Controle Trmico de Ambientes(Fernando Frana, DE FEMUnicamp, ffranca@fem.unicamp.br)Criogenia:Em meados do sculo XIX o homem descobriu a propriedade criognica de gases: a capacidade de retirar calor de um sistema quando submetido expanso. E comeou a fazer gelo, industrialmente, em grande escala. A partir dessa poca, ento, tem incio a atividade comercial de conservao de alimentos em grande escala. No havia, sequer, os grandes entrepostos frigorficos, mas simas fbricas de gelo. Nos setores comercial e residencial este gelo industrial era usado para fazer essa conservao dos alimentos em pequena escala.Os gases refrigerantes usados neste inciodahistriadarefrigerao eram a amnia, o dixido de enxofre e o cloreto de metil. A refrigerao era, assim, um processo perigoso: explosivo, inflamvel e txico! Alm do que, necessitavam de presso elevada para atingir capacidade criognica necessria fabricao econmica de gelo. Os compressores frigorficos de ento, dada a limitao tecnolgica da poca, eramtidos como mquinas perigosas, sujeitas a exploso. (Imagine se o compressor frigorfico do ar-condicionado do seucarro estivessesujeito a explodir! Poderia causar um estrago similar ao que mostra a figura abaixo!)Somente em 1932 o cientista Thomas Midgely Jr inventou o Refrigerante 12, mais conhecido como Freon 12. O Freon 12 um cloro-flor-carbono (CFC) que tem a caracterstica de ser endotrmico quando expande ou quando vaporiza. O Freon no inflamvel, no explosivo, no txico enocorroi metais. Apressonecessriaparaquesuaspropriedades criognicas ocorramcomtransferncia aprecivel de calor para ser aplicada praticamente, era bem inferior requerida pelos gases refrigerantes conhecidos at ento. Enfim, um gs ideal, maravilhoso. Isto , at descobrirem que o Freon destri o oznio da atmosfera, to importante para barrar o excesso de radiao solar ultra-violeta na superfcie da Terra:O3 + UV = O2 + OO excesso de radiao UV deteriora a viso dos seres, altera a fotossntese de vrios cultivares, como a soja, o feijo, de hortalias, como o repolho, almde intensificar o desenvolvimento de cncer de pele nos seres humanos.E o Freon, nessas alturas, j era usado para outros fins:Freon 11 (CFC-11) >> produo de espumas de poliestirenoFreon 12 (CFC-12) >> ciclos de refrigeraoFreon 13 (CFC-13) >> limpeza de circuito eletrnicoSoluo:Usar outros gases refrigerantes, o hidro-cloro-fluor-carbono HCFC e o isobutano, por exemplo.Banimento dos CFCs: Regulao a nvel mundial >>Protocolo de Montreal!!O Ciclo de RefrigeraoOs ciclos de refrigerao, isto , ciclos termodinmicos de fluidos refrigerantes em equipamentos frigorficos por compresso de vapor, so adequadamente representados emdiagramasPxh(presso-entalpia, diagrama de Mollier) e diagrama T x s (temperatura-entropia).Diagrama de Mollier (P x h) para o refrigerante 22 (Freon 22)Observe, no diagrama de Mollier, as regies de lquido sub-resfriado, esquerda de x = 0, de vapor mido, 0 < x < 1, no envelope, e vapor super-aquecido, direita de x = 1.Ociclodecompressodevaporomais utilizadoemequipamentos frigorficos para produo de frio: para conforto trmico ambiente e para resfriamento e congelamento de produtos. Frigorfico de produtos por compresso de vapor por expanso diretaO esquemaacimarepresentar um sistemafrigorficopara produtos: os ovos esto na cmara frigorfica, que mantida temperatura baixa pela troca de calor que ocorre no evaporador. O evaporador um trocador de calor (no caso, de tubos aletados) que resfria o ar que circula na cmara, movimentado pela ao do ventilador. No evaporador