ciclos de produção de frio -...

Ciclos de Produção de Frio

Prof. José R. Simões Moreira

EPUSP/PME/SISEA

E-mail: [email protected]

www.pme.poli.usp.br/sisea

Julho/2003

COGEN – Cogeração, auto-produção e produção independente

Princípio de Funcionamento – ciclo de compressão a vapor

diagrama de pressão de vapor (ou curva de saturação) de uma substância simples qualquer

SISEA - Lab. Sistemas Energéticos Alternativos/EPUSP

Pre

ssão

Temperatura

curva de pressão de vapor ou de saturação

liquido

vapor

vapor

liquido

P1

T1

P2

T2

Baixa pressão e, portanto, baixa temperatura

(P1, T1)

Alta pressão e, portanto, alta temperatura

(P2, T2)

Princípio de Funcionamento – ciclo de compressão a vapor (cont…)

Evidentemente, interessa que haja um funcionamento contínuo do ciclo, como ilustrado abaixo.

Vapor a baixa pressão (e baixa temperatura) é comprimido no compressor B elevando sua pressão e temperatura. Processo 1-2.

Esse vapor a alta pressão e temperatura entra no condensador (serpentina vermelha) e, como o nome diz, esse vapor vai se condensar e sair como líquido, na condição indicada pelo estado 3. Calor é rejeitado para fora, no ambiente.

Líquido, agora no estado 3, passa pela válvula de expansão A, fazendo com que a pressão caia para um valor mais baixo. Com isso há uma diminuição de temperatura e evapo- ração parcial do líquido. Finalmente, o fluido se evapora no evaporador, tirando calor do meio a ser resfriado (serpentina azul). Aqui tem-se baixa pressão e temperatura.


2

3 4

1

Q Calor

rejeitado ao ambiente

Fornecimento de trabalho (energia elétrica) ao

compressor

W

Ambiente/

Sistema

resfriado

Q

Calor retirado do ambiente

Ciclo de Compressão a Vapor (componentes básicos)


Ciclo de Compressão a Vapor (ciclo padrão)


O ciclo de compressão a vapor

Consiste de 4 processos básicos, a saber:

Compressão adiabática- reversível – isoentrópica. Elevação da pressão da pressão de evaporação para a pressão de condensação

Rejeição de calor para o meio externo a pressão constante mediante condensação do fluido frigorífico

Expansão isoentálpica estrangulamento da pressão do condensador (alta pressão) para a pressão do evaporador (baixa pressão)

Remoção isotérmica de calor para o ambiente condicionado mediante evaporação à baixa temperatura do fluido frigorífico

Efeito de Refrigeração e Capacidade de refrigeração - Definições


Efeito de refrigeração, qR, é o calor recebido pelo

ciclo de refrigeração do ambiente que está

sendo refrigerado/ condicionado. Essa

grandeza constitui o objeto fundamental do

ciclo.

Como indicado pelo diagrama P-h ao lado, o

efeito de refrigeração é dado pela seguinte

expressão:

kJ/kg 4131 hhhhqR

QR,qR

Capacidade de refrigeração, QR, é o fluxo total de calor recebido pelo ciclo de

refrigeração do ambiente que está sendo refrigerado/ condicionado. Assim

como o efeito de refrigeração, essa grandeza também constitui o objeto

fundamental do ciclo. Na verdade, ambas estão interligadas por meio da

seguinte expressão:

kW RRR qmQ

kg/s terefrigeran de mássica vazãoRm

Efeito de Refrigeração e Capacidade de refrigeração – Exemplo resolvido


O cálculo da capacidade de um sistema de ar condicionado resultou em 10 TR(*).

Ao projetista foram apresentadas duas tecnologias que usam dois tipos diferentes de

refrigerantes. Em ambos os casos a temperatura de evaporação é de 5 oC:

(a)um ciclo operando com isobutano

(b)Um ciclo operando com R134a

Considere que o líquido retorne do condensador com temperatura de 35 oC.

