ciclo real de refrigeração

7/26/2019 Ciclo real de refrigerao

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Refrigerao Captulo 3 Pg. 1

Captulo 3 - Ciclo Real de Refrigerao

O ciclo real de refrigerao difere do ciclo padro devido, principalmente, presena deirreversibilidades que ocorrem em vrios componentes. Duas formas comuns deirreversibilidades so: atrito no escoamento do refrigerante (perda de presso) e transferncia decalor entre o refrigerante e os seus ambientes, em todos os componentes.

O processo de compresso real difere substancialmente da compresso isoentrpicaassumida no incio. O fluido de trabalho no uma substncia pura, mas sim uma mistura entrerefrigerante e leo. Cada irreversibilidade no sistema requer trabalho adicional no compressor,diminuindo a eficincia do ciclo.

Na Figura 3.1 mostrada uma representao do ciclo real de refrigerao, com algumasdessas irreversibilidades, em um diagrama pxh em comparao ao ciclo padro para as mesmascondies de operao.

Figura 3.1. Representao do ciclo real de refrigerao em relao ao ciclo padro.

Figura 3.2. Irreversibilidades presentes em um ciclo de refrigerao real.


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Os ciclos analisados at agora so internamente reversveis. Os ciclos atuais apresentamvrias irreversibilidades, tais como:

i. Perda de presso no evaporador, condensador e LSHX;ii. Perda de presso atravs das vlvulas de suco e descarga do compressor;iii. Transferncia de calor no compressor (processo no adiabtico);

iv.

Perda de presso e transferncia de calor nas tubulaes.

Na Fig. 3.2 so mostradas essas irreversibilidades em um diagrama pxh, conformedescritas na Tab. 3.1.

Tabela 3.1. Irreversibilidades internas presentes em um ciclo de refrigerao real.

Processos EstadosPerda de presso do evaporador 4-1dSuperaquecimento do vapor no evaporador 1d-1c

Superaquecimento intil na linha de suco 1c-1bPerda de presso na linha de suco 1b-1aPerda de presso na vlvula de suco 1a-1Compresso no-isoentrpica 1-2Perda de presso na vlvula de descarga 2-2aPerda de presso na tubulao de descarga 2a-2bDesuperaquecimento do vapor na tubulao de descarga 2b-2cPerda de presso no condensador 2c-3Subresfriamento do refrigerante na sada do condensador 3-3aGanho de calor na linha de lquido 3a-3b

3.1. Transferncia de calor e queda de presso entre os componentes do ciclo

Diversos processos acontecem em um ciclo de refrigerao que impactam no seudesempenho. A maioria desses processos est relacionada com a transferncia de calor e areduo da presso durante o escoamento do refrigerante. Na Fig. 3.3 apresenta-se o diagramapresso vs. entalpia de um sistema real de simples estgio em relao ao ciclo padro operandoentre as mesmas duas temperaturas.

Figura 3.3. Diagrama presso vs. entalpia de um sistema real de simples estgio em relao aociclo padro operando entre as mesmas duas temperaturas.

TC=const.

TE=const.


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A anlise da transferncia de calor na tubulao feita em trs etapas, considerando alinha de suco, linha de descarga e linha de lquido na sada do condensador, conformemostrado na Fig. 3.4.

Figura 3.4. Localizao das linhas de lquido, suco e de descarga emum sistema de refrigerao.

3.1.1. Tubulao de suco

Em geral, a temperatura do refrigerante na suco do compressor inferior temperaturado meio externo e, consequentemente, se estabelece um fluxo de calor nessa direo. Tanto atransferncia de calor quanto a perda de presso nessa linha afeta o desempenho do compressor.

O ganho de calor na linha considerado como um efeito de refrigerao intil, pois

acontece fora do ambiente refrigerado. A transferncia de calor pode ser minimizada atravs deum adequado isolamento trmico.

Ao aumentar a temperatura do refrigerante, o seu volume especfico tambm aumenta e,consequentemente, deve aumentar o deslocamento volumtrico do compressor para uma mesmacapacidade de refrigerao ou, para um mesmo compressor, h uma reduo de sua capacidade.

