Diagrama do Princípio de Funcionamento

1. Componentes Principais de um Secador de Ar Refrigerado

Para remover a umidade do ar comprimido, mantendo a eficiência energética, um secador de ar refrigerado típico incorpora os seguintes sistemas e componentes. A configuração exata varia de acordo com o modelo.

1.1 Sistema de Resfriamento de Ar

O sistema de resfriamento de ar inclui:

• Pré-resfriador: Um trocador de calor ar-ar.
• Evaporador: Um trocador de calor ar-refrigerante.

1.2 Sistema de Separação e Drenagem de Umidade

Este sistema inclui:

• Um separador de umidade.
• Uma drenagem automática de condensado.

1.3 Sistema de Refrigeração

Dependendo do design, o sistema de refrigeração inclui um compressor de refrigerante, condensador, evaporador, válvula de expansão, válvula solenoide de refrigerante, interruptores de pressão, controles de pressão, uma válvula reguladora de água de resfriamento para modelos a água, um receptor de líquido, um filtro seco e válvulas de corte.

1.4 Sistema Elétrico

O sistema elétrico inclui interruptores de ligar/desligar, contactores, relés e uma placa de controle eletrônico.

1.5 Instrumentação

A instrumentação pode incluir manômetros de entrada e saída de ar, bem como manômetros de alta e baixa pressão do refrigerante.

2. Princípios de Funcionamento e Funções dos Componentes Principais

2.1 Pré-resfriador

A maioria dos secadores de ar refrigerados está equipada com um pré-resfriador. Este é um trocador de calor ar-ar, tradicionalmente do tipo casco e tubo.

O pré-resfriador recupera energia de resfriamento do ar comprimido frio que sai do evaporador e a usa para pré-resfriar o ar comprimido quente e úmido que entra. Após passar pelo pós-resfriador e separador de umidade do compressor de ar, o ar que entra ainda pode estar saturado com vapor de água e ter uma temperatura acima de 40°C.

Pré-resfriando este ar de entrada, o pré-resfriador reduz a carga térmica no sistema de refrigeração e diminui o consumo de energia.

Ao mesmo tempo, o ar comprimido seco e frio é reaquecido ao passar pelo pré-resfriador. Isso ajuda a evitar a condensação na parte externa dos dutos a jusante, quando a superfície do duto estaria abaixo do ponto de orvalho do ar circundante.

O reaquecimento também reduz a umidade relativa do ar seco—geralmente para abaixo de 20%, dependendo das condições de operação—o que ajuda a reduzir o risco de corrosão em equipamentos e dutos a jusante.

Algumas aplicações, como certos processos de separação de ar, requerem ar comprimido com baixo teor de umidade e temperatura de saída baixa. Nesses casos, o secador pode ser projetado sem um pré-resfriador.

Sem um pré-resfriador, a energia de resfriamento no ar de saída não pode ser recuperada, e o evaporador deve lidar com uma carga térmica substancialmente maior. Isso geralmente requer maior capacidade do compressor e aumentos correspondentes na capacidade do evaporador, condensador e componentes de expansão do refrigerante.

Do ponto de vista da recuperação de energia, uma temperatura de saída de ar mais alta indica que mais energia de resfriamento foi recuperada, desde que as condições de entrada e outras permaneçam comparáveis. Idealmente, a temperatura de saída de ar se aproximaria da temperatura de entrada. Na prática, uma diferença de temperatura permanece.

Mesmo quando a temperatura de entrada de ar está abaixo de 45°C, uma diferença de temperatura de entrada a saída de mais de 15°C pode ocorrer, dependendo do design do secador e das condições de operação.

2.2 Evaporador

O evaporador é um dos principais componentes de troca de calor em um secador de ar refrigerado.

No design de casco e tubo descrito aqui, consiste em um casco externo e um conjunto interno de tubos de cobre. O ar comprimido pré-resfriado flui pelo lado do casco, guiado por tabiques, enquanto o refrigerante flui dentro dos tubos.

À medida que o calor é transferido do ar comprimido para o refrigerante, o ar é resfriado e grande parte de seu vapor de água se condensa em água líquida. Este condensado é posteriormente separado e descartado, reduzindo o teor de umidade do ar comprimido.

Dentro dos tubos, o refrigerante líquido absorve calor do ar comprimido e evapora. Durante esta mudança de fase, a pressão e a temperatura do refrigerante permanecem aproximadamente constantes sob condições de operação estáveis, sujeitas às características do refrigerante e às perdas de pressão.

Uma vez que o refrigerante tenha evaporado completamente, pode tornar-se superaquecido próximo à saída do evaporador. Em sistemas equipados com uma válvula de expansão termostática, o fluxo de refrigerante é regulado de acordo com o superaquecimento de saída.

