Módulo de Controle para Equipamentos de Refrigeração a Vapor, Notas de aula de Mecatrônica

Baixe Módulo de Controle para Equipamentos de Refrigeração a Vapor e outras Notas de aula em PDF para Mecatrônica, somente na Docsity! INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA CAMPUS FLORIANÓPOLIS DEPARTAMENTO DE METAL-MECÂNICA CURSO DE MECATRÔNICA GEORGE HENRY WOJCIKIEWICZ MÓDULO DE CONTROLE DO SUPERAQUECIMENTO PARA SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE VAPOR 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 MÓDULO DE CONTROLE DO SUPERAQUECIMENTO PARA SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE VAPOR 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. AGRADECIMENTOS Agradeço a todos que direta ou indiretamente participaram deste aprendizado. Especialmente A minha esposa, que me incentivou; Aos meus filhos e genros que me auxiliaram no desenvolvimento; Ao Campus São José do IFSC, local onde tenho lecionado desde 1992, que possibilitou minha oportunidade de aperfeiçoamento; Ao Campus Florianópolis do IFSC por possibilitar meu aprendizado nessa área do conhecimento; Muito obrigado a todos. “Sic Transit Gloria Mundi” Provérbio latino. LISTA DE FIGURAS FIGURA 1 – Consumo de energia elétrica pelos eletrodomésticos ........................... 19 FIGURA 2 - Consumo de energia elétrica nos diversos setores da economia .......... 19 FIGURA 3 - Exemplos de equipamentos de refrigeração e climatização .................. 21 FIGURA 4 - Representação simplificada do ciclo de refrigeração por compressão de vapor e diagrama pressão versus entalpia ................................................................ 22 FIGURA 5 - Diagrama pressão versus entalpia do ciclo de refrigeração. ................. 25 FIGURA 6 – Superaquecimento ................................................................................ 27 FIGURA 7 - Etiqueta da bomba de calor. .................................................................. 32 FIGURA 8 - Bomba de calor utilizada no experimento. ............................................. 33 FIGURA 9 - Etiqueta climatizador de Ar. ................................................................... 33 FIGURA 10 - Características técnicas do climatizador. ............................................. 34 FIGURA 11 - Climatizador de ar instalado para a realização do experimento. .......... 35 FIGURA 12 – Projeto do depósito de fluido com as válvulas solenoides. ................. 35 FIGURA 13 - Depósito construído ............................................................................. 36 FIGURA 14 - Arduino® Uno com as ligações utilizadas ............................................ 37 FIGURA 15 - Termômetro Digital 1 fio DS18B20. ...................................................... 38 FIGURA 16 - DS18B20 Características elétricas. ..................................................... 39 FIGURA 17 - Sensor de fluxo. ................................................................................... 40 FIGURA 18 - Analisador de energia. ......................................................................... 41 FIGURA 19 - Cilindro graduado. ................................................................................ 45 FIGURA 20 - Placa de conexão dos sensores .......................................................... 47 FIGURA 21 - Diferença de temperatura entre a entrada e a saída de água no aquecedor no equipamento original .......................................................................... 48 FIGURA 22 - Superaquecimento do fluido no equipamento original ......................... 48 FIGURA 23 - Calor trocado no equipamento original ................................................ 49 FIGURA 24 - Potência elétrica consumida no equipamento original ......................... 49 FIGURA 25 – COP no equipamento original ............................................................. 50 FIGURA 26 - Seleção do tubo capilar ....................................................................... 51 FIGURA 27 - Tubo capilar utilizado ........................................................................... 52 FIGURA 28 - Diferença de temperatura entre a entrada e a saída de água no aquecedor no equipamento com tubo capilar............................................................ 53 FIGURA 29 – Superaquecimento do fluido no equipamento com tubo capilar .......... 53 FIGURA 30 - Calor trocado no equipamento com tubo capilar ................................. 54 FIGURA 31 - Potência elétrica consumida no equipamento com tubo capilar .......... 54 FIGURA 32 - COP no equipamento com tubo capilar ............................................... 55 FIGURA 33 - Diferença de temperatura entre a entrada e a saída de água no aquecedor no equipamento com módulo .................................................................. 57 FIGURA 34 – Superaquecimento no equipamento com o módulo ............................ 57 FIGURA 35 - Calor trocado no equipamento com o módulo ..................................... 58 FIGURA 36 - Potência elétrica consumida no equipamento com o módulo .............. 58 FIGURA 37 – COP no equipamento com o módulo .................................................. 59 FIGURA 38 - Comparação COP ................................................................................ 