Imagine você, trabalhando em indústrias farmacêutica, alimentícia ou câmara frigorífica e tendo que gerenciar grandes sistemas de refrigeração.
Sabe-se que, nessas indústrias, qualquer variação de temperatura ou umidade inesperados podem comprometer o produto armazenado ou em transformação, implicando em perdas significativas.
Por isso, no mundo da refrigeração, o controle preciso dos parâmetros de temperatura e umidade garantem um processo de qualidade e eficiente.
Neste contexto, visto a necessidade pelo controle de variáveis presentes no sistema em questão, destaca-se o Diagrama de Mollier como um poderoso aliado e, também, uma ferramenta avançada para a visualização e controle preciso de variáveis.
Portanto, se você quer saber como o diagrama de Mollier atua como uma ferramenta capaz de projetar e atuar em sistemas de refrigeração, acompanhe este texto para que esteja um pouco mais inserido no contexto da refrigeração industrial.
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Motivação para a leitura
Se você já tentou entender como o sistema de refrigeração é influenciado pelas trocas de calor e a compressão de vapor, mas não conseguiu, saiba que os seus problemas acabaram e o diagrama de Mollier vai lhe ajudar neste entendimento.
Por meio da visualização gráfica das transformações que ocorrem no fluido refrigerante ao longo do sistema, engenheiros e técnicos podem tomar decisões operacionais acerca do sistema.
Além disso, o diagrama em questão permite analisar a eficiência do ciclo de refrigeração e identificar pontos que possam aprimorar a eficiência energética do sistema e o desempenho de equipamentos.
Desta forma, se você deseja entender sobre sistemas de refrigeração, você obrigatoriamente deve estar consciente dos resultados que podem ser obtidos ao utilizar o Mollier.
Sistema de refrigeração: principais componentes
Para que este texto seja o mais didático possível, devemos abordar o básico: os principais componentes no sistema de refrigeração.
Além disso, o diagrama de Mollier retrata o que acontece em pontos específicos (entrada e saída de componentes) do sistema de refrigeração, e isso exige uma consciência básica acerca do mesmo.
Portanto, nada mais justo do que conhecer os principais componentes do sistema de refrigeração:
- Evaporador: Responsável por absorver calor do ambiente refrigerado. No evaporador, o refrigerante evapora ao passar da fase líquida para a fase de vapor, resfriando o ambiente ou o fluido ao redor.
- Compressor: Aumenta a pressão e a temperatura do vapor refrigerante vindo do evaporador. O compressor comprime o vapor, preparando-o para a liberação de calor no condensador.
- Condensador: Dissipa o calor do refrigerante para o ambiente externo. O refrigerante, agora em alta pressão e temperatura, condensa do estado vapor para o estado líquido ao liberar calor.
- Dispositivo de Expansão: Reduz a pressão e a temperatura do refrigerante líquido que sai do condensador, preparando-o para o ciclo de evaporação novamente no evaporador, reiniciando o processo.
Visto que os componentes principais de um ciclo de refrigeração padrão são o evaporador, compressor, condensador e válvula de expansão, tem-se a seguinte esquemática que o representa:
Imagem 1 – Esquemática para o ciclo padrão de refrigeração
O que é o diagrama de Mollier
Desenvolvido pelo engenheiro Richard Mollier no início do século XX, o diagrama de Mollier (conhecido como diagrama entálpico ou diagrama pressão-entalpia) é uma ferramenta essencial para os sistemas de refrigeração.
Este diagrama é tão importante porque é uma representação gráfica que ilustra as propriedades termodinâmicas de um fluido refrigerante.
Em outras palavras, com dados de entrada, você obtém uma relação entre a entalpia, pressão, temperatura e umidade relativa.
Vamos conhecê-lo melhor?
Diagrama de Mollier: primeiras impressões
Você se lembra das diversas relações possíveis no diagrama de Mollier? Pois bem, conheça-as abaixo, no esboço que apresenta as variáveis que podem ser encontradas neste diagrama.
Imagem 2 – Esboço do Diagrama de Mollier
Apesar de ser, claramente, algo esboçado à mão, saiba que esta é a “cara” do diagrama de Mollier, o qual vai ser apresentado logo adiante em sua forma real.
