aula 7 refrigeração e bombeamento de calor

MEC202 Termodinâmica Avançada

Universidade Federal do ABC P O S M E C

Aula 7 Refrigeração e bombeamento de calor

MEC202


Refrigeração

• Transferência de calor a partir de uma região de temperatura mais baixa para uma região com temperatura mais elevada.

• Dispositivos que produzem de refrigeração são chamados refrigeradores .

• Os ciclos em que operam são chamados ciclos de refrigeração.


Refrigeração

• O ciclo de refrigeração mais frequentemente utilizado é o ciclo de refrigeração de compressão de vapor no qual o refrigerante é vaporizado e condensado alternadamente e é comprimido na fase de vapor.

• Outro ciclo de refrigeração conhecido é o ciclo de refrigeração em que o gás refrigerante permanece na fase gasosa durante todo o ciclo.


Outros ciclos de refrigeração

• Refrigeração em cascata – mais de um ciclo de refrigeração é usado

• Refrigeração por absorção – o refrigerante é dissolvida em um líquido antes de

ser comprimido.

• Refrigeração termoelétrica – refrigeração é produzida pela passagem de

corrente elétrica através de dois materiais diferentes.


Refrigeradores e bombas de calor

• O objetivo de um refrigerador é retirar calor (QL) de um meio frio.

Meio quente

R

Espaço refrigerado

QL

Wnet ,in

QH


Espaço aquecido

Refrigeradores e bombas de calor

• O objetivo de uma bomba de calor é fornecer calor (QH) para aquecer um meio.

Meio frio

HP

QL

Wnet ,in

QH


Coeficiente de performance

Para valores fixos de QL e QH


Capacidade de refrigeração

• Taxa de remoção de calor a partir do espaço refrigerado.

• Expresso em termos de toneladas de refrigeração.

• A capacidade de refrigeração de um sistema capaz de congelar uma tonelada de água líquida a 0°C em gelo a 0°C em 24 h é “uma tonelada de refrigeração”.

• Uma tonelada de refrigeração é equivalente a 211 kJ/min ou 200 Btu/min.

• A carga de refrigeração de uma residência típica de 200 m2 é de 3-ton (10 kW).


O CICLO DE CARNOT INVERTIDO


O ciclo de Carnot invertido

• O ciclo de Carnot é completamente reversível pois consiste em dois processos isotérmicos e dois processos isentrópicos.

• Tem a máxima eficiência térmica para os limites de temperatura indicados, e serve como um padrão para a comparação dos ciclos de energia real.

//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/80/Sadi_Carnot.jpeg

//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/80/Sadi_Carnot.jpeg



• Sendo de um ciclo reversível, todos os quatro processos que constituem o ciclo de Carnot pode ser revertidos.

• Invertendo-se o ciclo se também se invertem as entradas e saídas de calor e interações de trabalho.



• O resultado é um ciclo que opera no sentido anti-horário sobre um diagrama T-S.

• Um refrigerador ou bomba de calor que opera sobre o ciclo de Carnot invertido é chamado um refrigerador de Carnot ou uma bomba de calor de Carnot.


O ciclo de Carnot invertido: Diagrama T-S



1-2: O refrigerante absorve o calor isotermicamente a partir de uma fonte de baixa temperatura.

2-3: É comprimido para o estado 3 isentropicamente.

3-4: Rejeita calor isotermicamente para um dissipador de alta temperatura

4-3: Expande-se isentropicamente para o estado 1.



• Durante o processo 3-4, o refrigerante muda de um estado de vapor saturado para um líquido saturado


Coeficiente de performance do ciclo de Carnot invertido


Mas...

• O ciclo de Carnot invertido é o ciclo de refrigeração de funcionamento mais eficiente entre dois níveis de temperatura dados.

• É natural que seja o primeiro ciclo prospectivo ideal para frigoríficos e bombas de calor.

• No entanto, o ciclo de Carnot invertido não é um modelo adequado para ciclos de refrigeração.


1-2 e 3-4: OK

• Os dois processos de transferência de calor isotérmicos não são difíceis de conseguir na prática, pois a manutenção de uma pressão constante corrige automaticamente a temperatura de uma mistura de duas fases em saturação.

• Portanto, os processos 1-2 e 3-4 pode ser obtidos em evaporadores e condensadores reais.


2-3 e 4-1: não OK

• Os processos 2-3 e 4-1 não podem ser obtidos facilmente na prática.

• O processo 2-3 envolve a compressão de uma mistura de líquido-vapor, o que requer um compressor que lida com duas fases.

• O processo 4-1 exige uma turbina para expansão do refrigerante com alto teor de alta humidade.


O CICLO DE REFRIGERAÇÃO IDEAL DE COMPRESSÃO DE VAPOR


Pequenas mudanças

• Muitas das dificuldades práticas associadas com o ciclo de Carnot invertido podem ser eliminadas por

1. vaporização completa do refrigerante antes de ser comprimido.

2. pela substituição da turbina por um dispositivo de estrangulamento, tal como uma válvula de expansão ou o tubo capilar.


Alexander Catlin Twining

• Inventor da geladeira.

• Patenteou um sistema de refrigeração a base de compressão de vapor no início de 1853, que era totalmente capaz de produzir uma tonelada de gelo por dia.


“Ideal vapor-compression refrigeration cycle”

O ciclo de refrigeração de compressão de vapor é o mais utilizado em geladeiras, sistemas de ar condicionado e bombas de calor.


