Como selecionar o chiller industrial adequado

Entre as razões mais convincentes para a instalação de um chiller está a capacidade de minimizar o tempo de inatividade através da proteção contínua que proporciona na remoção do calor de equipamento de processo valioso e sensível à temperatura. Ao mesmo tempo, um chiller economiza água e custos associados através da recirculação e reutilização do fornecimento de água da fábrica. O custo da água de refrigeração pode aumentar rapidamente, especialmente se o equipamento de processo estiver a funcionar durante vários turnos por dia. Quando um chiller é introduzido no sistema, este pode contornar os custos e a necessidade de um fornecimento de água municipal monitorizado e de descarga de águas residuais, e contribuir para economias substanciais dentro dos orçamentos de produção. Além disso, com os mais recentes desenvolvimentos na tecnologia de refrigeração, o retorno do investimento de capital pode ser obtido durante um período muito curto da vida útil do equipamento.

Ao especificar uma instalação do chiller, um conhecimento prático dos fatores de desempenho do chiller é crucial para obter o ajuste correto do produto. É necessário determinar: o tipo de fluido de processo que será utilizado; a temperatura de refrigeração do processo; os requisitos de caudal e pressão; o ambiente operacional; a temperatura ambiente; o tamanho do chiller necessário e as restrições espaciais da sua localização.

Os principais fatores a ter em conta ao considerar os fluidos de refrigeração adequados para um processo são as suas características de desempenho e a compatibilidade do equipamento. O desempenho de um líquido de refrigeração baseia-se nas suas propriedades a uma determinada temperatura. Os parâmetros relevantes são o calor específico, a viscosidade e os pontos de congelação/ebulição. Existe uma relação direta entre o calor específico e a capacidade de refrigeração. Para manter a integridade do sistema e prolongar o desempenho ideal, recomenda-se a mistura de uma percentagem de etileno ou glicol de propileno com água (normalmente no intervalo de 10 a 50%) quando são necessárias temperaturas de ponto de ajuste baixas ou altas. Em termos de compatibilidade, o potencial de corrosão e a degradação precoce dos vedantes são modos de falha comuns para sistemas com dimensões incorretas. É por isso que os materiais de construção e a natureza dos fluidos devem ser um fator importante e se recomenda a inclusão de um inibidor de corrosão no líquido de refrigeração. No entanto, após os mais recentes desenvolvimentos da tecnologia de refrigeração, o depósito de armazenamento e as peças hidráulicas das bombas centrífugas são construídos em aço inoxidável para evitar a contaminação da água de processo com partículas de ferrugem, e proporcionam níveis mais elevados de fiabilidade e controlo da temperatura. Da mesma forma, os condensadores de microcanal totalmente em alumínio topo de gama foram concebidos para proporcionar uma longa vida útil sem corrosão e requerem menos 30% de carga de fluido refrigerante em comparação com outros tipos de permutador de calor.

A temperatura definida irá afetar a capacidade de refrigeração de um chiller. Diminuir a temperatura irá colocar mais carga no sistema de refrigeração, e vice-versa, para a aumentar. Existe uma relação direta entre a temperatura definida do chiller e a sua capacidade de refrigeração total. Portanto, é importante rever os dados de desempenho publicados do chiller, relevantes para a instalação proposta. Ao mesmo tempo, se o chiller for destinado se destinar a um local exposto, é igualmente importante estabelecer o nível de proteção contra congelação necessário, ou seja, o nível de temperatura mais baixo do líquido do chiller durante o funcionamento.

Enquanto a vida útil da bomba é uma consideração principal ao configurar um sistema de refrigeração industrial, a perda de pressão no sistema e o caudal necessária devem ser determinadas, em primeiro lugar, em função do tamanho e desempenho da bomba.
Pressão: uma bomba subdimensionada irá reduzir o caudal de fluido em todo o circuito de arrefecimento. Se o chiller tiver sido equipado com alívio de pressão interna, o caudal será desviado em torno do processo e de volta para o chiller. Se não existir alívio de pressão interna, a bomba tentará fornecer a pressão necessária e funcionará a uma pressão sem caudal de fluido ou no limite. Quando este estado ocorre, a vida útil da bomba pode ser drasticamente reduzida; o líquido deixa de fluir e o líquido na bomba torna-se quente, podendo vaporizar e interromper a capacidade de refrigeração da bomba, resultando no desgaste excessivo dos rolamentos, vedantes e impulsores.A determinação da perda de pressão num sistema requer a instalação de manómetros na entrada e na saída do processo e, em seguida, a aplicação da pressão da bomba para obter valores no caudal desejado.
Caudal: um caudal inadequado no processo irá produzir uma transferência de calor inadequada, pelo que o caudal não irá remover o calor necessário para um funcionamento seguro do processo. À medida que a temperatura do fluido aumenta para além do valor estabelecido, a temperatura da superfície/dos componentes também continuará a subir até ser atingida uma temperatura estável superior ao valor estabelecido inicial.A maioria dos sistemas de refrigeração indica os requisitos de pressão e caudal. Ao especificar a remoção de carga térmica necessária como parte do design, é importante ter em conta todas as mangueiras, acessórios, ligações e mudanças de elevação que fazem parte do sistema. Estas características auxiliares podem aumentar significativamente os requisitos de pressão, caso não sejam dimensionadas de forma adequada.

