Condensador e torre de resfriamento

O condensador (que pode vir sobre a forma de uma torres de resfriamento) é um dos componentes essenciais do ciclo de refrigeração e vamos estudá-lo aqui nos seguintes tópicos.

  • resfriado a ar
  • resfriado a água
  • evaporativo
  • transferência inadequada de calor pelo condensador

Qual a função do condensador

O condensador é o componente do ciclo de refrigeração responsável por transferir o calor do sistema para o ar ou água ou para uma combinação dos 2, conhecido como condensador evaporativo. O calor é absorvido pelo evaporador e deslocado para o condensador pelo compressor.

São identificados de acordo com o fluido para o qual transferem calor.

Condensador resfriado a ar

Transferem o calor absorvido diretamente para o ar externo. Numa condição normal de projeto e funcionamento (carga máxima do sistema), o refrigerante está aproximadamente 14 a 16 o.C mais quente do que o ar externo.

Condensador a ar, no caso uma unidade condensadora
Condensador a ar em uma unidade condensadora

Comparado com um condensador a água, o sistema arrefecido a ar requer uma diferença maior de temperatura entre o refrigerante e o ar externo. Embora essa característica os torne menos eficientes em termos energéticos, seu projeto simples permite baixos custos de instalação e manutenção. Por essa razão é que a grande maioria dos equipamentos residenciais de 5 TRs (60.000 Btus) e comerciais de 50 TRs (600.000 BTus) utilizam condensadores a ar.

Com os fabricantes procurando cada vez mais fabricar aparelhos compactos, o condensador a ar, com as aletas muito próximas, retém muita poeira, sujeira, pelos, etc.. Se não forem limpos regularmente passam a trabalhar com pressões e temperaturas de descarga muito elevadas, causa principal dos defeitos dos compressores nesses aparelhos.

Para equipamentos comerciais, torna-se necessário aumentar a circulação de ar através do condensador, devido a maior frequência de abertura de portas: isso é conseguido através de um motor forçando ar contra o aletado.

Condensador resfriado a água

Os sistemas resfriados a água fazem isso em 3 estágios pata transferir o calor:

  • primeiro o calor é transferido do refrigerante, no condensador, para a água que circula no mesmo;
  • depois a água é transferida de dentro do condensador para fora, através de uma tubulação e uma bomba, que a leva para a torre de resfriamento;
  • por fim, a torre de resfriamento rejeita o calor da água para o ar externo.

Embora esse sistema de condensação seja mais complicado e mais caro, além de exigir uma manutenção maior do que os sistemas resfriados por ar, ele também é mais eficiente em termos energéticos.

A temperatura do refrigerante no condensador fica aproximadamente 8oC. menor do nos sistemas resfriados por ar, fazendo com que o compressor trabalhe com uma pressão menor e portanto, com um consumo de energia menor.

Condensador resfriado a água

Em condições normais de projeto a temperatura do refrigerante no condensador é de aproximadamente 40,5 o. C A temperatura de entrada de água no condensador é de aproximadamente 11 o. C a menos (29,5o. C e sobre aproximadamente 5,5o. C a medida que absorve calor do refrigerante. Ela sai do condensador para a torre de resfriamento a uma temperatura aproximada de 35o. C. Na torre é espalhada sobre muitas placas paralelas (popularmente conhecidas como colmeias ou enchimento), onde é exposta a maior quantidade de ar externo possível. Um ventilador força o ar sobre essas placas para facilitar a evaporação. Tal como num climatizador evaporativo, quanto menor a umidade do ar, maior será a capacidade dele para absorver essa água que evaporou. É normal uma queda de 5,5o. C na água, que volta ao condensador com 29,5o. C. A água evaporada é reposta por uma conexão de entrada, ligada a uma válvula boia que mantém o nível constante na torre de resfriamento.

Existem três tipos básicos de condensadores resfriados a água:

  • tubo em tubo, também chamado às vezes de condensador de tubo duplo ou coaxial: um tubo é colocado dentro de outro tubo maior e os lados desse tubo maior são fechados. A água circula num dos tubos, enquanto o refrigerante circula noutro. Esses condensadores têm um lay-out flexível. São utilizados em equipamentos com capacidade de 5 a 20 TRs.
  • carcaça e serpentina, contam com uma carcaça externa contendo uma serpentina contínua feita de tubos de água aletados. A água circula nos tubos da serpentina enquanto o refrigerante passa na parte externa da mesma. A superfície externa dos tubos da serpentina e suas aletas estão em contato com o refrigerante. São utilizados em equipamentos com capacidade de 20 a 60 TRs. Costumam ser encontrados combinados com um compressor, fiação e tubulação e devem ser limpos com produtos químicos pois não podem ser desmontados
  • carcaça e tubos, é a versão de maior capacidade dos condensadores resfriados por água, com capacidade variando de 10 a 100.000 TRs. Operam com o mesmo princípio dos condensadores carcaça e serpentina, com água circulando dentro de tubos e o refrigerante fluindo fora dos tubos. Podemos dizer que em ambos os tipos a água está dentro do tubo condensador enquanto o refrigerante está no lado da carcaça. A água passa várias vezes através do condensador, tantas vezes quanto o projeto dele permitir. As extremidades desse condensador são cabeçotes de água, chamados coletores, que direcionam a água para recircular. Essas tampas podem (e devem…) ser desaparafusadas e retiradas para permitir a remoção de detritos e lodo que que se acumulam ao longo do tubo, que reduzem a eficiência e capacidade do sistema. A esse processo os técnicos de refrigeração denominam de “varetar os tubos”. Costumam ser mais encontrados combinados com um compressor, tubulação e fiação embora possam ser adquiridos separadamente.