61 FIGURA 39 - Comparação Potência Elétrica............................................................. 62 FIGURA 40 - Comparação Calor trocado .................................................................. 62 FIGURA 41 - Dados técnicos - Equipamento de climatização, tipo split, capacidade 18.000 BTU/h ............................................................................................................ 63 LISTA DE TABELAS TABELA 1 - Características técnicas do sensor de fluxo. .......................................... 40 TABELA 2 - Características de medição do analisador de energia. .......................... 42 TABELA 3 - Aferição do sensor de vazão .................................................................. 44 TABELA 4 - Posicionamento dos sensores ............................................................... 47 TABELA 5 - Resultado das medições no equipamento com configuração original ... 51 TABELA 6 - Resultado das medições no equipamento com tubo capilar .................. 55 TABELA 7 - Resultado das medições no equipamento com o módulo instalado ...... 59 TABELA 8 - Comparação equipamento com módulo versus sem módulo ................ 63 TABELA 9 - Composição de preço de venda do módulo ........................................... 64 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ................................................................................................... 17 1.1 Histórico ........................................................................................................ 17 1.2 Aplicações .................................................................................................... 18 1.3 Justificativa e relevância ............................................................................... 18 1.4 Objetivos ....................................................................................................... 20 1.4.1 Objetivo geral................................................................................................ 20 1.4.2 Objetivos específicos .................................................................................... 20 2 DESENVOLVIMENTO ........................................................................................ 21 2.1 Revisão de literatura ..................................................................................... 21 2.1.1 Propriedades Termodinâmicas ..................................................................... 21 2.1.2 Ciclo de refrigeração por compressão de vapor ........................................... 22 2.1.3 Coeficiente de performance .......................................................................... 24 2.1.4 Superaquecimento ........................................................................................ 26 2.1.5 Sistemas microprocessados ......................................................................... 29 3 MATERIAIS E MÉTODOS .................................................................................. 31 3.1 Dispositivo experimental ............................................................................... 31 3.1.1 Aquecedor de água ...................................................................................... 31 3.1.2 Climatizador de Ar ........................................................................................ 33 3.1.3 Depósito de fluido ......................................................................................... 35 3.2 Sistemas de medição ................................................................................... 36 3.2.1 Medição de temperatura ............................................................................... 36 3.2.1.1 Arduino® Uno ........................................................................................... 37 3.2.1.2 Sensores de temperatura ......................................................................... 38 3.2.2 Medição da vazão ......................................................................................... 39 3.2.3 Medição da potência elétrica ........................................................................ 41 3.3 Metodologia .................................................................................................. 42 3.3.1 Medições ...................................................................................................... 42 3.3.2 Procedimento experimental .......................................................................... 45 3.3.2.1 Aferição .................................................................................................... 45 3.3.2.2 Modificação do equipamento .................................................................... 51 3.3.2.3 Instalação do módulo ............................................................................... 56 4 ANALISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ................................................. 61 5 CONCLUSÃO .................................................................................................... 67 REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 69 1 INTRODUÇÃO 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 20 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 • Avaliar o comportamento do ciclo de refrigeração com a variação da carga de fluido; • Analisar o consumo de energia elétrica; • Definir o volume de armazenamento necessário com base na massa de fluido de cada equipamento; • Desenvolver um circuito microcontrolado para a atuação na abertura e no fechamento das válvulas. 