Para compressores alternativos, esse superaquecimento aumenta levemente o rendimentovolumtrico, v, aumentando a capacidade de refrigerao. No entanto, o superaquecimentodever ser analisado para cada refrigerante.

A queda de presso na tubulao de suco sempre prejudicial. Ao reduzir a presso, ovolume especfico do refrigerante, v1, aumenta, assim como a razo de compresso, pC/pE,

aumentando o trabalho necessrio.Aumentando o volume especfico o efeito de refrigerao volumtrico ( ) 141 vhh diminui, o que implica em uma diminuio da capacidade do compressor.

Como o aumento da razo de compresso, o rendimento volumtrico do compressordiminui. Ao mesmo tempo, reduzindo a presso na suco, a variao entre as entalpias (h2-h1)aumenta e como o efeito especfico de refrigerao no se altera (h1-h4), o COPdiminui.

A queda de presso pode ser reduzida aumentando o dimetro da tubulao de suco,reduzindo a velocidade de escoamento do refrigerante. No entanto, deve-se considerar umavelocidade mnima de escoamento para que haja retorno do leo de lubrificao ao compressor.

3.1.2. Tubulao de descarga

A temperatura do refrigerante na tubulao de descarga (na sada do compressor)geralmente superior temperatura do meio. Nesse caso, a transferncia de calor no afeta o


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desempenho do ciclo, apenas diminuindo o desuperaquecimento necessrio na entrada docondensador.

A queda de presso nessa linha aumenta o trabalho especfico de compresso (h2-h1),reduzindo o rendimento volumtrico do compressor.

3.1.3. Tubulao de lquido na sada do condensador

Na regio de alta presso, entre o condensador e o dispositivo de expanso, qualquertransferncia de calor nessa linha, do refrigerante para o meio, reduz sua temperatura,aumentando o subresfriamento e, consequentemente, o efeito de refrigerao especfico com oaumento do COP.

Quando a temperatura do ambiente for maior que a temperatura de condensao, inverte osentido do fluxo de calor. Nessa situao, h uma vaporizao parcial do lquido refrigerante coma reduo do efeito de refrigerao especfico. Tambm h um aumento do volume especfico dorefrigerante, devido a formao de vapor, prejudicando a operao do dispositivo de expanso e

reduzindo sua capacidade.Com a reduo da presso nessa linha devido ao atrito ou por diferena de alturas,tambm acontece a vaporizao parcial do lquido refrigerante com diminuio da capacidade derefrigerao e reduzindo a capacidade do dispositivo de expanso.

Na regio de baixa presso o efeito no significativo. Em primeiro lugar, o dispositivode expanso est localizado, geralmente, nas proximidades do evaporador e dentro do espaorefrigerado. Nessa situao, a transferncia de calor para o dispositivo de expanso ou para atubulao est includa no efeito de refrigerao. Se houver troca trmica com o meio externo,haver uma reduo do efeito de refrigerao especfico.

Entre o dispositivo de expanso e o evaporador, a queda de presso no significativa,com exceo para a situao onde utilizado um distribuidor de lquido. Nesse caso deve-se

considerar essa queda de presso, principalmente para o dimensionamento do dispositivo deexpanso. De qualquer forma, essa queda de presso no afeta o desempenho do sistema.

3.2. Aplicao da 2. Lei da Termodinmica em ciclos de refrigerao

O conceito de irreversibilidade fornece informaes sobre a operao dos ciclos. Porexemplo, quanto maior for a irreversibilidade em um ciclo de refrigerao operando com umadada capacidade de refrigerao entre dois nveis fixos de temperatura, maior ser a quantidadede trabalho necessria para operar o ciclo. As irreversibilidades incluem perdas de presso nas

linhas e trocadores de calor, transferncia de calor entre fluidos com diferentes temperaturasalm do atrito mecnico. Reduzindo a irreversibilidade total em um ciclo melhora-se o seudesempenho. Na condio limite e ausncia de irreversibilidades, o ciclo atingiria sua condioideal de rendimento mximo.

A segunda lei da termodinmica diferencia e quantifica os processos que somenteocorrem em uma dada direo (irreversveis) em relao aos reversveis. A segunda lei pode serescrita de diversas formas. A que ser utilizada aqui a que utiliza o fluxo de entropia em umsistema aberto e a irreversibilidade associada com o processo, conforme a Eq. (3.1).