Condensador tipo carcaça e tubo mostrando o cabeçote
Condensador tipo carcaça e tubo mostrando o cabeçote

Condensador carcaça e tubo sem um pedaço do cabeçote mostrando os tubos internos
Condensador carcaça e tubo sem um pedaço do cabeçote mostrando os tubos internos

Condensador evaporativo

Igual aos condensadores resfriados por água, os evaporativos transferem primeiro o calor para a água e, a seguir, da água para o ar externo.

No entanto ele combina a função da torre de resfriamento e do condensador num só componente. A água do condensador evapora diretamente sobre os tubos do condensador. Cada libra de água evaporada remove aproximadamente 1.000 BTUs do refrigerante que flui nos tubos.

O ar de descarga do condensador, que contém o vapor de água, é rejeitado para fora e ar novo é aspirado para substituí-lo. Podem ser instalados externamente para permitir o acesso direto do ar externo e internamente, desde que o ar externo e o ar de descarga sejam dutados ele.

Ilustração de um condensador evaporativo de grande porte
Ilustração de um condensador evaporativo de grande porte

Os condensadores evaporativos são os menos populares dos 3 tipos. Suas capacidades vão de aproximadamente 10 a 1.000 TRs.

Embora não seja classificado ou considerado assim, muitos condensadores de aparelhos de janela nada mais são do que condensadores evaporativos: a água condensada do evaporador é drenada até um local determinado da bandeja do aparelho onde a hélice capta e espalha as gotas de água na superfície do evaporador. Isso melhora a eficiência do aparelho.

Transferência inadequada de calor pelo condensador

Condensadores, compressores e evaporadores estão interligados, dependendo um do outro para uma correta operação. Se um funciona incorretamente, todo o sistema sente o reflexo.

Quando o condensador transfere uma quantidade de ar menor do que a necessária normalmente existem 5 causas:

  • seleção incorreta do condensador que está mal dimensionado;
  • redução do fluxo de ar, para os modelos resfriados a ar;
  • redução do fluxo de água, para os modelos resfriados a ar;
  • redução do fluxo de água e/ou ar para os modelos evaporativos;
  • Serpentina suja para qualquer modelo de condensador.

Quando o condensador transfere uma quantidade de calor menor do que a necessária, eleva-se a pressão de descarga que é a causa principal de falha em compressores. As altas temperaturas que a acompanham fazem com que os contaminantes, presentes no sistema de refrigeração, causem mais danos do que fariam numa pressão menor. As reações químicas dobram para cada aumento de 10o. C na temperatura de descarga. Além disso uma pressão alta aumenta também as cargas e esforços nos mancais do compressor, resultando em baixa eficiência e desgaste.

Controle de capacidade do condensador

Assim como os compressores, raramente os condensadores instalados em sistemas de baixa capacidade contam com sistemas de controle de capacidade.

No entanto, quanto maior o for o sistema, maior será a necessidade de haver uma refrigeração mecânica em temperaturas externas baixas. Em sistemas centrais sempre haverá uma carga de resfriamento (ganho de calor) quando estiverem ocupados e iluminados. A operação do sistema, com temperaturas externas frias necessita de certas condições como o controle de pressão da descarga.

  • com a queda da temperatura externa ocorre também uma queda da pressão num sistema resfriado por ar. Da mesma forma a temperatura da água do condensador é diminuída, diminuindo por consequência a pressão do refrigerante, em sistemas resfriados a água.
  • Embora essa redução de pressão seja benéfica para a eficiência energética do sistema, há um limite que a pressão de descarga pode cair antes do dispositivo de expansão parar de funcionar corretamente, podendo ocasionar o temível “golpe de líquido”, que danifica o compressor

Na maioria das vezes os condensadores resfriados por ar controlam sua pressão de descarga ciclando os ventiladores, conforme necessário. Os modelos com um único motor utilizam, às vezes, um de velocidade variável. Quanto menor for a temperatura externa, menor será o número de motores funcionando ou menor a velocidade de funcionamento

Outra forma utilizada, principalmente em aplicações comerciais e industriais, é por meio de válvulas montadas no sistema de tubulação: elas fazem com que parte do refrigerante fique retido no condensador e inunde parte do mesmo. O controle do refluxo, como é chamado, tem o mesmo efeito de reduzir o tamanho do condensador, dado que somente a parte não inundada pode condensar refrigerante.

Controle de capacidade do condensador

Os sistemas resfriados a água utilizam na maioria das vezes uma válvula de água que a desvia da torre de resfriamento e mistura a água com a do condensador. Isso permite manter a água do condensador na temperatura mais alta desejada, o que por sua vez eleva a pressão ao nível desejado. Essa válvula, de bypass, costuma ser controlada pela temperatura de entrada de água no condensador. Também podem ser utilizados ventiladores ciclando na torre de resfriamento ou então torres com estágios de redução de vazão de ar.

Para controlar um condensador evaporativo podem ser utilizadas várias maneiras: fechar os pulverizadores de água, o que o transforma em um condensador resfriado a ar, ciclar o motor ventilador ou modular sua velocidade. Pode-se também utilizar dampers na descarga da unidade e modulá-los para produzir a vazão de ar desejada.

Problemas não solucionados no condensador quase sempre resultarão numa falha no compressor.

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