ocorre a evaporao do fluido refrigerante, idealmente um processo isobrico (na realidade, compequena variao de presso). Ainda no interior da cmara, prximo do evaporador, est o dispositivo de expanso (a vlvula termosttica). Este ento um dispositivo frigorfico de expanso direta: aexpansoocorrenoambienteaserresfriado. Noexteriordacmara estoocompressoreocondensador(eoutros dispositivos auxuliares, como o vaso acumulador e o filtro). Esse exatamente o esquema de uma geladeira comum, por compresso de vapor.Outras possibilidades de sistemas frigorficos (geladeiras, condicionadores de ar, resfriadores diretos e indiretos, etc) so as de ciclo de gs (no h mudana de fase), absoro (veremos rapidamente mais frente) e a de efeito Peltier (h alguma informao sobre o efeito Peltier no texto de temperatura em http://www.fem.unicamp.br/~instmed.Vejaumsistemaindireto: oambiente(ouprocesso) serresfriadoou condicionado for um fluido secundrio, isto , um fluido de transferncia que no o refrigerante com o qual opera o ciclo. No caso, figura abaixo, o fluido de trabalho resfriado pelo refrigerante no evaporador e transporta o frio para o ambiente adequado. Umtal sistema conhecido no meio tcnico como chiller, do ingls, isto , um resfriador. Esquema de um chiller de guaNeste chiller mostrado na figura acima, o refrigerante circula do compressor para o condensador, passa pelo vaso acumulador, expande-se na vlvula de expanso termosttica, evapora-se no evaporador, retirandocalordeumfluxodegua. estaguaresfriadaqueser utilizada no processo para resfriar um ambiente, um produto, um outro fluxo de lquido. Assim, este um sistema indireto. A figura mostra duas possibilidades para a condensao: condensador resfriado a ar (trocador de tubo aletado, normalmente), ou condensador resfriado a lquido (geralmente umtrocador casco-e-tubo- shell andtube). Quandoum condensador resfriado com lquido usado, a maioria das vezes a gua o fluido de resfriamento, e uma torre de refrigerao (para resfriar a gua aquecidanocondensador, paraque possa ser usadaemumcircuito fechado) usada. O evaporador do chiller um casco-e-tubo.CompressorCondensador a ar remotoVlvulas de ExpansoEvaporadoresA geladeira domstica: um exemplo de ciclo de compresso de vaporMas, efetivamente, o que o ciclo frigorfico de compresso de vapor? Ele consiste de uma srie de processos executados sobre e por um fluido de trabalho, denominado derefrigerante. Ageladeira da sua casa, por exemplo, eoaparelhodearcondicionadodejanela, dasaladeaula, ambos devem funcionar com o Refrigerante 22, o mais comum, tambm conhecidoporFreon22(emtempo, ciclosdecompressomodernosj esto utilizando refrigerantes ecolgicos, que no afetam a camada de oznio da atmosfera pois refrigerantes cloro-fluor-carbonados destroem o oznioO3daatmosfera). Assimcomoociclodecompressodeuma geladeira de boteco, o ar-condicionado de seu carro, o sistema de condicionamentocentral de umedifcio, de umshoppingcenter, e vrios outros, industriais, comerciais e residenciais.O ciclo constitudo dos seguintes processos:1. compresso de vapor, isto , um compressor realiza trabalho sobre o vapor, transfere potncia a ele;2. a condensao do vapor, que ocorre no condensador (o trocador de calor direita, na figura acima);3. a expanso do lquido aps o condensador, que ocorre na vlvula termosttica ou em um tubo capilar;4. a evaporao do lquido no evaporador.Como em toda anlise de ciclos, vamos comear analisando um ciclo ideal de compresso de vapor. Vale lembrar, novamente, que ciclos reais