{

{

32

1

&

4444 34444 21

&&&

++= s

ss

e

ee

j j

jvc smsm

T

Q

dt

dS (3.1)


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Os termos assinalados nessa equao representam, conforme a ordem:

1 Taxa de variao de entropia no volume de controle durante o tempo dt;2 Taxa de transferncia de entropia, s, para dentro e/ou para fora do volume de controle,respectivamente, que acompanha o fluxo de massa. Nesse termo,

j

Q& representa a taxa temporal

de transferncia de calor na posio de fronteira, onde a temperatura instantnea Tje a razoentre esses dois termos tambm representa uma taxa de transferncia de entropia. Nessa equaoos sub-ndices ee sindicam entrada e sada, respectivamente.3 Taxa de produo ou gerao de entropia devida a irreversibilidade no interior do volume decontrole.

Para um processo operando em regime permanente, com uma entrada e uma sada econsiderando que o fluxo de calor acontea com apenas uma temperatura de referncia, TR, a Eq.(3.1) pode ser simplificada como:

( )R

esT

Qssm

&&& = (3.2)

3.3. Superaquecimento

No ciclo padro, o compressor succiona o refrigerante desde o estado de vapor saturadona sada do evaporador. Na prtica, o controle deste estado pode no ser suficientemente precisoo que implicaria, eventualmente, na entrada de pequenas gotas de lquido no compressor.

A entrada de lquido no compressor pode dar origem a alguns problemas. Os principaisso: a diluio do leo de lubrificao pela presena de refrigerante lquido nas paredes dos

cilindros em compressores alternativos. Tal diluio acarreta uma significativa reduo daeficincia de lubrificao do leo. Outro problema causado pela presena de refrigerante lquidonos cilindros est relacionado com a possibilidade de ocorrncia de danos nas vlvulas,resultantes da ao de eroso promovida pelo lquido.

Nos circuitos onde se utiliza vlvula de expanso termosttica, o refrigerante na sada doevaporador se encontra no estado de vapor superaquecido. O superaquecimento pode acontecertambm em funo da transferncia de calor entre o meio e o refrigerante durante seu percursodesde a sada do evaporador at a suco do compressor.

Figura 3.5. Representao do processo de superaquecimento em um diagrama pxh.

P

h

1


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Em relao ao desempenho do ciclo, o papel do superaquecimento importante. Se osuperaquecimento acontece ainda dentro do meio refrigerado (final do evaporador) tanto o efeitode refrigerao, QE, quanto o trabalho mecnico, Wm, aumentam. Se o superaquecimentoacontecer posteriormente, na tubulao de suco devido ao efeito da transferncia de calor domeio externo para o refrigerante, somente o trabalho mecnico aumenta.

O superaquecimento aumenta a temperatura final da compresso, necessitando assim umarea maior do condensador. Da mesma forma o superaquecimento aumenta o volume especficodo refrigerante aspirado pelo compressor, reduzindo sua capacidade. Na Fig. 3.5 apresenta-se oprocesso de superaquecimento em um diagrama pxh.

interessante observar que as propriedades termodinmicas dos distintos refrigerantespodem influir no efeito do superaquecimento do vapor. Para refrigerantes que apresentam umalinha de vapor saturado prximo de uma isoentrpica (caso dos halogenados) osuperaquecimento favorvel. Para o caso do R-717 (amnia) pode-se observar, por meio de umdiagrama pxh, que as linhas de entropia constante afastam-se muito da linha de vapor saturado, oque implica em uma temperatura de descarga extremamente elevada.

Quando a absoro de calor acontece ainda dentro do meio refrigerado (final doevaporador) o superaquecimento chamado de til, alterando o efeito de refrigerao, isto , QEaumenta e W12aumenta, no alterando significativamente o COPda instalao.

Quando o aquecimento acontece posteriormente, na linha de retorno, chamado de intile s W12 aumenta, diminuindo assim o COP. Da aparece a necessidade de isolar-seadequadamente a linha de retorno do refrigerante ao compressor. Esses efeitos so mostrados naFig. 3.6.

Figura 3.6. Efeitos do superaquecimento para o aumento do trabalho de compresso e aumentodo efeito de refrigerao em um diagrama Txs.