2 DESENVOLVIMENTO 2.1 Revisão de literatura Os equipamentos de refrigeração e climatização residenciais: refrigeradores, freezers, climatizadores e bombas de calor, figura 3, funcionam, em sua maioria, utilizando um ciclo termodinâmico de refrigeração por compressão de vapor. FIGURA 3 - Exemplos de equipamentos de refrigeração e climatização (Elaborado pelo autor) 2.1.1 Propriedades Termodinâmicas Para podermos avaliar e entender os processos e características de um sistema de refrigeração, faz-se necessário a consideração de alguns conceitos a respeito das grandezas envolvidas no ciclo de refrigeração por compressão de vapor. • Temperatura: Segundo Stoecker e Jones,1985: “A temperatura T de uma substância indica seu estado térmico e sua habilidade de trocar energia com outra substância que esteja em comunicação térmica”; • Pressão: É definida por uma força atuando sobre uma unidade de área; • Calor: É a energia trocada devido à diferença de temperaturas entre as substâncias; • Entalpia: É o nível de energia de uma substância para uma determinada condição de pressão e volume. 22 2.1.2 Ciclo de refrigeração por compressão de vapor Para entender o funcionamento dos equipamentos que utilizam o ciclo de refrigeração por compressão de vapor, iniciamos com sua definição: “Quando um refrigerante (fluido) circula através do sistema, passa por um certo número de transformações de estado, ou condição, cada uma das quais é chamada de processo. O refrigerante (fluido) começa em algum estado, ou condição inicial, passa por uma série de processos numa sequência determinada, e volta à condição inicial. Esta série de processos é denominada ciclo” (DOSSAT, 2006). FIGURA 4 - Representação simplificada do ciclo de refrigeração por compressão de vapor e diagrama pressão versus entalpia (Fonte: Adaptado de STOECKER E JONES, 1985) Assim, para demonstrar os processos que ocorrem no ciclo de refrigeração por compressão de vapor, a partir da figura 4, temos: • Do ponto A  A1 – Ocorre o subresfriamento do líquido saturado, onde há uma troca de calor sensível (somente mudança de temperatura), reduzindo a temperatura do fluido em sua fase líquida; • Ponto A1  B – Ocorre a expansão adiabática, sem troca de calor, ocasionando uma redução na pressão do fluido. • Ponto B  C – Ocorre a absorção de calor com temperatura e pressão constantes, onde o fluido absorve calor do ambiente, passando da fase líquida para a fase vapor; • Ponto C  C1 – Ocorre o superaquecimento do vapor saturado. Neste trecho há troca de calor sensível, com o aumento da temperatura do fluido em sua fase vapor; 25 FIGURA 5 - Diagrama pressão versus entalpia do ciclo de refrigeração. (Fonte: Elaborado pelo autor) O primeiro processo consiste na troca de calor efetuada no evaporador. Esta parcela é relativa à potência de refrigeração do ciclo e representa a quantidade de calor retirada no evaporador de um sistema de refrigeração por compressão de vapor. É o produto entre a vazão mássica ( ), a entalpia de saída (ℎ) e a de entrada (ℎ) do fluido refrigerante no evaporador e é definida por:  =  . (ℎ − ℎ) EQUAÇÃO 3 - Calor trocado O segundo processo ocorre no compressor, considerando um sistema ideal, e representa a energia consumida para o bombeamento do fluido através do trabalho mecânico do compressor. Essa parcela é o trabalho realizado e é o produto entre a vazão mássica ( ), a entalpia de entrada (ℎ) e de saída (ℎ") do compressor, e é definida por:   =  . (ℎ" − ℎ) EQUAÇÃO 4 - Potência consumida Deste modo, quando em regime permanente, a vazão mássica é a mesma no evaporador e no compressor, e como, ela aparece no numerador e no denominador 26 da equação 2, ela pode ser simplificada. Então, reescreve-se a equação do COP, como sendo a razão entre as diferenças das entalpias de entrada e de saída do evaporador e do compressor:  = (ℎ − ℎ)(ℎ" − ℎ) EQUAÇÃO 5 - Cálculo do COP O Coeficiente de Performance (COP) máximo, é baseado no ciclo de Carnot, que é um ciclo de refrigeração ideal e opera entre duas temperaturas. Deste modo, o COP de Carnot é obtido assim:  #$%&' = (  (   )  (  (     − (  (   )  EQUAÇÃO 6 - COP de Carnot Desta forma, para termos um COP de Carnot alto devemos operar com uma diferença entre as temperaturas do evaporador e condensador num valor mínimo possível. Porém, isto tem limitações de ordem técnica, pois a temperatura do condensador deve ser um pouco mais elevada que a temperatura onde há a rejeição do calor, e a temperatura de evaporação deve ser menor que a temperatura do ambiente, onde o calor deve ser absorvido. 