desviam-sedosciclosidealizados, isto, ocicloideal serve, paranossa anlise do ciclo real, como uma referncia, um objetivo a atingir (apesar de inalcanvel, mas engenheiro tem um qu de alquimista, e segue em frente) , atravs da melhoria de cada processo que o constitui. Veja ento um ciclo ideal de compresso de vapor, na figura seguinte, representado esquematicamente e no diagrama de Mollier (P versus h):Representao esquemtica do ciclo ideal de refrigerao por compresso de vapor no diagrama de MollierCiclo de compresso de vapor ideal no diagrama de MollierO equacionamento do ciclo ideal: seja a formulao simples da Equao da Energia, conforme dada abaixo, aplicvel para um sistema em regime permanente, paraumescoamentounidimensional comumaentradae uma sada, isto ,ms = me = m.mgVhmgVheess

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+ +

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+ + e21e21W2 2QtilCada umdos processos que formamo ciclo devemser analisados separadamente:Compresso >> Modelo Ideal do CompressorNo compressor s h um fluxo de entrada e um de sada: me= ms= m. Vamos desprezar a variao das energias cintica e potencial entre a entrada e sada do compressor; e vamos admitir que o processo de compresso adiabtico e reversvel,isto , isoentrpico, veja a figura. Assim, se o processo ocorre em regime permanente e se W o trabalho realizado sobre o VC,mgVhmgVhdEeessCVtildt

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+ +

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+ + + e21e21W2 2Q( )mh h 1 2WOs estados, representados por nmeros, 1 e 2, esto na figura.As propriedades do refrigerante em 2 so conhecidas desde que se fixe a presso de condensao, pois o processo isoentrpico.Condensador e Evaporador >> ModeloIdealdo Condensador e do EvaporadorAs premissas so:1. regime permanente;2. s existe trabalho de escoamento (includo na entalpia);3. s existe um fluxo de entrada e um fluxo de sada, me = ms = m;4. variaes de energia cintica e potencial so desprezveis frente variao da entalpia, e5. a presso constante (esta uma aproximao!).Assim:Condensador ideal: ( ) m Qh h 2 3 Evaporador ideal: ( ) m Qh h 4 1 Vlvula de Expanso >> Modelo Ideal da ExpansoAs premissas so:1. regime permanente;2. processo adiabtico;3. s existe um fluxo de entrada e um fluxo de sada, me = ms = m;4. variao de energia potencial desprezvel5. variao de energia cintica pode ser desprezvel.Assim:Expanso ideal: ( ) mh h 03 4 Isto , Evaporador ideal:h h3 4 (processo isoentlpico!)Conseqentemente, irreversvelpoisno isoentrpico(volte ao diagrama de Mollier para verificar): isto , umprocesso adiabtico isoentlpico no isoentrpico (e no reversvel)Representao esquemtica do ciclo ideal de refrigerao por compresso de vapor no diagramaTversuss.Ciclo ideal de compresso de vapor, diagrama T x sCiclo real de compresso de vapor, diagrama T x sDiferenas entre os ciclos ideal e real de refrigerao por compresso de vapor no diagramaPversush (Mollier).Em um ciclo de refrigerao, o objetivo a remoo de calor do ambiente a ser refrigerado. Assim, seu COP Coeficiente de Performance, isto , Coeficientof Performance, definidocomo sendoarazoentreocalor retirado e o trabalho realizado:\WCOPQLIdealmente,h h h hCOP1 24 1O COP depende:1. da temperatura de evaporao (vaporizao);2. da temperatura de condensao3. propriedades (funes de estado) do refrigerante na suco do compressor, e4. de todos os componentes do sistema: compressor, condensador, etc, etc.Refrigeradores DomsticosO refrigerador domstico hoje, sem dvida, o mais