Ciclo ideal de refrigeração de compressão de vapor


Ciclo de refrigeração

1-2 compressão isentrópica (compressor)

2-3 de rejeição de calor a pressão constante (condensador)

3-4 expansão

4-1 absorção de calor a pressão constante (evaporador)


Aumento do COP

• A área sob a curva em um diagrama T-S representa a transferência de calor para os processos internamente reversíveis.

• A área sob a curva de processo 4-1 representa o calor absorvido pelo refrigerante no evaporador, e a área sob a curva de processo 2-3 representa o calor rejeitado no condensador.

• A regra geral é que a COP aumenta em cerca de 2% a 4% por cada °C (intervalo entre a temperatura de evaporação e a temperatura de condensação).


Coeficiente de performance do ciclo de refrigeração ideal


O CICLO DE REFRIGERAÇÃO REAL


Ciclo ideal de refrigeração de compressão de vapor


Desvios do ciclo ideal

• No ciclo ideal, o refrigerante sai do evaporador e entra no compressor como vapor saturado. Na prática, no entanto, pode não ser possível controlar o estado do refrigerante com tanta precisão.

• Em vez disso, é mais fácil para a concepção do sistema, de modo que o refrigerante seja ligeiramente superaquecido na entrada do compressor.

• Isso assegura que o refrigerante seja completamente vaporizado quando entra no compressor.


Perdas energéticas

• Além disso, a linha que liga o evaporador ao compressor é normalmente muito longa.

• A queda de pressão provocada pelo atrito do fluido e de transferência de calor do ambiente para o fluido refrigerante pode ser muito significativo.

• O resultado de ganho de sobreaquecimento, o calor da linha de ligação, e a queda de pressão no evaporador e na linha de conexão é um aumento do volume específico.

• Logo, há um aumento dos requisitos de entrada de energia para o compressor proporcional ao novo volume específico.


ESCOLHA DO REFRIGERANTE


Refrigerantes

• Existem vários refrigerantes no mercado: – Clorofluorocarbonetos (CFC)

– Amônia

– Hidrocarbonetos (propano, etano, etileno, etc)

– Dióxido de carbono do ar (no ar condicionado de aeronaves)

– Água (aplicações acima do ponto de congelamento).

Eu prefiro éter etílico!


Características desejáveis de um fluido refrigerante (1)

• O intervalo de pressão correspondente às temperaturas no evaporador e no condensador deve ser pequeno, a fim de reduzir o trabalho de compressão.

• A pressão do vapor dever ser baixa para reduzir o custo do condensador, sendo, porém, superior à pressão atmosférica, para que o ar não possa vazar para o interior do evaporador.



• O calor latente de vaporização deve ser alto a fim de que o fluxo (em massa) do refrigerante possa ser baixo.

• Analogamente, um baixo calor específico na fase líquida reduz o grau de vaporização no processo de estrangulamento na fase líquida reduz o grau de vaporização no processo de estrangulamento e resulta de mais calor do evaporador.

• Isso leva a uma redução de fluxo.



• As característica do refrigerante deve ser tais que sejam possíveis taxas elevadas de transferência de calor e temperaturas cômodas.

• Caracaterística especialmente desejável consiste em ponto crítico bem acima da temperatura elevada (TH) do ciclo, para que o refrigerante, ao entrar no condensador, esteja próximo da região de duas fases.

• Desta forma, podem ser exploradas maiores taxas de transferência de calor isotérmico, com maior tendência à irreversibilidade.



• O refrigerante deve ser de baixo custo, estável, inerte, não tóxico e não deve congelar nas temperaturas mais baixas do processo.


Exemplo: R407C

O R-407C é uma mistura de hidrofluorocarbonetos utilizados como um refrigerante.

É uma mistura azeotrópica de difluorometano (R-32), pentafluoroetano (R-125), e 1,1,1,2-tetrafluoroetano (R-134a).

• difluorometano: fornece a capacidade de calor

• Pentafluoroetano: diminiu a inflamabilidade

• Tetrafluoroetano: reduz a pressão

//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b7/R407C_eng.PNG


Tabela de refrigerantes


BOMBAS DE CALOR


Bombas de calor

• A fonte de energia mais comum para as bombas de calor é a atmosférica do ar (ar de sistemas de ar).

• O principal problema com os sistemas a base de ar é o congelamento, quando a temperatura cai abaixo de 2 ou 5 ° C.

• A acumulação de gelo nas serpentinas do evaporador é altamente indesejável pois pode prejudicar seriamente a transferência de calor.

• As bobinas podem ser descongeladas, no entanto, através da inversão do ciclo da bomba de calor (poperando como um condicionador de ar).


Modo “aquecimento”


Modo “refrigeração”


SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO A COMPRESSÃO DE VAPOR INOVADORES


Sistemas em cascata


Performance

Um sistema de refrigeração em cascata melhora o COP.

Alguns sistemas de refrigeração usar três ou quatro etapas da cascata.


Sistemas de refrigeração multiestagiados

• Quando o fluido usado em todo o sistema de refrigeração em cascata é o mesmo, o trocador de calor entre as fases pode ser substituído por uma câmara de mistura (chamada câmara flash), uma vez que tem melhores características de transferência de calor.

• Tais sistemas são chamados sistemas de refrigeração de múltiplos estágios de compressão.


Sistemas de refrigeração multiestagiados


CICLO DE REFRIGERAÇÃO A GÁS: O CICLO BRAYTON INVERTIDO


O ciclo Brayton invertido


Ciclo Brayton invertido aberto


Ciclo Brayton invertido com regeneração


Na próxima aula...

Relações termodinâmicas!

aula 7 refrigeração e bombeamento de calor

Documents