2.1.4 Superaquecimento O superaquecimento do fluido em um sistema de refrigeração por compressão de vapor ocorre após o fluido no evaporador passar da fase líquida para vapor; o fluido na fase vapor ao receber calor ocasiona um aumento na sua temperatura tornando-o vapor superaquecido. Para uma melhor compreensão, descreveremos o processo que ocorre. Na entrada do evaporador o líquido a baixa pressão adentra ao evaporador. À medida que esse fluido vai percorrendo a tubulação e trocando calor, vai passando da fase líquida para a fase vapor. Enquanto a parcela de fluido na fase líquida for maior que a da fase vapor a velocidade de mudança de fase é pequena e a temperatura se mantém constante. A medida que essa quantidade diminui, a velocidade aumenta e 27 há um aumento na instabilidade da mistura, gerando mais vapor e ocasionando uma variação na temperatura. Depois de todo o líquido evaporar inicia-se o superaquecimento do vapor com o fluido, aumentando então, sua temperatura. Na figura 6 é mostrado esse processo. FIGURA 6 – Superaquecimento Fonte: Adaptado de Danfoss – The Pioneer in Electric Expansion Valve Control – Technical Paper Stoecker e Jones (2002) apresentam que os efeitos do superaquecimento e do subresfriamento são influenciados pelo tipo de fluido utilizado, podendo aumentar a capacidade de um sistema com um aumento nestas duas condições. Para o cálculo do superaquecimento mede-se a temperatura da tubulação na saída do evaporador e a pressão de baixa do sistema. Com a pressão de baixa, verifica-se a temperatura de saturação do fluido. A diferença entre a temperatura da tubulação e a temperatura de saturação indica o valor do superaquecimento, conforme a equação 7. * +  ( = ,'-.-/#çã& ! ,0#'-$#çã& à 2$300ã& 43 .#56# EQUAÇÃO 7 - Cálculo do superaquecimento 30 mesmo tempo em que ocorrem. Sistemas acionados pelo tempo tem todas as decisões e as ações para seu funcionamento dependentes dele. Sistemas acionados por eventos dependem de determinado acontecimento para tomar uma decisão e realizar as ações devidas á ela. Sistemas mistos são os sistemas que combinam quaisquer dos sistemas acima descritos. Os microprocessadores, segundo Watanabe (2012), são dispositivos que recebem as programações e os dados e, após processá-los, apresentam um resultado. Estes dispositivos possuem os seguintes componentes: • Unidade lógica aritmética – local onde são realizadas as operações matemáticas e as comparações; • Unidade de controle – gerenciamento dos dados com controle das entradas e das saídas, decodificando as instruções e fornecendo as informações para a unidade de lógica aritmética; • Registradores – armazenagem das instruções e dos dados. De acordo com seu modo de construção e de funcionamento, são basicamente divididos em dois tipos, também chamados de arquiteturas, Harvard e Von Neumann. A arquitetura Von Neumann possui os seguintes componentes: uma memória para armazenar os dados e as instruções; uma unidade lógica aritmética; uma unidade de controle e vários registradores. A Harvard diferencia da Von Neumann por possuir duas memórias, uma para armazenar os dados e outra para as instruções e e por ter acessos simultâneo, o que aumentaria sua velocidade de processamento. Os microcontroladores são dispositivos que reúnem em um chip, o microprocessador, as memórias, os periféricos, as entradas e as saídas programáveis. Por possuírem essa versatilidade são usados para controlar diversos equipamentos. Os sistemas embarcados utilizam os microcontroladores para controlar ou monitorar equipamentos e sistemas. 3 MATERIAIS E MÉTODOS A descrição dos equipamentos e dos dispositivos utilizados para a realização da análise experimental do módulo de controle são apresentados a seguir. Os ensaios e os testes foram realizados no IFSC – Campus São José. 3.1 Dispositivo experimental A bancada experimental foi constituída por diversos componentes: alguns estavam disponíveis no laboratório, como o aquecedor de água tipo bomba de calor; as tubulações de cobre; e as tubulações em Polipropileno Copolímero Random – tipo 3 PPR para interligação entre o climatizador de ar e o aquecedor; o analisador de energia; e os materiais de consumo utilizados. Outros componentes foram adquiridos e montados na bancada: o climatizador de ar; os sensores de temperatura e vazão; a placa de desenvolvimento Arduino®; o depósito de fluido; e as válvulas solenoides e de retenção. A bancada foi montada junto à parede externa do laboratório de ciências térmicas da área de Refrigeração e Climatização do Campus São José. A alimentação elétrica dos equipamentos foi realizada em circuito exclusivo montado para a bancada. Os equipamentos possuem tensão de alimentação de 220V – monofásico, sendo ligados e desligados através da interface homem-máquina (IHM). O aquecedor foi ajustado para trabalhar com a temperatura máxima de aquecimento de água, para que o equipamento permanecesse ligado durante todo o tempo dos testes. 3.1.1 Aquecedor de água Para análise do desempenho e características do ciclo de refrigeração utilizou- se um aquecedor de água, do tipo bomba de calor, fabricado por Foshan Shunde Guangteng Solar Energy Electrical Appliances Co. Ltd, modelo GT-SKR015B. Na figura 7 são apresentados os dados completos do equipamento utilizado. Esse tipo de equipamento aquece água utilizando o ciclo de refrigeração por compressão de vapor, tendo por objetivo a produção de calor e não a produção de frio, como no ciclo normal de funcionamento. Este aquecedor retira calor de uma fonte a baixa temperatura, através de um trocador de calor do tipo tubo aletado, e entrega 32 calor para um corpo a temperatura mais alta, através de um trocador do tipo tubo em tubo. FIGURA 7 - Etiqueta da bomba de calor. (Fonte: Foto do autor) Na figura 8 temos a imagem do aquecedor montado junto ao laboratório para realização do experimento. 