Chiller

O chiller é o equipamento que retira calor de um circuito de água ou de solução aquosa e devolve esse fluido resfriado ao ponto de consumo. Toda a engenharia em volta dele se resume a três números: quanto calor remover, em que temperatura entregar o fluido, e quanta energia gastar para isso. A aparente simplicidade dessa formulação é o que faz tantas instalações operarem mal — porque os três números precisam ser medidos, e normalmente são estimados.

Este texto trata do método: como se calcula a capacidade, como se lê a eficiência real, o que separa as arquiteturas de condensação e o que determina se um equipamento vai durar.

O ciclo, e os quatro pontos onde ele é avaliado

O funcionamento segue o ciclo de compressão de vapor. O refrigerante evapora no evaporador absorvendo calor da água que circula pelo circuito, é comprimido, condensa cedendo esse calor ao ar ambiente ou a um circuito de água de condensação, e passa pelo dispositivo de expansão antes de reiniciar o percurso.

Quatro medições descrevem o estado desse ciclo, e elas voltam em toda decisão sobre um chiller. A temperatura de aproximação no evaporador é a diferença entre a água gelada que sai e a temperatura de saturação correspondente à pressão de sucção; em trocadores de placas ela costuma ser pequena, da ordem de poucos kelvin, e em casco e tubo é maior. A aproximação no condensador é a diferença entre a temperatura de condensação e o fluido que entra no condensador.

O superaquecimento na sucção — diferença entre a temperatura do vapor que sai do evaporador e a saturação na pressão de sucção — costuma trabalhar em faixas da ordem de quatro a oito kelvin em sistemas com válvula de expansão termostática, sendo a especificação do fabricante o valor que prevalece. O subarrefecimento na saída do condensador completa o quadro e permite distinguir um problema de carga de refrigerante de um problema de restrição, que produzem sintomas parecidos e pedem intervenções opostas.

Registradas na partida da instalação, essas quatro medições passam a ser a referência para o resto da vida do equipamento. Sem elas, qualquer avaliação futura de desempenho é comparação com a memória.

Capacidade: o cálculo, e por que a folga custa caro

Capacidade de chiller se expressa em tonelada de refrigeração, e uma TR equivale a 3,517 kW de calor removido. Em uma instalação existente, a carga real se mede diretamente: para água, cada metro cúbico por hora de vazão com um kelvin de diferencial de temperatura entre retorno e saída corresponde a aproximadamente 1,16 kW removidos. Um circuito com 60 metros cúbicos por hora e diferencial de 5 kelvin está removendo cerca de 348 kW, ou algo próximo de 99 toneladas.

Em instalação nova, a carga vem do processo: a massa de fluido ou de produto a resfriar, o calor específico, o calor latente quando há mudança de fase, a diferença de temperatura exigida e o tempo em que essa troca precisa acontecer, somados aos ganhos de calor da tubulação e do ambiente. Quando há mais de um ponto de consumo, entra a variável que decide o resultado: a simultaneidade. Máquinas que operam em turnos diferentes, equipamentos que não partem juntos e processos sazonais não somam no pico, e adotar a soma das cargas máximas produz uma demanda que a planta nunca apresenta.

Sobre esse total inflado, o hábito de aplicar um fator de segurança de 1,5 agrava o erro em vez de proteger a instalação. Um chiller sobredimensionado atinge o setpoint rápido, desliga, a temperatura sobe, ele religa. Essa ciclagem multiplica as partidas do compressor, acelera o desgaste de contatores e componentes mecânicos, e faz o equipamento operar fora da faixa em que sua eficiência foi medida. O resultado é um equipamento que custou mais, consome mais por tonelada removida e entrega temperatura menos estável — três efeitos adquiridos com a intenção de garantir capacidade.

O indicador que detecta isso na operação é o número de partidas do compressor por hora. Quando ele é alto, a causa está em capacidade acima da carga, em volume de água insuficiente no circuito, ou em faixa de controle mal ajustada — e nenhuma dessas é defeito de equipamento.

Volume de inércia: a variável esquecida

O circuito de água funciona como reserva térmica. Quanto mais água armazenada entre o chiller e o consumo, mais lentamente a temperatura se move quando a carga muda, e mais tempo o equipamento tem para responder.

As faixas de referência usuais separam duas realidades. Em climatização, com carga que varia ao longo de horas, um volume da ordem de dez a quinze litros por tonelada de refrigeração costuma bastar. Em processo com carga pulsante — injeção de plástico, em que cada ciclo entrega calor em um pico curto, ou laticínio, com janelas de recebimento — a referência sobe para valores bem maiores, frequentemente o dobro ou mais. O valor correto depende da amplitude e da frequência da variação, e o dado do fabricante do equipamento sobre volume mínimo prevalece.

Um tanque de inércia custa uma fração do valor de um chiller, e resolve instabilidade que é frequentemente diagnosticada como capacidade insuficiente — levando à compra de um equipamento maior, que agrava exatamente o problema que se pretendia resolver.