À medida que a troca de calor continua, a temperatura do ar comprimido se aproxima da temperatura de evaporação do refrigerante. No entanto, porque o evaporador tem uma área finita de transferência de calor, uma diferença de temperatura é necessária para transferir calor.

A temperatura final de resfriamento do ar, portanto, permanece acima da temperatura de evaporação do refrigerante durante a operação normal. Dependendo de vários fatores, incluindo:

• Capacidade de refrigeração disponível.
• Temperatura e pressão de evaporação do refrigerante.
• Área de transferência de calor do evaporador.
• Velocidade de fluxo do ar comprimido.
• Carga térmica total.

No tipo de secador descrito aqui, uma temperatura final do ar comprimido aproximadamente 3–5°C acima da temperatura de evaporação do refrigerante é considerada normal.

As características de transferência de calor do ar comprimido diferem significativamente daqueles do refrigerante em evaporação. O lado do ar comumente representa uma proporção substancial da resistência térmica global. Aumentar a área efetiva de transferência de calor do lado do ar pode, portanto, melhorar o desempenho do evaporador.

Evaporadores de Expansão Seca e Inundados

Os evaporadores podem ser classificados como tipos de expansão seca ou inundados.

Em um evaporador de expansão seca, o refrigerante evapora dentro dos tubos, enquanto o ar comprimido flui fora deles.

Em um evaporador inundado, o ar comprimido flui dentro dos tubos, enquanto o refrigerante líquido rodeia os tubos e evapora no lado do casco.

Os evaporadores inundados são menos comumente usados em secadores de ar refrigerados. Considerações de design relevantes incluem drenagem de condensado, retorno de óleo e carga de refrigerante.

Drenagem de condensado e transferência de calor

Conforme o vapor de água se condensa, forma-se um filme de água nas superfícies de transferência de calor do lado do ar, incluindo as aletas, quando presentes. Em um arranjo horizontal adequadamente projetado, as gotas podem escoar facilmente, ajudando a renovar a superfície de transferência de calor.

Em alguns arranjos verticais, o condensado pode fluir ao longo das superfícies e formar um filme de água mais espesso, aumentando a resistência térmica. O desempenho real de drenagem depende da geometria detalhada do evaporador.

Retorno de óleo

Dependendo da combinação de refrigerante e lubrificante, o óleo pode se acumular em um evaporador inundado. Isso pode reduzir o desempenho de transferência de calor e tornar mais difícil o retorno de óleo ao compressor. Em casos graves, o retorno inadequado de óleo pode causar problemas de lubrificação do compressor.

Carga de refrigerante

Os evaporadores inundados geralmente exigem uma carga de refrigerante maior.

Os secadores de ar refrigerados da Série DM utilizam evaporadores de expansão seca instalados horizontalmente.

2.3 Condensador

O condensador remove o calor do vapor de refrigerante de alta pressão e superaquecido descarregado pelo compressor, convertendo-o em refrigerante líquido.

Os condensadores são geralmente divididos em dois tipos:

• Condensadores a ar.
• Condensadores a água.

Portanto, os secadores de ar refrigerados estão disponíveis em versões a ar e a água.

Um condensador a ar normalmente usa uma construção de tubo com aletas semelhante ao trocador de calor externo de um sistema residencial de ar condicionado. Um condensador a água comumente usa uma construção de casco e tubo.

Condensadores a ar não requerem um fornecimento de água de resfriamento, o que os torna adequados para locais onde a água é indisponível ou difícil de fornecer, bem como para instalações onde a mobilidade é importante.

Porque o ar fornece uma transferência de calor menos eficaz do que a água em condições comparáveis, condensadores a ar geralmente requerem uma superfície de troca de calor maior. Eles são amplamente utilizados em secadores de ar refrigerados de pequeno e médio porte.

Temperaturas ambiente elevadas, ventilação inadequada e acúmulo pesado de poeira podem reduzir o desempenho dos condensadores a ar. Essas condições devem ser consideradas ao selecionar e instalar o secador.

Nos arranjos de condensador descritos aqui, vapor refrigerante quente e de alta pressão entra perto do topo e transfere calor para o meio de resfriamento. Em um condensador a ar de tubo com aletas, o refrigerante flui dentro dos tubos. Em um condensador a água convencional de casco e tubo, o refrigerante geralmente flui no lado do casco.

Conforme o calor é removido, o refrigerante se condensa e sai como líquido da parte inferior do condensador.

2.4 Compressor de Refrigerante

Tipos de Compressores de Refrigerante

Os tipos de compressores comuns usados em sistemas de refrigeração por compressão de vapor incluem:

• Compressores alternativos.
• Compressores de parafuso.
• Compressores rotativos, incluindo designs de vane rotativa.
• Compressores de rolos.