35 FIGURA 11 - Climatizador de ar instalado para a realização do experimento. (Fonte: Foto do autor) 3.1.3 Depósito de fluido Para armazenar e liberar fluido refrigerante para o sistema, foi desenvolvido um depósito. Sua condição de funcionamento foi baseada nos valores de superaquecimento do ciclo de refrigeração. O volume deste depósito foi estimado como sendo 30% do volume total de fluido nominal do equipamento. A liberação e a armazenagem de fluido foi realizada através de duas válvulas solenoides, uma na entrada e outra na saída do depósito, que eram acionadas através do módulo de controle. Junto às válvulas solenoides foram colocadas válvulas de retenção para que não houvesse fluxo de fluido em sentido contrário. Na figura 12 é apresentado o projeto do depósito e na figura 13 o depósito construído. FIGURA 12 – Projeto do depósito de fluido com as válvulas solenoides. (Fonte: Imagem do autor) 36 FIGURA 13 - Depósito construído (Fonte: Foto do autor) O fluido refrigerante é admitido no depósito na fase líquida com alta pressão, antes do dispositivo de medição. Sua liberação ao circuito é feita após o dispositivo de medição na tubulação de entrada do evaporador na fase líquida numa região de baixa pressão. 3.2 Sistemas de medição Nas medições dos parâmetros necessários à análise do experimento, optou-se por utilizar o protótipo do módulo de controle para as medições das temperaturas e da vazão. Para a medição da potência elétrica foi utilizado um analisador de energia. A seguir, a descrição de cada um desses componentes. 3.2.1 Medição de temperatura Na medição das temperaturas, em número de oito pontos, foi utilizado o módulo de controle criado com uma sub-rotina que enviava para uma planilha eletrônica os dados relativos. O protótipo do modulo de controle foi montado dentro da plataforma de desenvolvimento Arduino® com sensores de temperatura conectados a ela. 37 3.2.1.1 Arduino® Uno Para prototipagem do módulo de controle foi utilizada a plataforma de desenvolvimento Arduino®, modelo Uno. Na figura 14 é mostrado a plataforma Arduino® utilizada, com suas ligações de entrada, saída e energização. Essa plataforma constitui-se de um microcontrolador, com portas de entrada e saída analógicas e digitais, funciona com tensão de 5V e pode funcionar sozinha, ou ligada a um computador. Através de suas portas analógicas e digitais podem ser recebidos, ou enviados sinais que irão produzir ações predeterminadas através da programação inserida no seu microcontrolador. FIGURA 14 - Arduino® Uno com as ligações utilizadas (Fonte: Foto do autor) No módulo de controle desenvolvido, os sinais recebidos dos sensores de temperatura, serão comparados com o valor pré-definido do superaquecimento e abrirão a válvula de entrada, ou de saída do depósito. Se o superaquecimento estiver alto, a válvula de saída irá abrir para entrar mais fluido no sistema; se o superaquecimento estiver baixo, a válvula de entrada do depósito será aberta para entrar fluido no depósito diminuindo a quantidade no sistema. Essa plataforma foi escolhida por ter um custo menor para a realização do protótipo. O Arduino® utiliza a linguagem de programação C modificada, com comandos 40 FIGURA 17 - Sensor de fluxo. (Fonte: foto do autor) O sensor de fluxo utilizado é da empresa Sea. Na TABELA 1 estão apresentadas as características técnicas do sensor utilizado: Modelo YF-S403 Tensão de funcionamento DC 4.5V ~ 18V Tensão de trabalho DC 4.5V Corrente máxima de trabalho 15mA (DC 5V) Vazão de água 1 ~ 60L/min Capacidade de carga ≤ 10 mA (DC 5V) Temperatura de operação ≤ 80 ℃; Pressão da água ≤ 1.75MPa Extensão do fio 16cm Diâmetro do sensor 36mm Diâmetro da entrada e da saída 26mm (3/4); Dimensões totais (CxLxA): 60x36x34mm Peso: 58g TABELA 1 - Características técnicas do sensor de fluxo. (Fonte: Disponível em https://www.usinainfo.com.br/sensor-de-fluxo-arduino/sensor-de-fluxo-de- agua-g-34-1-60-lmin-3523.html em 13/11/2017) 41 3.2.3 Medição da potência elétrica Para a medição da potência consumida pelo aquecedor foi utilizado um analisador da marca Yokogawa, modelo CW240, figura 18. Esse modelo foi utilizado por medir as grandezas necessárias à análise da potência consumida pelo aquecedor, por exemplo, tensão e corrente, simultaneamente às medições da temperatura e vazão, possibilitando o cálculo da eficiência do equipamento durante seu funcionamento. FIGURA 18 - Analisador de energia. (Fonte: foto do autor) Na tabela 2, são apresentadas as especificações técnicas do analisador utilizado. Item Tensão Corrente Forma de entrada Garra de pressão dentada Pinça amperimétrica Valor máximo de entrada 600 V Pinça modelo 96033 – 50 A Tipo de medição Monofásico 1F+1N Método de medição Método de amostragem digital 42 Faixa de frequência 45 a 65 Hz Precisão na medição da potência +/- 0,6% na leitura e +/- 0,4% na faixa TABELA 2 - Características de medição do analisador de energia. (Fonte: Adaptado do Manual do usuário CW240. Yokogawa, 2004) 3.3 Metodologia Os testes e as medições na bomba de calor serão descritos a seguir com o objetivo de validar o funcionamento do módulo de controle e sua eficiência da economia de energia. 