Sistemas de Refrigeração
O ciclo de refrigeração por compressão mecânica do vapor possui quatro componentes básicos, conforme a Figura 1. Esses quatro componentes são o compressor, o condensador, o dispositivo de expansão e o evaporador. Por estes componentes, circula o fluido refrigerante. O condensador e o evaporador são os trocadores de calor responsáveis pela liberação do calor para o meio externo e pela absorção do calor do meio refrigerador, respectivamente. O compressor é o dispositivo responsável por elevar a pressão do fluido refrigerante proveniente do evaporador para a pressão de operação do condensador, através da adição de trabalho. O dispositivo de expansão é responsável por baixar a pressão do fluido refrigerante proveniente do condensador para a pressão de operação do evaporador.
Figura 1: Ciclo de refrigeração por compressão mecânica do vapor.
O vídeo abaixo apresenta o funcionamento básico do ciclo de refrigeração.
Entre as principais aplicações do ciclo de refrigeração por compressão mecânica do vapor, podem ser citados refrigeradores domésticos, aparelhos condicionadores de ar, expositores refrigerados e câmaras frigoríficas. Embora todas essas aplicações possuam problemas a serem estudados, o foco dessa linha de pesquisa, que é realizada em parceria com o laboratório POLO (http://www.polo.ufsc.br/portal/br/), pertencente ao Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarina, é em refrigeradores domésticos.
Refrigeradores domésticos possuem componentes auxiliares aos componentes do ciclo de refrigeração por compressão mecânica do vapor. Os principais componentes auxiliares são os resistores utilizados para o degelo do evaporador, os ventiladores associados aos trocadores de calor para aumentar a eficiência das trocas de calor, o damper utilizado para circulação de ar entre os diferentes compartimentos de um sistema e o icemaker para a fabricação de gelo.
O vídeo abaixo apresenta uma visão geral sobre o funcionamento de um sistema de refrigeração.
Atualmente existem sistemas de refrigeração domésticos mais sofisticados que possuem dois evaporadores, conforme a Figura 2. Estes evaporadores são posicionados cada um em um compartimento (refrigerador e congelador) operando em temperaturas diferentes. Estes sistemas possuem uma válvula de distribuição para comutar a operação entre um evaporador e o outro.
Figura 2: Ciclo de refrigeração com dois evaporadores.
A aplicação de estratégias de controle aos sistemas de refrigeração domésticos tem dois objetivos principais: manutenção das temperaturas desejadas e o aumento da eficiência energética. A manutenção das temperaturas está relacionada com a melhor conservação dos alimentos armazenados no sistema. O aumento da eficiência energética tem por finalidade reduzir a necessidade de produção de energia elétrica, visto que esses aparelhos são responsáveis por aproximadamente 22% do consumo de energia elétrica residencial e 6% do consumo total de energia elétrica do Brasil de acordo com o Relatório Brasil publicado pela Eletrobras em 2007.
Dentro deste panorama, os dispositivos de ação variável dos sistemas de refrigeração devem ser utilizados para atingir os objetivos propostos. Os dispositivos de ação variável são:
- Compressor de capacidade variável;
- Válvula de expansão variável;
- Válvula de distribuição;
- Ventilador de velocidade variável;
- Dispositivo de degelo (tipicamente resistores);
Alguns trabalhos tem sido realizados nos últimos anos para estudar estratégias de controle aplicadas ao compressor e à válvula de expansão com o objetivo de manter o sistema operando com a capacidade de refrigeração adequada à carga térmica imposta e manter o evaporador operando em um ponto ótimo de eficiência. Como exemplo podem ser citados os trabalhos abaixo.
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0140700710000915
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359431108002482
http://vbn.aau.dk/files/562156/ecos2003.pdf
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359431111003991
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0140700709000899
Um problema que tem começado a apresentar uma maior importância é o degelo do evaporador. Esse problema advém do fato do evaporador operar com uma temperatura bastante baixa, próxima de -20°C e, por isso, ocorre a formação de gelo em volta deste trocador de calor. Como o gelo atua como um isolante térmico, é necessário que seja retirado periodicamente para não reduzir a eficiência do evaporador. Atualmente o método mais utilizado é o aquecimento do evaporador através de um resistor elétrico. Este método é eficaz, porém apresenta baixa eficiência, resultando em um elevado consumo de energia e em grande impacto nas temperaturas internas do sistema.
Alguns trabalhos sobre sistemas de degelo são apresentados abaixo. Estes trabalhos não tratam especificamente de controle, mas apresentam uma boa possibilidade para aplicação de controle.
https://www.irc.wisc.edu/?/file&id=263
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261908003012
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359431112005674
O vídeo abaixo apresenta o funcionamento do método de degelo por "hot gas" utilizado em máquinas de fabricação de gelo, mas que pode ser adaptado para sistemas de refrigeração domésticos:
Outras oportunidades menos exploradas de aplicação de controle aplicado à refrigeração estão nos ventiladores associados aos trocadores de calor e no acionamento do icemaker. Os ventiladores podem ter sua velocidade modulada para buscar o ponto ótimo de consumo de energia global do sistema. O acionamento do icemaker deve ser estudado para reduzir o seu impacto nas temperaturas dos compartimentos e no consumo de energia do sistema.
Para finalizar, abaixo são mostradas algumas fotos dos trabalhos desenvolvidos experimentalmente nesta linha de pesquisa.
Figura 3: Refrigerador. Figura 4: Evaporador. Figura 5: Bancada. Figura 6: Supervisório em LabView.