Mini-Projecto · Ler e diagnosticar o ciclo real de uma unidade frigorífica da oficina
Contexto
A oficina da escola tem uma unidade frigorífica de ensaio: uma bancada didática de refrigeração, uma mini-câmara ou uma vitrine, com compressor, condensador a ar, dispositivo de expansão (tubo capilar ou válvula de expansão termostática) e evaporador, e com tomadas de serviço de alta e de baixa pressão. Um supermercado do concelho pediu à turma um relatório de caracterização de uma unidade semelhante, antes de decidir se a mantém ou a substitui: o que a unidade faz, em que estado de saúde está, e como se reconhece uma avaria a partir de leituras simples.
Foste destacado/a como técnico/a de ensaio. O trabalho decorre sob a supervisão do professor, com a unidade da oficina, os instrumentos que a escola tem (manifold com manómetros de alta e de baixa, termómetros de contacto, pinça amperimétrica) e o diagrama de Mollier (p-h) e as tabelas do fluido da placa de características. O diagrama p-h do fluido da unidade imprime-se em A3, um por grupo, antes da Fase 3, e confirma-se que a sua referência de entalpia é a mesma das tabelas que o grupo vai usar; se não for, o grupo trabalha só com diferenças de entalpia e nunca mistura valores das duas fontes. Trabalhas em grupos de dois ou três e entregas um dossiê com o registo de medições, os cálculos, o ciclo traçado no diagrama e o diagnóstico.
O primeiro registo do grupo é o tipo de dispositivo de expansão da unidade (capilar ou válvula termostática), porque o comportamento do sobreaquecimento na anomalia 2 depende dele. Este projeto usa o fluido da unidade da oficina. Os exemplos da solução de referência estão em R134a; se a unidade tiver outro fluido, usa as tabelas e o diagrama desse fluido, e adapta os valores de referência com o professor.
Requisitos
Funcionais
- Identificar a unidade e o fluido pela placa de características e registar os componentes e as suas funções num esquema do circuito.
- Fazer, em regime estável, o registo completo: pressão de baixa e de alta, temperaturas de aspiração, descarga e líquido, temperaturas do ar nos dois permutadores e corrente do compressor.
- Converter as pressões para absolutas e obter as temperaturas de evaporação e de condensação (orvalho na baixa e bolha na alta, se o fluido for zeotrópico).
- Calcular o sobreaquecimento, o subarrefecimento e a razão de compressão.
- Traçar o ciclo real no diagrama de Mollier do fluido, com os pontos 1, 2, 3 e 4 identificados, e ler as entalpias.
- Calcular o efeito frigorífico, o trabalho de compressão, o calor rejeitado e o COP, e verificar o balanço de energia.
- Comparar com o ciclo de referência e com o COP de Carnot para as mesmas temperaturas.
- Provocar duas anomalias reversíveis autorizadas pelo professor (condensador parcialmente tapado; caudal de ar do evaporador reduzido), repetir a medição e traçar os dois ciclos no mesmo diagrama.
- Diagnosticar por escrito cada anomalia a partir das leituras, e propor a medida corretiva.
- Responder a duas situações de diagnóstico só com dados (leituras fornecidas pelo professor).
Não-funcionais
- Cumprir as normas de segurança e saúde no trabalho: EPI (óculos de proteção, luvas), ligação do manifold sob supervisão, cabelo e roupas longe dos ventiladores, ventilação do local, alimentação bloqueada ao mexer nos permutadores.
- Nenhum fluido é libertado para a atmosfera; o manifold tem as mangueiras evacuadas com bomba de vácuo ou usa acoplamentos de baixa perda (nunca purgadas com fluido do circuito), e é desligado como o professor indica.
- Registos legíveis, com unidades e a indicação "bar rel." ou "bar abs" em cada pressão.
- Cálculos apresentados passo a passo, em unidades do SI, com os valores de tabela identificados.
- Trabalho em equipa, com divisão de tarefas registada.
Fases
Fase 1 · Reconhecimento e segurança (2h) Ler a placa de características, identificar o fluido, desenhar o esquema do circuito com os componentes e as funções, identificar os pontos de medição e as verificações prévias (ventiladores, filtros de ar, condensador, vedantes). Rever as regras de segurança com o professor e preparar a folha de registos. Preparar também o material da Fase 3: o diagrama p-h do fluido da unidade, impresso em A3 e um por grupo (do fabricante ou entregue pelo professor), e a tabela de saturação e de vapor sobreaquecido do mesmo fluido. Ler no diagrama o que está nos eixos e as curvas que lá existem, como na sebenta (capítulo 9, "Como usar uma carta p-h impressa").
Fase 2 · Medição em regime (3h) Ligar o manifold (com o professor), fixar as sondas de aspiração, descarga e líquido, limpas e isoladas, e pôr a unidade em regime estável (15 a 20 minutos, variações inferiores a 1 K e 0,1 bar em 5 minutos). Registar os valores, repetindo as leituras três vezes com 5 minutos de intervalo.