Os compressores alternativos podem ser classificados ainda mais como de acionamento aberto, semi-herméticos ou herméticos.

Secadores de ar refrigerados comumente usam compressores herméticos — incluindo tipos alternativos, rotativos e de rolos —, bem como compressores alternativos semi-herméticos.

Características de Operação

A capacidade de refrigeração do compressor está intimamente relacionada às suas condições de operação, especialmente as temperaturas de evaporação e condensação do refrigerante.

Para um compressor dado:

• Uma temperatura de evaporação mais baixa geralmente reduz a capacidade de refrigeração disponível.
• Uma temperatura de condensação mais alta geralmente reduz a capacidade de refrigeração disponível.

Portanto, simplesmente diminuir a temperatura de evaporação para obter um ponto de orvalho de ar comprimido mais baixo nem sempre é uma abordagem econômica.

Enchimento Líquido

Os compressores são projetados para comprimir gás. O refrigerante líquido é efetivamente incompressível sob condições normais de operação do compressor e pode causar danos mecânicos graves se entrar na câmara de compressão.

Esta condição é conhecida como enchimento líquido.

Durante a operação do secador, o refrigerante líquido pode não evaporar completamente se for fornecido muito refrigerante ao evaporador ou se a carga térmica disponível for insuficiente. O refrigerante não evaporado então pode retornar ao compressor.

Em um compressor alternativo, o enchimento líquido pode danificar as placas de válvulas e outros componentes internos.

Medidas usadas para reduzir o risco de entrada de refrigerante líquido no compressor incluem:

1. Selecionar um compressor com proteção ou tolerância adequada para lidar com líquidos.
2. Instalar um acumulador de sucção para interceptar o refrigerante líquido antes que ele chegue ao compressor.
3. Usar uma válvula de bypass de gás quente para ajudar a manter condições de evaporação adequadas durante a operação de baixa carga.

Como a temperatura de sucção do compressor pode estar abaixo da temperatura ambiente, a condensação às vezes pode aparecer em partes frias do compressor ou da linha de sucção.

Pode-se formar geada se a temperatura da superfície cair abaixo de 0°C. Isso pode indicar uma condição de operação que requer investigação, como resfriamento excessivo em relação à carga ou uma configuração de controle inadequada.

2.5 Separador de Umidade e Dreno Automático de Condensado

2.5.1 Separador de Umidade

O separador de umidade é um componente-chave de um secador de ar refrigerado.

Quando o ar comprimido quente e úmido é resfriado no pré-resfriador e no evaporador, uma quantidade substancial de vapor de água se condensa em líquido. Este líquido deve ser efetivamente separado do fluxo de ar e descartado.

O resfriamento sozinho não é suficiente. Se o condensado líquido permanecer no fluxo de ar, ele pode ser levado para downstream e pode reevaporar. Portanto, a separação eficaz de umidade é essencial para o desempenho geral de secagem do secador.

Métodos de separação comuns incluem separação por barreira, filtração e separação ciclônica.

A. Separador de Barreira

Um separador de barreira é um tipo de separador inercial. Ele usa uma série de barreiras, frequentemente dispostas em uma configuração semelhante a lâminas, para mudar a direção do fluxo de ar.

Gotículas de água atingem as barreiras, aderem às suas superfícies e se combinam em um filme líquido fino. O líquido escorre pelas barreiras e se acumula em gotas maiores, que se separam do fluxo de ar por gravidade.

Uma wettability adequada das superfícies ajuda as gotículas a aderirem e escorrerem efetivamente.

As barreiras nos evaporadores usados em nossos secadores de ar refrigerados também contribuem para a separação de umidade.

B. Separador do Tipo Filtro

Um separador do tipo filtro pode fornecer uma eficiência de remoção muito alta para gotículas líquidas dentro de sua faixa de operação especificada.

No entanto, o uso de elementos de filtro substituíveis como método principal de separação de condensado introduz uma queda adicional de pressão e custos de manutenção. Os elementos de filtro também requerem substituição periódica.

Por essas razões, esta abordagem pode ser menos econômica do que outros métodos de separação para a etapa principal de separação de condensado em massa.

C. Separador Ciclônico

Um separador ciclônico é outro tipo de separador inercial. O mesmo princípio geral também é amplamente utilizado para remover partículas sólidas maiores de correntes de gás.

O ar comprimido entra no separador tangencialmente e forma um fluxo rotativo. As gotículas carregadas se movem com o ar, enquanto os efeitos centrífugos fazem com que as gotículas maiores migrem em direção à parede externa.

Após atingirem a parede, as gotículas coalescem e escorrem, separando-se do fluxo de ar. Gotículas menores têm mais probabilidade de permanecer carregadas e sair com o fluxo de ar.

