Perdas de carga na seleção de tubulações

Um dos principais desafios de todo projetista de refrigeração é, sem duvida, a seleção da tubulação para um correto desempenho do sistema, e para realizar esta escolha um dos parâmetros que deve ser considerado é a perda de carga gerada no decorrer de todo o circuito frigorífico. A perda de carga (ou perda pressão) é o diferencial de pressão medido em dois diferentes pontos do sistema, existem pontos onde uma perda de pressão é desejada como é o caso de válvula de expansão, porém, as perdas de carga em outros componentes do sistema não são desejadas já que são refletidas em perdas de capacidade que ocasionam um consumo energético maior para o usuário final.

As perdas de pressão são totalmente inevitáveis, todo fluido se deslocando dentro de um volumem delimitado terá uma perda carga devido ao fato que durante todo o percurso existirá resistência do meio representada pela fricção, sendo que quanto maior seja o comprimento da tubulação maior será a perda. A regra é simples, a maior velocidade maior perda e a menor diâmetro maior velocidade.  Se aplicarmos estritamente este ditado a maior tubulação será sempre a melhor, já que assim teremos menores velocidades e menores perdas refletindo numa eficiência maior, mas quando começamos a pensar num ponto de vista pratico quanto maior a tubulação maiores quantidades de fluido refrigerante serão necessárias e com isto chegaremos a novos problemas, já que um sistema com carga excessiva é sempre uma complicação para o controle do líquido, além disto, olhando do ponto de vista do usuário final, a utilização de diâmetros maiores será sempre um investimento maior e isto pode inviabilizar a instalação.

Deve ser lembrado que dentro da tubulação não é somente refrigerante o que está circulando, existe também uma porção de óleo presente nesta mistura que deverá voltar com segurança ao compressor. Para conseguir isto devemos garantir velocidades suficientemente altas para lograr um arrastre correto do óleo e manter sempre as tubulações livres de lubrificante, sendo que, com estas altas velocidades serão geradas maiores perdas de pressão.

Devido à complexidade do problema não existe uma equação ou método exato que de como resultado a tubulação a utilizar em cada um dos trechos do circuito, é por isto que o projetista deve conhecer os princípios de seleção e aplica-os visando sempre pelo correto funcionamento do sistema.

Linha de sucção

A linha de sucção é o segmento do ciclo onde é mais critica uma correta seleção da tubulação, já que toda perda nesta linha gerará uma maior relação de compressão afetando diretamente a eficiência do sistema. A seleção desta linha deve ser baseada na perda de pressão equivalente a 1,1 °C tomando como referência a temperatura de evaporação do sistema (vide tabela 1). A tubulação deve seguir o percurso mais direto possível evitando a instalação de curvas desnecessárias que gerarão perdas de pressão adicional. Devem ser evitados também todos aqueles componentes que não sejam totalmente necessários para o funcionamento da aplicação como é o caso de válvulas reguladoras de pressão ou filtros não especificados.

 

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Tabela 1: Perda de pressão equivalente a 1,1 K em diferentes temperaturas de evaporação

 

A linha de sucção é também o ponto do sistema onde o projetista deve ser mais cuidadoso com a relação perda carga e velocidade já que o refrigerante gasoso em baixas temperaturas possui uma baixa densidade o que dificulta o arrastre de óleo. Velocidades típicas para o dimensionamento da linha de sucção vão dos 5 até 10 m/s, sendo que em trechos ascendentes a velocidade nunca deverá ser menor que 7,5 m/s.

Em sistemas onde a linha de sucção seja muito comprida existirão situações onde será necessário tomar uma decisão entre manter uma perda de pressão baixa com baixa velocidade ou incrementar a velocidade aumentando o diferencial de pressão. Nestas situações sempre deve ser selecionada uma velocidade adequada mesmo que eficiência do sistema seja punida, é sempre melhor um sistema menos eficiente com retorno de óleo, que um sistema com pouca perda de carga e falhas na lubrificação e transferência de calor.