Fase 3 · Cálculo do ciclo (4h) Converter pressões, obter t₀ e tc, calcular SH, SC e razão de compressão. Traçar o ciclo no diagrama, ler as entalpias, calcular q₀, w, qc, COP e o caudal mássico para uma potência frigorífica dada pelo professor. Calcular o COP de Carnot e o rendimento relativo.
Fase 4 · Anomalias provocadas (4h) Provocar, uma de cada vez, e com o professor presente, as duas anomalias autorizadas: condensador parcialmente tapado com um cartão e caudal de ar do evaporador reduzido. Antes de tapar o condensador, confirmar que o pressostato de alta funciona e está regulado, e fixar com o professor o limite de pressão de alta. Esperar o regime, repetir a medição, repor a situação normal e confirmar o regresso aos valores iniciais; se se formar gelo no evaporador, descongelar (ventilador a trabalhar e compressor parado) antes da medição de regresso. Traçar os dois ciclos no mesmo diagrama.
Fase 5 · Diagnóstico e medidas corretivas (4h) Interpretar cada anomalia pela matriz de sintomas, explicar a causa física (U×A, caudal, razão de compressão) e propor a medida corretiva com o procedimento seguro. Resolver as duas situações de diagnóstico só com dados.
Fase 6 · Dossiê e apresentação (3h) Reunir o esquema, os registos, os cálculos, os diagramas, o diagnóstico e as conclusões. Apresentar à turma em 8 minutos, mostrando o diagrama com os três ciclos.
Critérios de avaliação
| Critério | Peso |
|---|---|
| Identificação da unidade, esquema do circuito e segurança | 10% |
| Medição em regime estável e registos corretos | 15% |
| Conversões, SH, SC e razão de compressão | 15% |
| Ciclo traçado no diagrama de Mollier e cálculo de energias e COP | 20% |
| Anomalias provocadas: medição e diagnóstico fundamentado (na anomalia 2, o efeito esperado no SH depende do dispositivo de expansão da unidade) | 20% |
| Medidas corretivas e situações de diagnóstico só com dados | 10% |
| Dossiê e apresentação | 10% |
O critério do ciclo traçado avalia o uso correto do diagrama fornecido: pontos 1 a 4 na posição certa, leituras de entalpia dentro da incerteza de 2 a 3 kJ/kg e energias calculadas a partir delas. Não penaliza o que o material fornecido não tem: se a carta não trouxer alguma família de curvas, o grupo marca o ponto pela pressão e pela entalpia da tabela do fluido; se a carta tiver outra referência de entalpia, o grupo trabalha com diferenças.
Erros comuns
- Ler as pressões do manómetro como absolutas e traçar o ciclo com elas.
- Calcular o sobreaquecimento com a temperatura medida num tubo sem isolamento da sonda, ou com a sonda a tocar em outro tubo.
- Registar leituras antes de a unidade estar em regime estável.
- Usar a tabela ou os anéis de outro fluido.
- Ler a entalpia numa carta com referência diferente da das tabelas e misturar os valores das duas fontes.
- Traçar a expansão inclinada em vez de vertical, ou o ponto 3 sobre a curva de líquido saturado quando o líquido está subarrefecido.
- Esquecer-se de repor a unidade na situação normal depois da anomalia, e comparar o ciclo seguinte com valores contaminados.
- Provocar a anomalia do evaporador sem vigiar o sobreaquecimento, correndo o risco de líquido no compressor.
- Esperar que o SH desça a zero na anomalia 2 sem saber qual é o dispositivo de expansão: com válvula termostática o SH mantém-se ou oscila; com capilar desce.
- Medir o regresso aos valores iniciais com o evaporador ainda gelado.
- Dar o diagnóstico só com uma leitura (por exemplo, "baixa baixa, falta gás").
- Não verificar o balanço qc = q₀ + w como controlo do cálculo.
Bónus (opcional)
- Repetir a caracterização com a unidade a trabalhar com duas temperaturas do espaço refrigerado diferentes e comparar os COP.
- Calcular o efeito de 1 K a mais de subarrefecimento sobre o efeito frigorífico (cerca de 1,5 kJ/kg) e confirmá-lo com os dados.
- Construir uma folha de cálculo que, a partir das cinco leituras, devolva t₀, tc, SH, SC, razão de compressão, entalpias e COP.
- Elaborar uma ficha de bolso de uma página com a matriz de sintomas.
Reflexão
No dossiê final, responde: porque é que o sobreaquecimento e o subarrefecimento dizem mais sobre a saúde do circuito do que a pressão sozinha? E descreve uma situação em que duas avarias diferentes dão a mesma leitura de pressão de baixa e como as distinguiste.