O desempenho do separador ciclônico depende das condições de fluxo. A eficiência de separação geralmente é mais alta perto da faixa de operação pretendida e pode diminuir quando o fluxo de ar se desvia significativamente das condições de projeto.

Uma eficiência de separação reduzida pode aumentar o transporte de líquido e prejudicar o desempenho de secagem downstream.

2.5.2 Dreno Automático de Condensado

Durante a operação, o condensado se acumula nas seções de resfriamento e separação do secador. Ele deve ser descartado prontamente e confiavelmente.

Se o condensado for permitido acumular, vários problemas podem ocorrer:

1. Transporte de água líquida: A água pode ser transportada para o ar de saída, comprometendo o propósito do secador.
2. Aumento da queda de pressão: O líquido acumulado pode reduzir a área efetiva de fluxo de ar e aumentar a resistência.
3. Carga de resfriamento adicional: O condensado retido pode contribuir para a demanda desnecessária de resfriamento e reduzir a eficiência energética.

A remoção confiável de condensado é, portanto, essencial para a operação normal do secador.

Quatro tipos comuns de drenos automáticos de condensado são descritos abaixo.

A. Dreno Operado por Flutuador

Um dreno operado por flutuador abre e fecha de acordo com o nível de condensado dentro de sua câmara de coleta.

O SMC AD402 é um exemplo deste tipo de dreno mencionado na descrição do equipamento original.

B. Dreno de Balde Invertido

Um dreno de balde invertido usa a boia de um mecanismo interno para controlar a descarga de condensado.

C. Dreno Solenóide Controlado por Temporizador

Um dreno solenóide controlado por temporizador abre em intervalos predefinidos por uma duração predefinida.

Este tipo de dreno é amplamente utilizado, mas pode descarregar ar comprimido junto com o condensado. O intervalo de abertura e a duração da descarga devem ser ajustados de acordo com a quantidade de condensado gerada.

D. Dreno Controlado por Nível

Um dreno controlado por nível descarrega o condensado de acordo com o nível real do líquido.

Modelos bem projetados sem perda de ar descarregam o condensado com perda mínima de ar comprimido, oferecendo maior eficiência energética do que os drenos convencionais com temporizador. Seu custo inicial de compra geralmente é mais alto.

Princípio de Funcionamento de um Dreno Operado por Flutuador

O seguinte descreve o princípio de funcionamento geral. O mecanismo exato varia de modelo para modelo; a instalação e manutenção devem seguir as instruções do fabricante.

Quando o nível de condensado na câmara de coleta está baixo, o flutuador permanece em sua posição inferior e a saída do dreno fica fechada, impedindo que o ar comprimido escape.

À medida que o condensado entra na câmara, o nível do líquido sobe. A boia é elevada pela força de flutuação, e quando o líquido atinge o nível de operação, o mecanismo abre a saída do dreno.

A diferença de pressão entre o sistema de ar comprimido e o lado de descarga então força o condensado para fora.

Conforme o nível do líquido cai, o flutuador desce e a saída fecha novamente.

Drenos operados por flutuador são usados não apenas em secadores de ar refrigerado, mas também em reservatórios de ar, pós-resfriadores, filtros e outros equipamentos de tratamento de ar comprimido.

Contaminação e Manutenção

Os drenos automáticos são particularmente vulneráveis à contaminação.

O condensado descarregado de um sistema de ar comprimido nem sempre é água limpa. Pode conter poeira, partículas de ferrugem, óleo e lodo.

Como as passagens de drenagem são frequentemente pequenas, esses contaminantes podem causar obstruções. Muitos designs de drenos incorporam um filtro de entrada ou outra proteção contra detritos, embora a configuração varie de modelo para modelo.

Com o tempo, o próprio filtro pode ficar entupido de óleo e sólidos. Se não for limpo, o dreno pode parar de funcionar corretamente.

Portanto, a inspeção e limpeza regulares do dreno e de seu filtro, onde instalado, devem fazer parte da manutenção rotineira do secador de ar refrigerado.

Pressão de Operação e Proteção Contra Congelamento

Muitos drenos automáticos dependem de uma diferença de pressão para descarregar o condensado e requerem uma pressão mínima de operação.

O modelo AD-402 mencionado na descrição da fonte tem uma pressão mínima de operação declarada de 0,15 MPa. A especificação aplicável deve ser confirmada de acordo com o modelo exato e a documentação do fabricante.

Abaixo da pressão necessária, o dreno pode falhar em operar ou selar corretamente. A pressão de operação também deve permanecer dentro do limite nominal do dreno.

Em condições onde o congelamento é possível, o condensado deve ser completamente drenado da câmara de coleta antes da exposição a temperaturas abaixo de zero. Isso ajuda a prevenir a formação de gelo e danos ao alojamento do dreno.