Linha de descarga

Na refrigeração comercial muitas vezes não é necessário que o projetista realize um cálculo de perda de carga na linha de descarga já que esta é dimensionada pelo fabricante dentro do conjunto da unidade condensadora. Além disto, nestes sistemas acoplados o comprimento da linha não é considerável, portanto a perda de pressão e o arrastre de óleo não serão um problema.

Porém, existem sistemas com condensador remoto onde é necessário realizar uma analise de perda de carga. Como regra geral a tubulação destes sistemas deve ser dimensionada para uma perda de pressão não maior que 5 psi. Velocidades típicas para seleção da linha de descarga vão dos 10 até 13 m/s, precisa-se ter muito cuidado em nunca selecionar linhas de descarga com valores superiores aos 15 m/s já que nesta velocidade a linha pode começar a apresentar vibração excessiva além de altos níveis de ruído.

Linha de líquido

A diferença das outras duas linhas, a linha de líquido é um segmento do sistema de refrigeração que não transporta (ou não deveria) refrigerante em estado gasoso. Devido a este motivo para o correto funcionamento do sistema a velocidade do fluido não é uma consideração primordial já que o óleo se mistura completamente no refrigerante líquido.

A função da linha de líquido é abastecer à válvula de expansão com um fluxo constante de refrigerante sub-resfriado, para realizar esta tarefa é necessário que durante a passagem do fluido na tubulação não exista uma saturação produto de perdas de carga na linha. A saturação do refrigerante nesta linha ocasionará um desempenho ineficiente do sistema por diversos motivos consequência de uma perda de capacidade na válvula de expansão, entre outros.

Comumente os trechos horizontais da tubulação não são um problema na perda de carga do sistema, pelo contrario os trechos ascendentes precisam de especial atenção. Altas perdas de carga em trechos ascendentes são inevitáveis, a tabela 2 mostra a perda de carga por metro de tubulação ascendente, para evitar um desempenho pobre do sistema deve ser garantido que o subresfriamento na linha de líquido seja suficiente para que mesmo com perda de carga o fluido não sofra saturação.

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 Tabela 2: Perda de carga por metro de tubulação ascendente para distintos refrigerantes

O subresfriamento do sistema é variável dependendo de cada aplicação, condensadores resfriados a ar oferecem comumente um subresfriamento de 3 até 6 °C, se devido à perda de carga o sistema precisa de um subresfriamento maior, este deverá ser acoplando outro método de subresfriamento auxiliar. A tabela 3 mostra a mudança de pressão de saturação por cada grau de subresfriamento.

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Tabela 3: Mudança de pressão de saturação por cada grau de subresfriamento para distintos refrigerantes baseadas numa temperatura de líquido de 40°C

Por exemplo, uma tubulação ascendente de 7 metros utilizando R404A terá uma perda de carga de 9,24 psi (vide tabela 2), se o condensador gera um subresfriamento de 3 °K o sistema suporta 21 psi de perda (vide tabela 3) e neste caso não seria necessário nenhum método de subresfriamento adicional por esta causa.

Outros fatores como filtros sujos, excesso de válvulas de passo ou válvulas solenoides devem de ser evitados também para não gerar uma carga excessiva no sistema evitando assim a saturação do refrigerante também conhecida como “flash gas”.

Em termos de velocidade de fluido, só deve ser verificado que a velocidade do líquido seja menor que 1,5 m/s para evitar o fenómeno de golpe de aríete depois do acionamento de válvulas solenoides.

Recomendações gerais

Para um correto funcionamento do sistema devem ser considerados os seguintes fatores na seleção da tubulação:

  • Utilizar sempre tubulação de cobre tipo L ou K
  • Nunca selecionar as tubulações tomando como base a conexão da unidade condensadora ou evaporador
  • Se utilizar tabelas de seleção, verificar que as condições de calculo das mesmas estejam de acordo com o sistema que esta sendo projetado
  • Procurar que o percurso da tubulação seja sempre o mais direto possível
  • Evitar a utilização de acessórios não necessários

 

alonso_asnt

 

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