3.3.1 Medições As medições foram realizadas com instrumentos disponíveis no mercado, por isso mesmo, passíveis de erro na execução das medidas. Como nossa análise foi obtida com medições indiretas; como o COP e o calor trocado, foi necessário calcular a incerteza de medição combinada. As medições se dividem em medições diretas e indiretas. As medições diretas executadas foram as de temperatura, com o sensor DS18B20, com uma incerteza de medição de ± 0,5 °C. Os resultados foram calculados, segundo Albertazzi e Souza (2012), do seguinte modo: 78 = 9 ± (;<#6 + (. ) EQUAÇÃO 8 - Resultado da medição Onde: • RM é o resultado da medição; • I é a média das n indicações disponíveis; • Emax é o erro máximo do sistema ou do processo; • t é o coeficiente de Student para n-1 graus de liberdade • u é a incerteza padrão calculada a partir das n indicações disponíveis. 45 FIGURA 19 - Cilindro graduado. (Fonte: Foto do autor) 3.3.2 Procedimento experimental O procedimento experimental realizado em três etapas visando uma melhor análise do módulo instalado. Foram feitos testes iniciais com o equipamento em sua configuração original; testes com o equipamento modificado; e testes com o módulo instalado. A seguir, são apresentadas essas etapas. 3.3.2.1 Aferição Para a verificação do funcionamento e da eficiência do equipamento, inicialmente foram feitas medições com o equipamento em sua versão original, sem modificações. 46 O funcionamento do equipamento foi simulado com uma carga de fluido de 900g (carga nominal). E, os valores de temperaturas, vazão e potência elétrica de funcionamento foram medidos. Os sensores de temperatura, em número de oito, e o sensor de vazão foram colocados nos seguintes pontos, apresentados na tabela 4: Sensor Localização Função Temperatura 1 Evaporador Medição da temperatura no evaporador para a avaliação do superaquecimento (Somado ao valor do sensor do ponto dois e calculada a média). Temperatura 2 Evaporador Medição da temperatura no evaporador para a avaliação do superaquecimento (Somado ao valor do sensor do ponto um e calculada a média). Temperatura 3 Tubulação de saída do evaporador Com esse valor e a média dos pontos um e dois, será calculado o superaquecimento como sendo a diferença entre eles. Temperatura 4 Condensador Medição da temperatura no condensador para a avaliação do subresfriamento (Somado ao valor do sensor do ponto cinco e calculada a média). Temperatura 5 Condensador Medição da temperatura no condensador para a avaliação do subresfriamento (Somado ao valor do sensor do ponto quatro e calculada a média). Temperatura 6 Saída do condensador Com esse valor e a média dos pontos quatro e cinco, será calculado o subresfriamento como sendo a diferença entre eles. Temperatura 7 Entrada de água no aquecedor Medição da temperatura de entrada de água para o cálculo da quantidade de calor produzida pelo aquecedor. Temperatura 8 Saída de água do aquecedor Medição da temperatura de saída de água para o cálculo da quantidade de calor produzida pelo aquecedor. Vazão Saída de água do aquecedor Medição da vazão de água do aquecedor, necessária para o cálculo da quantidade de calor produzida pelo evaporador. 47 Analisador de energia Circuito de alimentação do aquecedor As medidas de tensão e corrente foram feitas no circuito de alimentação do aquecedor. TABELA 4 - Posicionamento dos sensores Para realizar as ligações dos sensores ao Arduino® foi desenvolvida uma placa para a conexão dos sensores, como mostra a figura 20. As conexões utilizadas foram do tipo pino e tomada de 3 pinos, para facilitar a montagem e prevenir falhas na conexão. O conjunto possui uma trava que impossibilita conexão de maneira errada. FIGURA 20 - Placa de conexão dos sensores (Fonte: foto do autor) A seguir, apresentamos os resultados para as condições iniciais. Mediu-se os dados com o aquecedor na sua configuração original com dispositivo de medição do tipo válvula de expansão eletrônica e sem o módulo de controle instalado. O tempo para os testes foi definido em uma hora, com a aquisição dos dados a cada minuto, totalizando 60 aquisições. Os testes foram realizados em diversos dias e condições climáticas e os valores representados são as médias destas medidas. Nas figuras de números 21 a 25, verificamos que o equipamento possuía uma regularidade no seu funcionamento, conseguindo manter os valores da diferença de 50 FIGURA 25 – COP no equipamento original As variações ocorridas na diferença de temperatura podem ser explicadas pela variação da temperatura de retorno da água no trocador de calor, devido a variação da troca de calor, por aumento, ou redução na temperatura do ar de insuflamento. O superaquecimento se comportou de maneira estável durante os cerca de 30 minutos iniciais do teste. pós esse tempo, houve uma variação para um valor maior durante os 30 minutos finais. Esta variação pode ter sido causada pelo aumento da troca de calor do evaporador do aquecedor, o que gerou o superaquecimento maior. O calor trocado e a potência elétrica consumida ficaram dentro dos valores nominais do equipamento. O COP apresentou um valor alto, indicando que o equipamento possui uma boa eficiência energética. A tabela 5 mostra os valores médios apresentados pelo equipamento considerando o período de uma hora. Variável Valor médio Diferença de temperatura entre a entrada e a saída de água no aquecedor 5,14 ± 0,96 K Superaquecimento 4,59 ± 0,86 K Calor trocado 5,07 ± 0,60 kW 3,600 3,800 4,000 4,200 4,400 4,600 4,800 5,000 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 tempo [ min ] COP 51 Potência elétrica consumida 1,12 ± 0,11 kW COP 4,53 ± 0,54 kW/kW TABELA 5 - Resultado das medições no equipamento