importante entre os eletrodomsticos. Refrigeradores domsticos, as populares geladeiras e freezers so sempre mquinas frigorficas por compresso de vapor, e o R-12aindaorefrigerantemaisutilizado, apesardeque, apartirdo ProtocolodeMontreal, de1990, temsidoprogressivamentesubstitudo por R134a, R600 (n-butane), R600a (iso-butane) ou R600b (cyclo-pentane). Os refrigerantes hidrocarbonetos modernos, butano e pentano, tm presso de vapor mais baixa que os Freon e o R134, fazendo comqueapressonoevaporadorestejaabaixodaatmosfrica, vcuo, algum valor por volta de 58 kPa., veja tabela abaixo.Table 3. Propriedades de refrigerantes de uso domsticoRefrigerante R12 R134a R600aNome, frmula Dicloro-difluoro-metano, CCl2F21,1,1,2-tetrafluoro-etano, CF3CH2FIso-butano, CH3)3CHMassa molar [kg/mol] 0.121 0.102 0.058Temperatura ebulio [K] 243.2 246.6 261.5Temperatura Crtica [K] 388 374 408Presso Critica [MPa] 4.01 4.07 3.65Densidade a 25 C [kg/m3] 1470 1370 600Presso vapor a 25 C [kPa]124 107 58Enthalpia vaporizao a 25 C [kJ/kg]163 216 376Exemplo de clculo de ciclo de refrigerao:Um sistema de refrigerao por compresso de vapor opera com Freon-12. Avazo mssica do sistema operando emcondio de regime permanentede6kg/min. OFreonentranocompressorcomovapor saturado a 1,5 bar, e sai a 7 bar. Assuma que o compressor tem rendimento isoentrpico de 70%. O condensador do tipo tubo aletado, resfriado com o ar ambiente. Na sada do condensador o Freon est como lquidosaturado. Atemperaturadacmarafrigorfica 100Ce a temperaturaambiente 220C. Considere que as trocas de calor no sistema ocorramsomente no evaporador e no condensador, e que evaporao e condensao ocorram sob presso constante. Pede-se:1- a representao dos processos termodinmicos do ciclo nos diagramas P x h e T x s;2- A eficincia de Carnot deste ciclo;3- O COP do ciclo;4- A capacidade de refrigerao do ciclo;5- O rendimento exergtico do ciclo.Notar que h2s facilmente obtido se a compresso isoentrpica. E que h2 calculado sabendo-se a eficincia do processo de compresso. Assim,h2 = h1 + (h2s h1)/0,7 = 217,88 [kJ/kg]1. a representao dos processos termodinmicos:2. a eficincia de Carnot, COPc:22 , 832263 T TQQ QQ QCOPf qff qf fCW 3. a eficincia do ciclo, COP:( )( )01 , 381 , 3883 , 11607 , 179 88 , 21724 , 62 07 , 1791 24 1 h hh hQCOPmmWfC4. a capacidade de reefrigerao, em kW:( ) ( ) ( ) kWkgkJskgmh h Qf68 , 11 83 , 1166064 11]1

1]1

Exerccios sugeridos:1. Um ciclo ideal de refrigerao por compresso de vapor opera com Freon 12. As temperaturas fria e quente so, respectivamente, 20 0C e 40 0C (cmara frigorfica e ambiente, no caso, esto temperatura de evaporao e condensao, o que terico, evidentemente). O refrigerante entra no compressor como vapor saturado a 20 0C e sai do condensador como lquido saturado a 40 0C. O fluxo mssico 0,008 kg/s. Calcular a potncia do compressor, a capacidade de refrigerao em TR (toneladas de refrigerao), a eficincia do ciclo e sua eficincia de Carnot. Respostas: 0,0747 kW; 0,277 TR; 13,03; 14,65.2. Altere as temperaturas de evaporao e condensao dadas no problema 1, de forma a se ter um processo que se aproxime mais de um processo real. Considere que a temperatura de evaporao , agora, 12 0C. E a presso de condensao 1,4 Mpa. Calcular a potncia do compressor, a capacidade de refrigerao em TR e a nova eficincia do ciclo. Soluo: 0,16 kW, 0,23 TR e 5.3. Recalcular o ciclo do problema 2, mas considerando agora que a eficincia isoentrpica do compressor 80% e que o lquido sai do condensador a 48 0C. Soluo: 0,20 kW, 0,25 TR e 4,35.