Eficiência: catálogo, operação e carga parcial

A relação kW/TR informa quanta energia elétrica o chiller consome para remover cada tonelada de refrigeração. Valores em torno de 0,6 kW/TR a plena carga servem de referência para equipamentos bem selecionados, e o número de catálogo é medido em condições de ensaio.

Na instalação, a eficiência real depende de três coisas. A primeira é a temperatura de condensação, que governa o trabalho do compressor: reduzi-la em um grau economiza, conforme o equipamento e o ponto de operação, algo da ordem de dois a três por cento de energia. A segunda é o estado da troca térmica, medido pelas aproximações — incrustação e sujeira nos trocadores obrigam o equipamento a trabalhar com pressões mais altas para entregar a mesma coisa. A terceira é o quanto o equipamento passa em carga parcial, porque é ali que a maior parte das horas de operação acontece em quase toda instalação.

Essa última é a razão pela qual controle de capacidade — variação de rotação, estágios múltiplos, circuitos independentes — pesa mais numa seleção honesta que alguns pontos percentuais de capacidade nominal. E é a razão pela qual fracionar a capacidade em dois equipamentos costuma vencer a solução de um equipamento único com folga: nas horas de carga baixa opera um, próximo do seu ponto de melhor rendimento, e a falha de um preserva metade da capacidade.

Condensação a ar ou a água: os números da decisão

Todo chiller precisa entregar o calor retirado do circuito a algum lugar. A condensação a ar faz isso diretamente para o ambiente, e está limitada pela temperatura de bulbo seco: em uma tarde de verão na região de São Paulo, isso significa condensar acima de 35 °C, com o consumo subindo exatamente no horário de maior demanda. A condensação a água transfere o calor para um circuito atendido por torre de resfriamento, que trabalha por evaporação e é limitada pela temperatura de bulbo úmido — da ordem de 23 °C a 24 °C na região, conforme a fonte climatológica adotada.

A diferença de temperatura de condensação entre as duas arquiteturas é significativa, e traduzida pela regra de dois a três por cento por grau ela justifica com folga o investimento adicional em capacidades maiores com operação contínua. Em capacidades menores ou operação intermitente, frequentemente não justifica.

Há um fator que inverte a conta e não aparece em nenhum catálogo: a estrutura de manutenção disponível. A torre concentra sais dissolvidos por evaporação, e o controle dessa concentração se faz por purga, monitorada em geral por condutividade, com ciclos de concentração tipicamente entre três e seis conforme a qualidade da água de reposição. Sem esse controle, a incrustação deposita nos tubos do condensador, a aproximação cresce, a temperatura de condensação sobe e o sistema passa a consumir mais do que consumiria com condensação a ar. O equipamento mais eficiente, sem a rotina que o sustenta, é o mais caro de operar.

Novo, seminovo revisado ou reformado

A leitura corrente do mercado trata equipamento novo como escolha segura e seminovo como economia com risco embutido. Mais de quarenta anos trabalhando com sistemas de água gelada apontam um critério mais útil: o que determina a confiabilidade de um chiller é o regime em que ele operou, a revisão executada e a existência de garantia e assistência sobre ela — não a data de fabricação.

A verificação é objetiva. A análise laboratorial do óleo do compressor é o exame de maior valor preditivo: a acidez indica degradação térmica do lubrificante e do isolamento, o teor de umidade indica entrada de ar ou falha do secador, e os metais de desgaste indicam desgaste interno em curso. As aproximações medidas nos trocadores quantificam a capacidade perdida por incrustação, e a maior parte dela é recuperável por limpeza. A resistência de isolamento dos enrolamentos, comparada ao histórico, informa sobre o motor. Um teste de desempenho sob carga, com as medições registradas, fecha o quadro.

Um equipamento aprovado nessas verificações atende o mesmo processo por uma fração do investimento — a economia frente ao equivalente novo chega à metade do valor — e está pronto para instalação, sem prazo de fabricação. Um chiller novo mal dimensionado, por outro lado, continua mal dimensionado.

Chillers na Controlcal

A Controlcal atua há mais de quarenta anos em projeto, instalação, automação e manutenção de sistemas de água gelada e climatização, em São Paulo, com base na Mooca. A seleção parte da carga medida no seu processo, da temperatura exigida e das condições do local, e inclui o circuito que vai receber o equipamento — porque vazão insuficiente e volume de inércia pequeno produzem os mesmos sintomas de um chiller inadequado.

Trabalhamos com equipamentos novos, seminovos revisados com garantia e reformados, para venda, locação ou permuta. Depois da partida, a manutenção preventiva e corretiva e a análise de eficiência energética acompanham as aproximações, as pressões de trabalho e o consumo por tonelada removida — os números que dizem se o desempenho de projeto continua de pé.