Os valores recomendados de superaquecimento para instalaes operando comrefrigerantes halogenados de 3 C a 10 C. Para sistemas de alta temperatura, operando entre55 C no condensador e 7 C no evaporador, o superaquecimento recomendado em torno de10 C; para sistemas de mdia temperatura, operando entre 40 C/-10 C de 6 a 7 C e parasistemas de baixa temperatura, operando entre 40 C/-35 C, o superaquecimento recomendado em torno de 3 a 5 C.

Uma das formas de obter o superaquecimento atravs do uso de uma vlvula deexpanso termosttica, conforme descrio esquemtica apresentada na Fig. 3.7. A abertura da

1

Aumento do trabalhode compresso

Aumento do efeito derefrigerao

h


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vlvula controlada pela presso (temperatura) do refrigerante na sada do evaporador. Dessaforma, o grau de superaquecimento controlado pela presso da mola existente nessa vlvula.

Figura 3.7. Esquema de operao de uma vlvula de expanso termosttica que controla osuperaquecimento na sada do evaporador.

3.4. Subresfriamento

No ciclo padro, assume-se que o refrigerante na sada do condensador esteja no estadode lquido saturado, na presso de sada do compressor. No ciclo real inevitvel que hajaalguma perda de carga na linha de lquido ou mesmo transferncia de calor do meio externo para

o refrigerante, provocando uma vaporizao parcial do lquido, restringindo o escoamentoatravs do dispositivo de expanso, prejudicando o desempenho do ciclo. Como tambm difcilcontrolar perfeitamente a condio de sada do refrigerante do condensador, estado 3, opta-seento por subresfri-lo. O processo de subresfriamento (3-3) mostrado na Fig. 3.8.

Figura 3.8. Processo de subresfriamento representado em um diagrama pxh.

Desta forma, o refrigerante entra no evaporador com uma entalpia menor o que aumentalevemente o efeito de refrigerao, QE. Esse ganho resultado da reduo das perdas noestrangulamento do dispositivo de expanso, sem custo adicional de trabalho mecnico. Na Fig.

h


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3.9 pode ser vista a representao desse processo em um diagrama Txs. Como pode ser visto,sem subresfriamento essas perdas so representadas pela rea b-4-4-c enquanto que comsubsresfriamento so representadas pela rea a-4-4-b. Assim, o efeito de refrigerao tem umaumento proporcional a (h4-h4)=(h3-h3). O aumento do efeito de refrigerao (h3-h3) dependedo calor especfico do lquido saturado, cp,l. Por exemplo, o R-717 possui o valor cp,l entre os

refrigerante comumente utilizados, apresentando uma diferena de entalpia maior para o mesmoTna sada do condensador.

Figura 3.9. Efeito do subresfriamento no aumento do efeito de refrigerao.

No entanto, a principal vantagem do subresfriamento reside, conforme referidoanteriormente, na perda de carga adicional que pode existir na linha de lquido sem que haja amudana de fase do refrigerante, garantindo que entre somente lquido no dispositivo deexpanso.

O subresfriamento depende do condensador e da diferena entre a temperatura decondensao e a temperatura de entrada do fluido externo, como mostrado na Fig. 3.10.

Figura 3.10. Efeito da temperatura do fluido no subresfriamento na sada do condensador.

S


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Para o caso de uma vazo infinita, Tw2= Tw1, aumenta a diferena de temperaturas, mas ocusto de bombeamento torna-se elevado. O desuperaquecimento e a condensao no acontecemem regies distintas, como mostrado na Fig. 3.x, pois os processos so simultneos. Com autilizao da vazo mnima no ocorre condensao na regio de superaquecimento e o Tentreo refrigerante e o fluido de resfriamento pequena. Isso conduz a um aumento da rea de troca

trmica e ao aumento do custo. Na prtica, utiliza-se uma diferena de temperatura (Tw2 - Tw1)entre 5 e 10 K e uma diferena entre (Tc Tw2) entre 2 a 3 K, chamada de aproximao ouapproach. Assim, a temperatura do fluido externo suficientemente baixa para promover osubresfriamento.