Temperatura ambiente: a capacidade de dissipar o calor de um chiller arrefecido a ar é afetada pela temperatura ambiente. Isto deve-se ao facto de o sistema de refrigeração utilizar o gradiente de temperatura do ar ambiente/refrigerante para induzir a transferência de calor para o processo de condensação. Uma subida da temperatura do ar ambiente diminui o diferencial de temperatura ( ΔT) e, posteriormente, reduz a transferência de calor total. Se o chiller utilizar um condensador arrefecido a líquido, as temperaturas ambiente elevadas podem ainda apresentar efeitos negativos nos componentes principais, como o compressor, a bomba e o sistema eletrónico. Estes componentes geram calor durante o funcionamento e as temperaturas elevadas encurtam a sua vida útil. Como orientação, a temperatura ambiente máxima típica para chillers com classificação não exterior é de 40 °C.
Restrições espaciais: para manter a temperatura adequada do ar ambiente, é importante fornecer um espaço de circulação de ar adequado à volta do chiller. Sem um caudal de ar adequado, a recirculação de um volume de ar inadequado aquece-o rapidamente. Isto afeta o desempenho do chiller e pode danificar a unidade de refrigeração.

A seleção de um chiller com o tamanho correto é uma decisão crucial. Um chiller subdimensionado será sempre um problema: nunca conseguirá arrefecer adequadamente o equipamento de processo e a temperatura da água de processo não será estável. Por outro lado, um chiller de grandes dimensões nunca conseguirá funcionar ao nível mais eficiente e o seu funcionamento é mais dispendioso. Para determinar o tamanho correto da unidade para a aplicação, é necessário conhecer o caudal e a energia térmica que o equipamento de processo está a adicionar ao meio de refrigeração, ou seja, a alteração da temperatura entre a água de entrada e de saída, expressa em ∆T. A fórmula para fins de cálculo é: energia térmica por segundo (mais conhecida como potência) = caudal mássico × calor específico × variação de temperatura (∆T)'. O calor específico da água é nominalmente expresso como 4,2 kJ/kg K; no entanto, caso contenha uma percentagem de aditivos de glicol, o valor aumenta para 4,8 kJ/kg K. Nota: 1K = 1 °C e a densidade da água é 1, ou seja, 1 l de volume de água = 1 kg de massa de água. Segue-se um exemplo da aplicação da fórmula para determinar o chiller com o tamanho correto em kW para lidar com um caudal de água de 2,36 l/s (8,5 m3/h), com uma variação de temperatura de 5 °C: potência térmica por segundo (kJ/s ou kW) = 2,36 l/s (caudal) × 5 °C (∆T) × 4,2 kJ/kg K (calor específico da água pura), dimensão necessária do chiller = 49,6 kW. Em alternativa, caso já se conheça a carga térmica a ser arrefecida, a fórmula pode ser reorganizada para determinar a diferença de temperatura (∆T) que pode ser alcançada com diferentes caudais (alcançável com diferentes tamanhos de bomba). Podem existir outras circunstâncias que influenciem a escolha de tamanhos. O planeamento para a expansão futura da fábrica, a exposição a altas temperaturas ambiente ou a localização em altitudes podem levar à especificação de um tamanho diferente da unidade.

Na mais recente geração avançada de chillers industriais, facilidade de manutenção, segurança operacional e controlo e conetividade inteligentes são características proeminentes nos designs. Por exemplo, estes são construídos com canópias insonorizadas com classificação IP54 que permitem que os chillers funcionem no interior ou no exterior, mesmo a temperaturas ambiente de até -45 °C. São especificamente concebidos para facilitar o acesso aos componentes instalados − sistemas de refrigeração na parte frontal e o conjunto de circulação de água de refrigeração na parte posterior. As portas da canópia amplas e a disposição inteligente reduzem o tempo de manutenção e permitem uma inspeção fácil para evitar avarias. Os novos modelos inovadores no mercado incluem uma vasta gama de dispositivos de segurança, tais como interruptores de caudal e nível, sondas térmicas, sondas de pressão, aquecimento do cárter e filtros, que permitem que o chiller funcione em segurança. Além disso, um sistema de refrigeração hermeticamente vedado impede a fuga de fluido refrigerante e não requer manutenção. Os regulamentos relativos a FGA do Reino Unido requerem uma inspeção anual e, em sistemas de refrigeração de maiores dimensões, uma inspeção semestral por um engenheiro certificado em FGA. O fornecimento de um relé de sequência de fase assegura que não existe risco de danos no compressor em caso de ligação incorreta. Nestes novos designs, um controlador de ecrã tátil funciona com algoritmos eficientes em termos energéticos, combina todos os sensores do chiller num único sistema e emite avisos atempadamente em caso de desvio dos parâmetros de funcionamento. A conetividade total é alcançada através da capacidade de monitorização remota inteligente incorporada em chillers com tamanhos iguais ou superiores a 11 kW. Isto fornece dados da máquina ao utilizador em tempo real, num formato claro, para garantir a máxima eficiência.