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Refrigeracao e Ar CondicionadoIntroducao aos Ciclos Refrigeracao por Compressao de Vapor

Filipe Fernandes de Paulafilipe.paula@engenharia.ufjf.br

Departamento de Engenharia de Producao e MecanicaFaculdade de Engenharia

Universidade Federal de Juiz de Fora

Engenharia Mecanica

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Introducao

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Introducao

I O ciclo de Carnot e um importante ciclo termodinamico teorico,pois nos permite estudar de modo simplificado os principaisprocessos de um ciclo de potencia e refrigeracao;

I Mesmo sendo seus processos idealizados, e possıvel, atraves do ciclode Carnot, tirar conclusoes sobres ciclos de potencia e refrigeracaoque podem ser estendidas para os ciclos reais;

I Sera utilizado o ciclo de Carnot com mudanca de fase, por ser maisapropriado para o ciclo de refrigeracao.

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Ciclo de Carnot de Potencia

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Ciclo de Carnot de PotenciaI O ciclo de Carnot e um ciclo termodinamico em que todos seus

processos sao reversıveis;I E composto pelos seguintes processos:

I 1 - 2: O gas sofre uma compressao adiabatica, mudando suatemperatura e pressao;

I 2 - 3: O gas e expandido isotermicamente, recebendo calor QH doreservatorio quente;

I 3 - 4: O gas continua a ser expandido adiabaticamente;I 4 - 1: O gas e comprimido isotermicamente ate seu estado inicial,

transferindo energia QL para o reservatorio frio.

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Ciclo de Carnot de Potencia

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Ciclo de Carnot de Potencia

I A eficiencia do ciclo de Carnot pode ser calculada utilizando a

seguinte relacao:

ηCarnot = 1 − TL

TH

I O ciclo de Carnot e o ciclo mais eficiente possıvel que pode operar

entre dois reservatorios determinados;

ηCarnot ≥ ηqualquer

I Todos os motores operando segundo o ciclo de Carnot entre dois

reservatorios de temperaturas constantes, possuem a mesmo

eficiencia.

ηCarnot,1 = ηCarnot,2

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Ciclo de Carnot de Potencia

I O ciclo de Carnot tambem pode ser utilizado com fluidos detrabalho com mudanca de fase;

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Ciclo de Carnot de Refrigeracao

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Introducao

I Como visto antes, o ciclo de Carnot e o ciclo termodinamico depotencia com maior rendimento, isso tambem e valido para o cicloinverso, ou seja, ciclo de refrigeracao;

I O fluido de trabalho utilizado em ciclos de compressao sao fluidoschamados de refrigerantes, e possuem caracterısticas que permitemuma maior eficiencia do ciclo;

I O intervalo de pressao correspondente as temperaturas no evaporadore no condensador deve ser pequeno, a fim de reduzir o trabalho decompressao;

I A pressao do vapor dever ser baixa para reduzir o custo docondensador, mas superior a pressao atmosferica, para que o ar naonao infliltre no evaporador;

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Introducao

I Um ciclo de refrigeracao possui quatro principais componentes:I Evaporador - Trocador de calor responsavel por remover calor do

ambiente a ser refrigerado;I Condensador - Trocador de calor responsavel por ceder calor do

refrigerante;I Compressor - Responsavel pelo aumento de pressao da mistura

vapor-lıquido que sai do evaporador;I Dispositivo de expansao - Responsavel pela queda de pressao e

expansao do lıquido apos sair do condensador;

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Ciclo de Carnot de RefrigeracaoI 1 - 2: Compressao adiabatica;I 2 - 3: Rejeicao de calor isotermica;I 3 - 4: Expancao adiabatica;I 4 - 1: Absorcao de calor isotermica.

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Ciclo de Carnot de RefrigeracaoI Coeficiente de Desempenho (COP)

I A razao entre o efeito de refrigeracao (no evaporador) e o trabalholıquido necessario para atingir este efeito.

βCarnot =Qevaporador

Wcompressor − Wturbina

=TC

TH − TC

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Impraticidades do Ciclo de Carnot

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Transferencia de Calor sem Variacao de TemperaturaI As trocas de Calor no Evaporador e Condensador ocorrem sem

variacao de temperatura, devido a necessidade do processo serreversıvel;

I Na realidade, existe variacao de temperatura entre ocondensador/evaporador e o reservatorio;

I Esse fato gera irreverssibilidades que diminuem o COP do ciclo.

β′

=T

′C

T′H − T

′C

βcarnot > β′

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Compressao UmidaI O processo de compressao ocorre com uma mistura de vapor e

lıquido (compressao umida);I A presenca de lıquido no processo de compressao danifica o

compressor;I A compressao seca no ciclo de Carnot poderia ser obtida

utilizando-se dois compressores: um isentropico e outro isotermico;

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Compressao Umida

I Apesar de evitar a compressao umida, este ciclo de Carnotmodificado nao teria utilidade pratica, pois:

I Dificuldade de se obter compressao isotermica utilizandocompressores em rotacao elevada;

I A utilizacao de dois compressores ao inves de um, em geral, nao sejustifica economicamente.

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Baixa Eficiencia e pouco Trabalho na TurbinaI O processo de expansao na turbina de mistura lıquido-vapor com

baixo tıtulo produz um valor pequeno de potencia;I A operacao de turbinas nestas condicoes resultaria em baixa

eficiencia.

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Exemplo

I Exemplo 1 - Refrigerante 22 e o fluido de trabalho de um ciclo deCarnot de refrigeracao em regime permanente. O refrigerante entrano condensador como vapor saturado a 32°C e sai como lıquidosaturado. O evaporador opera a 0°C . Qual o coeficiente dedesempenho do ciclo? Determine, em kJ/kg de refrigerante,

(a) Trabalho do compressor;(b) O trabalho extraıdo da turbina;(c) O calor transferido para o refrigerante no evaporador.

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Exemplo

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