O subresfriamento obtido na prtica atravs do super dimensionamento do condensador,no posicionamento adequado das entradas e sadas do refrigerante e o fluido de troca trmica ouatravs de um trocador de calor adicional (sub-resfriador) colocado na sada do condensador,com fluido de resfriamento independente ou mesmo com a gua de condensao antes de ir aocondensador. Quando o subresfriamento se d a custa de uma fonte de calor externa:

4343 e == hhhh ' (3.3)e

4433 = hhhh (3.4)

ento

12

41

12

41

hh

hh

hh

hhCOP

>

=

(3.5)

ou seja, h um aumento do efeito de refrigerao sem que haja alterao do trabalho mecnico decompresso. benfico para qualquer refrigerante e conveniente (devido s variaesclimticas).

As propriedades do lquido subresfriado (ou comprimido) geralmente no so fornecidasnas tabelas de propriedades termodinmicas. Nesse caso, calcula-se a entalpia do lquidocomprimido como mostrado na Eq. 3.6.

( )lcll ppvhh 33 += (3.6)

onde hl a entalpia do lquido saturado na sada do condensador, vl o volume especfico dolquido saturado na mesma condio, Pca presso de condensao e P3,la presso de saturaona temperatura do refrigerante subresfriado. Como a diferena entre as presses muito pequena,

para os refrigerantes que trabalham afastados do ponto crtico, utiliza-se diretamente a Eq. 3.7.

l,hh 33 = (3.7)

ou seja, a entalpia do refrigerante subresfriado igual entalpia do refrigerante saturado, natemperatura de subresfriamento.

3.5. Trocador de calor LSHX

Na Fig. 3.11 so mostrados esses dois processos, subresfriamento e superaquecimento,em um diagrama pxh sobrepostos ao ciclo padro.


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Figura 3.11. Representao do processo de superaquecimento (1-2) e o de subresfriamento(3-4) em relao ao ciclo padro.

Em instalaes pequenas, usual encontrar-se uma soluo bastante interessante paraconseguir, simultaneamente, tanto o superaquecimento quanto o resfriamento. Essa soluo estrepresentada na Fig. 3.12 e consiste em colocar um trocador de calor (geralmente chamadoLSHX line suction heat exchanger) unindo termicamente a linha de lquido e a linha deretorno.

Figura 3.12. Trocador de calor colocado entre a linha de lquido e a linha de retorno, promovendosimultaneamente o superaquecimento e o subresfriamento do refrigerante.

Uma soluo ainda mais simples e barata substituir o trocador de calor pelo contatoentre as duas tubulaes, formando um trocador de calor tipo contra-corrente.

Como observao final importante lembrar que a instalao de um trocador de calor,como o representado na Fig. 3.12, no apresenta necessariamente um ganho no desempenho dociclo. Cada refrigerante apresenta comportamento distinto em relao ao superaquecimento e aosubresfriamento que necessita ser analisado cuidadosamente.

Para maiores informaes ler: Domanski, P.A., Theoretical evaluation of the vapor compression cycle with aliquid-sine/suction-line heat exchanger, economizer, and ejector. NISTI 5606. National Institute of Standards andTechnology, 1995, 31p.

1

2

3

4 1


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A modificao imposta ao ciclo pela presena desse trocador pode ser vista na Fig. 3.13(a e b).

Figura 3.13. Modificao do ciclo padro pela introduo do trocador de calor na linha delquido-suco do compressor representada em um (a) diagrama Txs e (b) diagrama pxh.

Assumindo-se que no haja transferncia de calor entre o meio e o trocador de calor edesprezando-se variaes de energia cintica e potencial atravs do mesmo, o calor transferidoentre o refrigerante lquido e o vapor no trocador de calor (LSHX) dado pela Eq. 3.8:

( ) ( )1133 hhmhhmQLSHX == &&& (3.8)

resultando em:

( ) 1133 hhhh

= (3.9)

Tomando-se valores mdios dos calores especficos para o vapor e o lquido, a Eq. 3.10pode ser escrita como:

( ) ( )11,33, TTcTTc vplp = (3.10)

Como o calor especfico do lquido (cp,l) maior que o do vapor (cp,v), isto : cp,l> cp,v,pode-se escrever que:

( ) ( )1133 TTTT


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( )

( )

( )

( )13

11

13,

11,

TT

TT

TTcm

TTcm

Q

Q

vp

vp

mx

realLSHX

=

==

&

&

&

& (3.12)

A taxa de transferncia de calor mxima igual a ( )13, ( TTcmQ vpmx = && porque o

vapor possui uma capacidade trmica menor e somente ele pode atingir a mxima diferena detemperatura possvel, que (T3-T1). Para um trocador de calor perfeito com 100% de efetividade(LSHX= 1) e a partir das discusses anteriores, a temperatura do refrigerante (vapor) na sada dotrocador seria igual temperatura de condensao, TC, isto : (T1`= T3= TC).

3.6. Tanque separador ou reservatrio de baixa presso

Em algumas instalaes possvel utilizar um tanque separador, tambm chamado dereservatrio de baixa presso, conforme pode ser visto na Fig. 3.14.

O reservatrio de baixa presso nada mais que um vaso colocado na linha de suco docompressor. Sua funo separar as fases vapor/lquido na sada do evaporador. Conformerepresentado nessa figura, a linha de lquido do condensador passa atravs do fundo do tanqueonde o refrigerante lquido depositado. O calor da linha de lquido promove a vaporizao dolquido ao mesmo tempo que o subresfria. O vapor existente na parte superior do tanque aspirado pelo compressor com algum superaquecimento devido mesma linha de lquido queentra pela parte superior do tanque, evitando a entrada de lquido no compressor.

O dimensionamento desse tanque importante para garantir o retorno de leo para ocompressor.

Figura 3.14. Esquema de um reservatrio de baixa presso.

3.7. O sistema completo de refrigerao

Alm dos componentes bsicos citados anteriormente, um sistema de refrigerao composto de vrios outros acessrios para garantir a segurana e uma operao adequada. Issoinclui: controles do compressor e dispositivos de segurana, tais como protetor de sobre-carga,pressostatos de alta e baixa presso, separadores de elo, controles de temperatura e fluxo, filtros,secadores, vlvulas, visor de lquido, etc. Os sistemas de refrigerao modernos possuem

tambm controles automticos que permitem uma superviso completa da planta.Na Fig. 3.15 apresenta-se um esquema de um sistema de refrigerao com alguns dessesacessrios.


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Figura 3.15. Esquema de um sistema de refrigerao com alguns acessrios para controle.

3.8. Exerccios

Ex 3.1Um sistema de refrigerao por compresso de vapor, resfriado a ar, de simples estgio,utilizando o refrigerante R-22, opera em regime permanente. Uma representao esquemticadeste ciclo mostrada abaixo. Perda de presso e ganhos de calor acontecem em todos osdispositivos e tubulaes, conforme indicado. Os dados de desempenho do ciclo so:Temperatura do ar ambiente: t0 = 30 C

Temperatura do espao refrigerado: tR = -10 CCapacidade de refrigerao (ou carga trmica): 7 kWPotncia de entrada do compressor: 2,5 kW

Calcule as taxas de transferncia de energia para o refrigerante em cada componente do sistema edetermine as irreversibilidades atravs da 2. Lei em cada componente. Mostre que a taxa deirreversibilidade total multiplicada pela temperatura ambiente absoluta igual diferena entre a

potncia fornecida em um ciclo ideal de Carnot e a potncia real do compressor.Para esse processo, os valores medidos em cada estado no apresentados na tabela a seguir.


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Ex 3.2 Considere um sistema de refrigerao de um estgio de compresso operando em umciclo padro, utilizando R-717 como refrigerante. O sistema opera entre as temperaturas de 34 Cno condensador e de -20 C no evaporador. Considerando uma capacidade de refrigerao de

100 TR, determine o COPdo ciclo, a vazo mssica, o deslocamento volumtrico do compressore a temperatura na descarga.

Ex 3.3Utilizando os mesmos dados do exerccio 3.2, recalcule considerando um subresfriamentode 5 K e um superaquecimento de 5 K.

Ex 3.4 Refaa os exerccios 3.2 e 3.3 utilizando como refrigerante o R-134a. Compare osresultados e analise o efeito das propriedades dos refrigerantes no aumento ou diminuio doCOP.

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