com configuração original 3.3.2.2 Modificação do equipamento A configuração original do equipamento apresenta, como dispositivo de medição, uma válvula de expansão eletrônica. Porém, nos equipamentos de refrigeração até 10 kW, normalmente são utilizados dispositivos de medição do tipo tubo capilar (STOECKER E JONES,1985). Deste modo, foi retirada a válvula de expansão eletrônica e colocado em seu lugar um tubo capilar. Tubos capilares são dispositivos fixos, sem partes móveis e com um mínimo de risco de desgaste e falha. Funcionam reduzindo a pressão do fluido, que ao passar por uma seção com diâmetro reduzido e grande comprimento, geram uma perda de carga que proporciona a diferença de pressão desejada. O tubo capilar utilizado foi definido de acordo com as opções oferecidas pelo software DanCap® da empresa Danfoss. Na figura 26 é apresentado o resultado da seleção, após o fornecimento dos dados de funcionamento de equipamento. O item grafado é a opção considerada ótima, mas devido ao pouco espaço disponível, foi selecionada a opção de um tubo capilar com o diâmetro de 2,00 mm e com o comprimento de 0,67 m, figura 27. FIGURA 26 - Seleção do tubo capilar (Fonte: Software Dancap) 52 Foram instaladas, também, válvulas de serviço para a conexão dos equipamentos de medição de pressão e para a conexão do depósito ao sistema. FIGURA 27 - Tubo capilar utilizado (Fonte: foto do autor) Depois de realizados os procedimentos das boas práticas de manutenção1, o equipamento foi carregado com a carga de fluido nominal, no caso 900g, e posto em funcionamento para verificação dos resultados com o novo dispositivo de medição. Foram realizados os mesmos testes do equipamento com a configuração original. Nas figuras de números 28 a 32, verifica-se que, apesar da modificação do dispositivo de medição, o equipamento mantém uma regularidade no seu funcionamento. Porém há um decréscimo nos valores na diferença de temperatura da água, do calor trocado e do COP; enquanto que no superaquecimento e na potência elétrica consumida há um aumento nos valores. Os resultados são apresentados nas figuras, a seguir. 1 Boas práticas de manutenção: Em refrigeração são as atividades de limpeza do circuito para a retirada de impurezas; pressurização para verificação de vazamentos; evacuação do circuito para retirada de gases não condensáveis e umidade; carga de fluido refrigerante e testes de funcionamento. 55 FIGURA 32 - COP no equipamento com tubo capilar Essas variações ocorridas se justificam pelo fato de que passamos de um dispositivo de medição, onde os ajustes são realizados de acordo com as condições de funcionamento, para um dispositivo de medição sem ajustes, baseado somente na diferença de pressão. A tabela 6 mostra os valores médios apresentados pelo equipamento considerando o período de uma hora. Variável Valor médio Diferença de temperatura entre a entrada e a saída de água no aquecedor 4,66 ± 0,98 K Superaquecimento 8,58 ± 2,13 K Calor trocado 4,54 ± 0,56 kW Potência elétrica consumida 1,12 ± 0,12 kW COP 4,05 ± 0,52 kW/kW TABELA 6 - Resultado das medições no equipamento com tubo capilar 3,600 3,800 4,000 4,200 4,400 4,600 4,800 5,000 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 tempo [ min ] COP 56 3.3.2.3 Instalação do módulo As medições do equipamento foram feitas com a nova configuração. Em seguida, foi realizada a montagem do módulo de controle desenvolvido. O módulo de controle constitui-se de um depósito, com uma entrada de fluido ligada à tubulação de saída do condensador, antes do dispositivo de medição. A saída do depósito é ligada após o dispositivo de medição. Na entrada e na saída do depósito foram instaladas válvulas solenoides para serem comandadas pelo microcontrolador, de acordo com o nível de superaquecimento do ciclo de refrigeração. Para o funcionamento do módulo foi definido que o controle do processo seria por malha fechada, sendo a variável de controle o superaquecimento do ciclo de refrigeração. Para isso foi elaborado o seguinte algoritmo de controle: Inicialmente esperar 3 minutos, após iniciar a rotina: • Ler sensores de temperatura das posições do evaporador e tubulação de sucção do compressor • Calcular o superaquecimento • Comparar com o valor definido • Se superaquecimento maior que o valor definido, abrir válvula de saída do depósito (colocar fluido no ciclo) • Se superaquecimento for menor que o valor definido, abrir válvula de entrada do depósito (retirar fluido do ciclo) • Esperar 1 minuto e repetir Nas figuras de números 33 a 37, verifica-se que, com o módulo instalado, o equipamento mantém uma regularidade no seu funcionamento. Com relação ao equipamento sem o módulo, há uma melhoria nos valores de temperatura da água, no COP e no calor trocado. A energia consumida apresentou valores mais baixos. Nota-se que no início do funcionamento, os valores mostraram-se mais baixos e depois de determinado tempo estabilizaram. Isto ocorreu porque na programação do módulo, seu funcionamento iniciava três minutos após o acionamento do ciclo de refrigeração do equipamento. O equipamento foi acionado e foram realizados os testes, com os seguintes resultados. 