O evaporador é um trocador de calor que absorve o calor para o sistema de refrigeração. Ele recebe líquido refrigerante frio, de baixa pressão vindo do dispositivo de expansão e através da absorção do calor de alguma substância, vaporiza-o em seu interior. Essa substância pode ser o ar, água, outro fluído ou mesmo um sólido.
Existem muitos tipos de evaporadores. Classificá-lo-emos conforme o método utilizado para controlar o refrigerante.
Evaporadores de expansão seca, ou direta ou D-X
Os evaporadores D-X são utilizados na maioria dos sistemas de refrigeração com menos de 100 TRs. São utilizados também em certos equipamentos de refrigeração industriais.
Em um evaporador D-X o fluxo de refrigerante é controlado de maneira tal que o refrigerante é essencialmente líquido ao entrar no evaporador, porém sai dele na forma gasosa.
O tradicional evaporador D-X é um “tubo” contínuo no qual flui o refrigerante vindo de dispositivo de expansão em direção a linha de sucção do compressor. A diferença de pressão existente entre a entrada e a saída ativa a circulação do refrigerante. Não ocorre recirculação e o refrigerante tem que percorrer todo o sistema (ou passar por todas as etapas do ciclo de refrigeração) antes de entrar novamente no evaporador.
Não existe um ponto claramente definido de separação entre os estados líquido e gasoso do refrigerante num evaporador D-X. Ele entra líquido, mas com um pequena quantidade de gás (“flash gas”), e gradativamente a medida que vai percorrendo o evaporador vaporiza-se até estar totalmente gasoso na saída do evaporador.
Evaporadores inundados
São utilizados em sistemas voltados para conforto, acima de 100 TRs.
Em um evaporador inundado, o refrigerante basicamente líquido (inundado) desde o início do evaporador até a sua saída.
Ocorre a recirculação do refrigerante dentro do evaporador devido a adição de uma câmara de separação. O refrigerante líquido entra nessa câmara através do dispositivo de expansão e devido à gravidade se concentra na parte de baixo.
A totalidade do evaporador está em contato com o refrigerante gerando uma excelente transferência de calor. A contrapartida é que os evaporadores inundados são maiores e requerem uma carga muito maior de refrigerante. O vapor gerado é separado do líquido na câmara de separação e este último é recirculado novamente no evaporador, enquanto o vapor é “puxado” pela sucção do compressor.
O evaporador inundado regula o fluxo de refrigerante através de uma válvula boia ou dispositivo semelhante.
Também podemos classificar os evaporadores conforme a forma com que são construídos. Existem 3 categorias básicas: tubo liso, tubos e aletas e superfície de placa.
Evaporador tubo liso
Nada mais são do que simples tubos de cobre com uma forma que melhor atenda a necessidade. São comumente chamados de serpentinas de superfície primária, porque sua superfície primária, o tubo, é a única utilizada para transferir o calor.
Eles funcionam bem tanto em evaporadores D-X ou inundados. São utilizados na maioria das vezes para trabalhos onde a temperatura é mantida abaixo de 1o. C. Frequentemente são submersos em tanques de resfriamento ou congelamento de líquidos.
Foram desenvolvidos vários métodos para melhorar a eficiência de evaporadores de tubo liso, aumentando a área do mesmo que entra em contato com o refrigerante. Inserir aletas internas ou externas ao tubo de cobre é um desses métodos. Outra forma é fazer um aletamento em espiral semelhante a uma rosca de parafuso, na parte externa do tubo. São conhecidos como tubos aletados. A maioria dos evaporadores com tubo liso em uso hoje em dia tem projeto com tubos aletados.
Evaporador tipo tubo e aletas
Esse é um tipo de evaporador tipo tubo que tem placas finas de metal fixadas entre os seus tubos. As aletas melhoram a eficiência da transferência de calor, devido a aumentarem a área global de troca de calor.
Devido a essa maior área, esses evaporadores podem ser mais compactos que os de tubo liso sem prejudicar a capacidade de absorção de calor.