Neste diagrama, podemos observar:
- Região em azul: chamada de “sino” ou “domo” e diz respeito à curva de saturação, onde representa a transição entre as diferentes fases de um fluido;
- O eixo da abscissa (eixo x) se refere à entalpia, enquanto o eixo das ordenadas (eixo y) se refere à pressão, e por isso que este também é conhecido como diagrama pressão-entalpia.
- “v” diz respeito ao volume específico do fluido, o qual varia pela natureza do refrigerante, pela temperatura e pela pressão do mesmo (portanto, pelo seu estado físico também);
- O “X” representa o título e diz respeito à fração de vapor na mistura de líquido e vapor. Desta forma, se:
- X=0: mistura está completamente líquida saturada (sem vapor presente);
- X=1: mistura está completamente na forma de vapor saturado (sem líquido);
- X= 0,5: mistura tem 50% de vapor e 50% de líquido;
- Assim por diante para valores entre 0 e 1.
Relação didática com o ciclo teórico de refrigeração padrão
Uma vez que foi compreendida a relação entre a Imagem 1 (Esquemática para o ciclo padrão de refrigeração) e a Imagem 2 (Esboço do diagrama de Mollier), espera-se que, com valores arbitrários, o ciclo de refrigeração representado no Mollier tenha uma forma teórica como a apresentada abaixo.
Imagem 3 – Relação didática entre Mollier e ciclo de padrão de refrigeração
Onde:
- Entre 2-3 (compressor): fica evidente que a pressão neste trecho aumenta, visto a sua função de comprimir o fluido refrigerante;
- Entre 3-4 (condensador): embora a pressão seja constante (Pc = pressão do condensador) neste trecho, a entalpia (energia interna) reduz significativamente, refletindo a perda de energia em forma de calor;
- Entre 4-1 (dispositivo de expansão): observa-se uma diminuição da pressão na sua saída (ponto 1) e também uma queda na sua temperatura;
- Entre 1-2 (evaporador): nota-se que o fluido refrigerante na saída do evaporador (2) já tem uma entalpia maior do que na entrada deste componente (1), visto que já ocorreu a troca de calor entre o ambiente (foi resfriado) e o fluido refrigerante (aqueceu). É muito importante que o fluido que entre no compressor (2) tenha título igual a 1 (vapor saturado) ou maior (vapor superaquecido), pois o compressor há de comprimir um gás e não um fluido que seja parcialmente líquido.
Diagrama de Mollier: caso real para o fluido R134a
Neste exemplo, tem-se um exemplo real do diagrama de Mollier para o fluido refrigerante R134a.
Entende-se que cada fluido refrigerante possui uma região de saturação diferente, o que implica em um formato diferente para este “sino” (ou domo) e, portanto, em condições de operações distintas.
Imagem 4 – Mollier para o fluido R134a (Software CoolPack)
Por meio desta imagem, é capaz de concluir que:
- Em 1 (saída do dispositivo de expansão e entrada do evaporador): T= -15 °C, P = ± 1,7 bar;
- Em 2 (saída do evaporador e entrada do compressor): T = -5 °C, P = ± 1,7 bar;
- Temperatura de superaquecimento no evaporador = 10 °C;
- Em 3 (saída do compressor e entrada do condensador): T = ± 60 °C, P = ± 11 bar;
- Em 4 (saída do condensador e entrada do dispositivo de expansão): T = ± 40 °C, P = ± 12 bar;
- Temperatura de subresfriamento = 5 °C
Além disso, nota-se que para cada caso, é possível extrair a entalpia, entropia, volume específico, entre outras propriedades termodinâmicas importantíssimas para o cálculo de fatores, como a eficiência, COP, entre outros.
Portanto, conclui-se que o diagrama de Mollier é uma ferramenta que auxilia no dimensionamento de compressores, evaporadores e condensadores, bem como auxilia na visualização de condições operacionais destes componentes.
Desta forma, o uso correto do diagrama de Mollier ajuda a evitar falhas operacionais e a garantir que os sistemas funcionem dentro dos parâmetros ideais, evitando desperdícios de energia e reduzindo custos operacionais.
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