de Santa Catarina para a obtenção do diploma de Mestre em Mecatrônica
Orientador: Marcelo Vandresen, Dr. Eng. Mecânica
FLORIANÓPOLIS, 2018
Dedico esse trabalho aos interessados por essa área do conhecimento.
“Sic Transit Gloria Mundi” Provérbio latino.
A economia de energia, o lançamento de fluidos refrigerantes na atmosfera e a redução dos resíduos sólidos provenientes do descarte de equipamentos de refrigeração são preocupações que devem estar presentes na execução das atividades dos profissionais do ramo da refrigeração. Neste trabalho é apresentado o desenvolvimento de um módulo de controle para equipamentos que utilizam o ciclo de refrigeração por compressão a vapor e tem como dispositivo de medição os tubos capilares. Esse módulo atua baseado no superaquecimento do ciclo de refrigeração, mantendo-o constante e possibilitando um rendimento elevado. Os experimentos realizados comprovaram que, com o módulo, o equipamento apresenta um funcionamento com menor consumo de energia elétrica para uma mesma capacidade frigorífica, podendo, com isto, ser instalado nos equipamentos, renovando-os e evitando trocas desnecessárias. A economia gerada pela sua utilização foi suficiente para o retorno do investimento e consequente redução dos custos de operação. No projeto e na concepção do módulo foram utilizados elementos de mecânica, o depósito e as válvulas; de elétrica, as bobinas solenoides; de eletrônica, os microcontroladores e os sensores de temperatura; e de programação, o sistema embarcado. Dessa maneira, a mecatrônica faz a integração de vários campos do conhecimento para apresentar a solução de um problema apresentado.
Palavras chave: Refrigeração. Superaquecimento. Sistemas embarcados.
ACEEE – American Council fo Energy-Efficient Economy BTU/h – British Thermal Unit COP – Coeficiente de Performance DC – Corrente contínua IFSC – Instituto Federal de Santa Catarina IHM – Interface Homem-Máquina IOM – Instalação, Operação e Manutenção MSS – Minimum Stable Superheat PPR - Polipropileno Copolímero Random – tipo 3 PROCEL – Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica R22 – Fluido refrigerante 22 SRF – Secretaria da Receita Federal
COP – Coeficiente de performance [unidimensional] h B - Entalpia especifica no ponto B [ kJ/kg ] h C - Entalpia especifica no ponto C [ kJ/kg ] h D - Entalpia especifica no ponto D [ kJ/kg ] – Vazão mássica [ kg/s ] ^ – Potência de refrigeração [ kW ] S1 – Sensor de temperatura no ponto 1 S2 – Sensor de temperatura no ponto 2 T – Temperatura [ °C ] Te – Temperatura no evaporador [ °C ] Tsaturação à pressão de baixa – Temperatura de saturação do fluido refrigerante na pressão de evaporação [ °C ] Ttubulação – Temperatura medida na tubulação de fluido [ °C ] ^ – Potência de compressão [ kW ]
1.1 Histórico
A refrigeração é utilizada desde o início da civilização, pelos povos antigos, assim como, o conceito do resfriamento para o consumo e a preservação dos alimentos. Para isto, utilizavam gelo natural retirado de lagos e/ou geleiras, que era armazenado em poços, ou cavernas para posterior consumo. Segundo Thevenot (1979), a refrigeração artificial, aquela que não utiliza meios naturais para a produção de frio, inicia em 1755, quando Willian Cullen produz o primeiro gelo artificial, usando o processo de evaporação do éter. Cerca de 45 anos depois, Oliver Evans descreve o ciclo de refrigeração por compressão de vapor e, baseando-se nesta descrição, Jacob Perkins desenvolve a patente de um equipamento para a produção de gelo. Em 1850, Alexander Twining, solicita a patente britânica para o equipamento de refrigeração por compressão de vapor, que utiliza o éter, a amônia, ou o dióxido de carbono como fluido de trabalho. James Harrison, em 1856, produz os primeiros equipamentos de refrigeração, utilizando este mesmo ciclo. Os equipamentos utilizavam como fluidos de trabalho o álcool, o éter, ou a amônia. Na França, em 1864, Charles Tellier solicita a patente francesa do equipamento de refrigeração utilizando éter dimetílico. No livro Refrigeration and Air Conditioning , editado no Instituto Indiano de Tecnologia em 2016, é comentado que a refrigeração doméstica inicia em 1803, com a utilização da geladeira, que utilizava uma barra de gelo natural colocada em um compartimento na parte de cima do móvel. Este equipamento ainda era utilizado até meados do século XX em muitos países. O primeiro refrigerador doméstico utilizando refrigeração artificial foi lançado em 1911 pela General Eletric nos Estados Unidos da América, seguida pela Frigidaire, que lançou o seu em 1915. A climatização de ambientes com sistemas de refrigeração por compressão de vapor inicia em 1891, no depósito de negativos fotográficos da empresa Eastman Kodak, nos Estados Unidos da América. A primeira residência foi climatizada em 1894 na cidade de Frankfurt, na Alemanha e a primeira biblioteca em 1895 nos Estados
por 22 por cento do consumo total da energia elétrica produzida no país, conforme a figura 2, esta parcela de 47 por cento representava cerca de 10,44 por cento de toda a energia elétrica produzida no país, naquele ano.
FIGURA 1 – Consumo de energia elétrica pelos eletrodomésticos (Fonte: Procel, 2007)
FIGURA 2 - Consumo de energia elétrica nos diversos setores da economia (Fonte: Procel, 2007)
Um estudo patrocinado pelo “American Council for Energy-Efficient Economy (ACEEE)” mostrou que, com a carga de fluido reduzida e a manutenção mal realizada nos equipamentos de refrigeração, ocorria um aumento do consumo de energia em até 20 por cento, além da diminuição da vida útil dos equipamentos (Kim e Braun, 2010).
Para evitar estes problemas, devido ao funcionamento irregular dos equipamentos, o módulo desenvolvido neste trabalho pretende, a partir do controle do superaquecimento do ciclo de refrigeração, melhorar sua eficiência. Este módulo atua diretamente no equipamento, retirando ou colocando fluido refrigerante no ciclo, e mantendo o superaquecimento, a partir de um valor pré-definido, para uma operação de máxima eficiência. O módulo, também emitirá alarmes se o funcionamento do equipamento não estiver na sua normalidade.
1.4 Objetivos
1.4.1 Objetivo geral
Desenvolver um módulo de controle constituído por um reservatório de fluido, dotado de válvulas de bloqueio com sistema de abertura e fechamento microcontrolado, cujo acionamento será baseado no grau de superaquecimento do ciclo de refrigeração por compressão de vapor.
1.4.2 Objetivos específicos