O material utilizado nas aletas deve ser um bom condutor de calor tal como o alumínio ou o cobre e deve estar fixado firmemente nos tubos do evaporador. Podem haver entre 1 a 14 aletas por polegada. Quanto menor for a temperatura do evaporador, mais espaçadas estarão as aletas. Isso é necessário porque o gelo bloqueia com facilidade a circulação do ar no evaporador quando elas estão muito próximas umas das outras. Além disso os evaporadores de ar natural (convecção) utilizam um espaço maior entre as aletas do que um de ar forçado.
O evaporador de um ar-condicionado conta com 8 a 14 aletas por polegada enquanto o de um refrigerador tem de 1 a 3 por polegada.
Evaporador de ar forçado
Esse é um evaporador tipo tubos e aletas no qual são colocados ventiladores que sopram ar contra as aletas (ou puxando por entre elas). Ao forçar o ar, a capacidade de refrigeração é aumentada em um evaporador com a mesma superfície e volume.
Evaporador de superfície de placas
Costuma ter formas diversas e também são conhecidos como evaporadores de superfície plana. Uma versão muito popular presente na maior parte dos refrigeradores domésticos, consiste em duas folhas de metal, planas, uma com forma de tubos prensados nela enquanto a segunda é plana. Ambas são soldadas juntas para formar um circuito no qual circula o refrigerante.
A placa adiciona uma área de transferência de calor ao evaporador mas não de forma tão eficiente quanto as aletas.
Sua vantagem é que a fabricação é econômica, fácil de limpar e degelar. Por isso é muito utilizado em refrigeradores, através do contato direto com o produto. A superfície da placa é muitas vezes utilizada com uma estante de alimentos.
Sistemas de água gelada
Em muitas instalações grandes de resfriamento é desejável utilizar evaporadores (serpentinas de resfriamento) com uma certa distância entre elas. Levar refrigerante a cada uma delas através de linhas conectadas a uma máquina central é caro e envolve um difícil e cuidadoso projeto de tubulação para evitar retorno do óleo lubrificante e problemas com o fluxo de refrigerante.
A solução para esse problema são os sistemas de água gelada. Os componentes do ciclo de refrigeração ficam agrupados numa área pequena, mantendo baixo o custo do projeto e instalação e evitando os problemas acarretados por uma extensa tubulação.
O evaporador, chamado de cooler, é utilizado para refrigerar a água que é enviada a cada um dos circuitos de água gelada. A temperatura de entrada dela nas serpentinas de água gelada costumeiramente é próxima a 6,5o C e a de retorno é de 12o C
Uma capacidade incorreta do evaporador gerará um aumento indesejável da temperatura do ambiente ou do produto.
A primeira causa é o resultado de um erro de engenharia (projeto). Mas, se o sistema já proporcionou uma capacidade correta em condições de carga máxima, não é essa a causa.
Filtros sujos podem reduzir a circulação do ar dentro dos evaporadores resfriadores a ar; isso reduz a capacidade de resfriamento. O acúmulo de gelo na serpentina também pode bloquear a circulação do ar. Detritos dentro da rede de dutos, ou obstáculos que reduzem a descarga do ar e as entradas de ar surtem o mesmo efeito. A sujeira presente num ar incorretamente filtrado se incrusta nos evaporadores, o que reduz a transferência de calor nas aletas e nos tubos. Isso também reduz a eficiência e a capacidade. Problemas nas bombas e válvulas podem bloquear ou diminuir a circulação da água ou do brine no cooler, reduzindo, portanto, a capacidade do mesmo. Uma manutenção insuficiente ou errada no lado da água gera um acúmulo de depósitos. Esse acúmulo pode reduzir a eficiência e capacidade de evaporadores D-X e/ou inundados. Uma eficiência e capacidade menores de um evaporador se traduzem por custos operacionais mais altos.
Esses problemas geram uma temperatura alta demais no espaço ou produto que está sendo resfriado. Salvo um erro de subdimensionamento, essa temperatura alta é acompanhada por uma temperatura saturada baixa na entrada do compressor (temperatura de sucção).
Capacidade de carga parcial
Numa certa medida, a capacidade do sistema de refrigeração “flutua” com a carga. O sistema, por sua própria natureza, ajusta automaticamente a capacidade para cima quando a carga aumenta, enquanto a ajusta para baixo com a redução da carga.