Pede-se calcular os efeitos refrigerantes e ass vazões mássicas de cada alternativa.

Refrigerante

Entalpia h1 (kJ/kg)

Entalpia h3 (kJ/kg)

R134a

253,3

100,8

Isobutano R600a

678,6 401,3

SOLUÇÃO:

(a) ISOBUTANO

sisobutano/ de kg 12703277

517310

isobutano de kJ/kg 277,3 34016678

,,

,*m

,,q

R

R

(b) R134a

R134a/s de kg 23105152

517310

R134a de kJ/kg 5521 81003253

,,

,*m

,,,q

R

R

Nota: TR significa tonelada de refrigeração e vale 3,517 kW

Conclusão: o efeito de refrigeração do

isobutano é maior que o do R134a, o

que significa que, para uma mesma

capacidade de refrigeração, uma vazão

mássica menor de refirgerante é

necessária, o que reduz o tamanho geral

do compressor e demais equipamentos.

Trabalho de Compressão e Potência de Compressão


Trabalho específico de compressão, w, é o

trabalho por unidade de massa que o fluido

necessita receber para elevar seu estado de

vapor de baixa pressão (estado 1 no ciclo ao

lado) para vapor em alta pressão (estado 2 no

ciclo) Como indicado pelo diagrama P-h ao

lado, o trabalho específico de compressão é

dado pela seguinte expressão:

kJ/kg 12 hhw

A potência de compressão, W, é a potência que o fluido necessita receber para

elevar seu estado de vapor de baixa pressão (estado 1 no ciclo ao lado) para

vapor em alta pressão (estado 2 no ciclo) continuamente. A potência de

compressão é o produto do trabalho específico pela vazão mássica de

refrigerante, ou seja

kW 12 hhmwmW RR

Coeficiente de Desempenho ou de Eficácia - COP


Coeficiente de Desempenho ou de Eficácia, COP,

vem do inglês “coeficient of performance” e é a

grandeza que indica uma espécie de

“rendimento” do ciclo. Ele é dado pela razão

entre o efeito de refrigeração, qR, e o trabalho

específico de compressão, w. Visto de outra

forma, ele também pode ser definido como

sendo a razão entre a capacidade de

refrigeração, QR, e a potência de compressão,

W. Em qualquer caso sua expressão é dada por

12

31

12

41

hh

hh

hh

hh

W

Q

w

qCOP RR

Geralmente o COP é maior que a unidade, o que significa que se obtém um efeito de

refrigeração superior ao “preço” que se paga por ele (o trabalho de compressão).

O COP deve ser analisado com critério. Alguns projetistas, e mesmo fabricantes,

costumam incluir junto com a potência de compressão, a potência de acionamento de

outros equipamentos e também de outros sistemas auxiliares.

Ciclo de Compressão a Vapor (coeficiente de Desempenho - COP)


Exemplo – Refrigerante R134a é utilizado em um ciclo de compressão a vapor, tendo a temperaratura de evaporação 0oC e de condensação 26oC. A vazão mássica do refrigerante é de 0,08 kg/s. Determine: (a) a potência de compressão em kW e em HP; (b) a capacidade de refrigeração em kW e em TR (toneladas de refrigeração); (c) o COP. Dados: h1=247,23 kJ/kg; h2=264,7 kJ/kg; h3= h4 =85,75 kJ/kg (dados extraídos de uma tabela de propriedades termodinâmicas do refrigerante R-134a)

Solução

*24,947,17

48,161

TR 3,67 kW 12,93 48,16108,0

kJ/kg 161,48 75,8523,247

HP 1,87 kW 1,4 47,1708,0

kJ/kg 47,1723,2477,264

41

12

comp

ref

refref

ref

compcomp

comp

w

qCOP

qmQ

hhq

wmW

hhw

NOTA: ** O valor do COP obtido é, neste caso, bastante elevado, pois se trata de um exemplo ilustrativo, com efeito didático. Valores mais comuns para sistemas de média capacidade giram em torno de 3 a 4, para ciclos de compressão a vapor.