57 FIGURA 33 - Diferença de temperatura entre a entrada e a saída de água no aquecedor no equipamento com módulo FIGURA 34 – Superaquecimento no equipamento com o módulo 3,80 4,00 4,20 4,40 4,60 4,80 5,00 5,20 5,40 5,60 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 tempo [ min ] Diferença de temperatura da água [ K ] -3,00 -1,00 1,00 3,00 5,00 7,00 9,00 11,00 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 tempo [ min ] Superaquecimento [ °C ] 60 61 4 ANALISE E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS Para analisarmos o funcionamento do equipamento, com o módulo de controle instalado, utilizamos o COP do ciclo de refrigeração. Considerando o valor do COP como sendo a razão entre o calor trocado e a potência consumida, podemos avaliar de maneira precisa o rendimento de cada um dos casos estudados. A análise foi feita de comparação entre o equipamento com o tubo capilar instalado com o módulo desenvolvido e sem o módulo. Nos gráficos e tabelas abaixo podemos visualizar o comportamento do COP, do calor trocado e da potência consumida nos dois casos. FIGURA 38 - Comparação COP 3,600 3,800 4,000 4,200 4,400 4,600 4,800 5,000 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 tempo [ min ] COP [ kW/kW ] - Capilar COP [ kW/kW ] - Módulo Módulo Tubo capilar 62 FIGURA 39 - Comparação Potência Elétrica FIGURA 40 - Comparação Calor trocado Nas figuras 38 a 40 e na tabela 8 podemos verificar que com a instalação do módulo, o COP e o calor trocado apresentaram um aumento no valor. A potência elétrica consumida no equipamento com o módulo instalado teve um valor mais baixo 1,020 1,040 1,060 1,080 1,100 1,120 1,140 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 tempo [ min ] Potência Elétrica [ KW ] - Capilar Potência Elétrica [ KW ] - Módulo Módulo 3,000 3,500 4,000 4,500 5,000 5,500 6,000 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 tempo [ min ] Calor Trocado [ kW ] - Capilar Calor Trocado [ kW ] - Módulo Módulo Tubo capilar Tubo capilar 65 7 (   ) ( ( = PN  óN;  N EQUAÇÃO 12 - Retorno do investimento Sendo o valor do módulo de R$ 119,00 e a economia mensal de R$ 7,77, temos o retorno do investimento num prazo de: 7 (   ) ( ( = 119,007,77 = 15,32    EQUAÇÃO 13 - Retorno do investimento calculado A análise da vida útil de equipamentos de refrigeração no Brasil não foi encontrada em nenhum estudo. Deste modo, para estimarmos a vida útil de um equipamento usamos a tabela do anexo I da instrução normativa SRF nº 162, de 31 de dezembro de 1998, da Receita Federal, onde consta que para um equipamento de ar condicionado, esse tempo é de dez anos. Assim, a instalação do módulo em um equipamento, nos dará uma economia ao longo de 10 anos de funcionamento de: • Energia consumida – 1384 kWh • Custo de operação – R$ 932,00 Além destes valores de economia, devemos considerar que a instalação do módulo em equipamentos, fazendo-se sua atualização evitará a troca por um novo equipamento. Desta forma evitaremos o lançamento de fluidos refrigerantes na atmosfera, a poluição das águas pelo óleo dos compressores e o aumento no volume de lixo metálico e plástico, devido ao descarte inadequado dos resíduos sólidos. Deste modo a opção de colocação do módulo será a mais econômica e sustentável. 66 5 CONCLUSÃO O módulo para controle do superaquecimento em sistemas de refrigeração por compressão a vapor é uma alternativa viável a ser instalada em equipamentos com sistema de medição do tipo tubo capilar. A economia gerada pelo funcionamento do módulo, a revitalização dos equipamentos existentes e a redução na emissão de poluentes justifica a adoção desta opção. No desenvolvimento do módulo encontramos algumas dificuldades, tais como: a definição do depósito, das válvulas, do microcontrolador e da programação. Porém, no decorrer do trabalho elas foram resolvidas e nos auxiliaram a ter uma melhor compreensão para a elaboração de trabalhos futuros. Os testes demonstraram que com uma carga de fluido correta e com o controle de seu funcionamento através do valor de superaquecimento constante, no caso do nosso experimento no valor de 5 °C, o equipamento produziu maior capacidade frigorífica com menor consumo de energia. Mesmo com a alteração das condições climáticas, o equipamento continuou trabalhando com sua eficiência maximizada. A bomba de calor testada, com sua configuração original e com o módulo de controle instalado, apresentou resultados semelhantes, tanto em seu funcionamento, quanto em sua eficiência. Como os dois utilizam como princípio o controle do superaquecimento, o resultado esperado será o mesmo, o que se comprovou com os testes. A plataforma de desenvolvimento Arduino® possibilitou a prototipagem, a simulação do funcionamento do módulo e os testes finais. A partir desta plataforma poderá ser desenvolvido o sistema embarcado para ser acoplado ao depósito de fluido. Algumas das dificuldades encontradas para a elaboração deste trabalho foram, inicialmente, a pouca literatura a respeito do superaquecimento. Muitos artigos tratam do tema como sendo uma questão secundária e sem aprofundamento. Outra dificuldade encontrada foi na obtenção dos componentes do módulo. Tanto os componentes mecânicos, quanto os componentes eletroeletrônicos, além de terem seus custos elevados com relação a construção do módulo, não atendiam, satisfatoriamente aos requisitos exigidos para o seu funcionamento. As válvulas solenoides não se fechavam corretamente, foi necessária a colocação de válvulas de bloqueio para resolver o problema. Os sensores de temperatura, de custo elevado