Examinaremos um caso de redução de carga para demonstrar esse fato. Primeiro, devemos assumir que um sistema tem estado operando em condições de carga máxima. À medida da redução da carga, uma quantidade menor de calor fica disponível para ser absorvida pelo evaporador.
Como evaporador só pode absorver o calor disponível, há uma redução na quantidade de calor absorvido no refrigerante. Consequentemente, fica menor a quantidade de refrigerante líquido que se transforma em vapor dentro do evaporador. O compressor, no entanto, continua a succionar refrigerante em forma de vapor para fora do evaporador com a mesma velocidade que antes. O resultado é que a pressão dentro do evaporador é diminuída um nível inferior à que o sistema operava à plena carga.
À medida da redução da pressão sobre o refrigerante no evaporador, diminui também sua temperatura de saturação. Em suma, a temperatura saturada do evaporador tende a cair com a redução da carga.
A diminuição da pressão e temperatura no evaporador se estabiliza num ponto em que o volume (metros cúbicos) de refrigerante evaporado volta a ser igual ao deslocamento do compressor (metros cúbicos por minuto).
Isso ocorre porque cada libra de vapor refrigerante ocupa mais espaço (volume) por libra à medida da diminuição de sua pressão e temperatura de saturação. A uma temperatura de 4,4°C, cada libra de refrigerante ocupa um volume de aproximadamente 0,7 pé cúbico. Mas, com carga parcial e uma temperatura de 1°C negativo, o volume é levemente superior a 0,8 pé cúbico. Isso representa um aumento de cerca de 14% no volume por libra de refrigerante.
Com uma temperatura de saturação e uma pressão menores, o compressor pode bombear o mesmo volume de gás por minuto, porém bombeará menos libras. Consequentemente, ambos o evaporador e o compressor estão fornecendo uma capacidade menor de resfriamento. A capacidade para resfriar baseia-se fundamentalmente nas libras de refrigerante circuladas por unidade de tempo, e não no volume.
O resultado da redução da carga no evaporador e no compressor faz-se sentir também no condensador. Com a queda da pressão e da temperatura de saturação na entrada do compressor, a pressão da descarga também tende a cair. Uma pressão de descarga menor gera uma pressão e temperatura de saturação menores no condensador. A pressão de descarga e a pressão de sucção, ou de alta e baixa, como são frequentemente chamadas, tendem a elevar-se e diminuir juntas.
A redução da carga no evaporador inicia uma mudança que reduz a pressão de entrada e a temperatura de saturação da entrada do compressor. Essa ação reduz a pressão e a temperatura de descarga do compressor, o que reduz a pressão, a temperatura de saturação e a capacidade do condensador.
Ainda que a capacidade de um sistema de refrigeração possa “flutuar com a carga”, existem limites além dos quais poderão surgir problemas.
Com uma temperatura de saturação do refrigerante abaixo de -2°C, gelo começa a se formar sobre a superfície das serpentinas de resfriamento de ar e nos evaporadores de água gelada. De maneira geral, isso é indesejável, exceto nos sistemas de armazenamento de gelo. Nesse ponto ficam necessárias medidas de controle da capacidade.
Alguns sistemas pequenos, de 5 toneladas ou menos, simplesmente desligam o compressor quando a carga de resfriamento cai um nível baixo demais. Sistemas maiores ou mais complexos, especialmente os utilizados nas aplicações comerciais que experimentam grandes variações de carga, utilizam-se de uma variedade de sistemas de controle da capacidade do compressor para ajustar-se à carga do evaporador. O controle da capacidade do condensador, chamado também de “controle de pressão de descarga”, é utilizado também em muitos sistemas maiores bem como em pequenos sistemas residenciais. Nos sistemas maiores, o evaporador é controlado através de um medidor de fluxo chamado “válvula de expansão termostática”. Essa válvula controla o fluxo de líquido o evaporador sentindo a temperatura do gás que sai do mesmo. Evaporadores modulares são utilizados para os evaporadores resfriadores de ar e os resfriadores d’água. Esse arranjo permite que um ou mais evaporadores modulares tenham o fluxo de refrigerante interrompido através de válvulas solenoides nas linhas e líquido.