Ciclo Real de Compressão a Vapor


Condições operacionais e perdas associadas ao

escoamento do refrigerante impedem a

realização prática de um ciclo de compressão a

vapor. As principais diferenças são:

perdas por atrito associadas ao escoamento do fluido – perdas de carga tanto no condensador, como no evaporador. Note no gráfico ao lado que durante os processos de evaporação e de condensação há uma diminuição das pressões correspondentes.

o líquido que sai do condensador (estado 3) e entra no evaporador está ligeiramente subresfriado. Isso é feito para garantir que, apenas líquido entre no dispositivo de expansão – veja válvula de expansão a seguir em componentes do ciclo.

o vapor que sai do evaporador (estado 1) e entra no compressor não pode carregar líquido ou gotículas de líquido consigo, pois pode danificar alguns tipos de compressores. Assim, provoca-se um superaquecimento do vapor a fim de garantir que apenas a fase vapor seja aspirada pelo compressor.

o vapor do refrigerante sofre um processo não ideal de compressão no compressor.

Componentes do ciclo: Compressor – tipo alternativo


São os compressores mais largamente utilizados na

indústria do frio. Suas principais características são:

podem ser mono ou multicilindros,

potências de menos de 1 kW até centenas de kW,

rotações tão baixas quanto 120 rpm até da ordem de

3000 rpm,

podem ser do tipo aberto, hermético e semi-hermético.

Tipo aberto

Permitem um eixo de acionamento externo (como na

figura) que atravessa a carcaça do compressor – Grande

capacidade – muito usado com amônia Tipo hermético

Nos tipos herméticos, o motor de acionamento e o compressor perfazem uma única unidade

selada do meio exterior, evitando vazamentos e entradas de ar. Em alguns casos o próprio vapor

refrigerante é utilizado no resfriamento do motor. São geralmente de pequeno porte, com

empregos destinados a geladeiras e aparelhos de ar condicionado de janela, entre outros.

Tipo Semi-hermético

Em sistemas de capacidade maior, compressores herméticos possuem a tampa do cabeçote

removível para manutenção e daí a designação de semi-herméticos.

Outros tipos de compressores


Compresso r tipo parafuso

– uso industrial

Compressor palheta – uso

em geladeiras e pequenos

sistemas de ar

condicionado

Compressor tipo centrífugo

– mais utilizados em

grandes instalações

Componentes do ciclo: VET – Válvula de Expansão Termostática


A válvula de expansão termostátiva, VET, é o equipamento responsável pela “queda” de pressão, isto é, pela diminuição da pressão de condensação para a pressão de evaporação. Além disso, ela também tem a função de controlar o fluxo de refrigerante que circula pelo circuito.

bulbo

Ciclos de Absorção de Calor


Princípio de Funcionamento

Ciclos de Absorção de Calor – Coeficiente de Eficácia


Características do par refrigerante-absorvente


Características do par refrigerante-absorvente - cont


Características do par refrigerante-absorvente - cont


Os pares água-brometo de lítio e água-amônia são, atualmente, os únicos que têm largo emprego comercial e que satisfazem muitos desses critérios. Entretanto, eles também possuem alguns inconvenientes.

Relação de volatilidades para o par amônia-água é muito baixo e tem restrições quanto ao seu emprego mais geral, devido à toxidade.

O par água-brometo de lítio pode apresentar formação de fase sólida, o que inviabiliza seu emprego em refrigeração, ficando restrito à ar condicionado apenas. Além disso, o brometo de litio pode se cristalizar em valores moderados de concentração.

Propriedades da concentração LiBr-Água


Exemplo de cálculo de um ciclo de absorção – vazões mássicas


Calcule a vazão em massa de refrigerante (água) através do condensador e evaporador do ciclo mostrado abaixo se através da bomba circula uma vazão de 0,6 kg/s. As temperaturas estão indicadas.

Solução

Exemplo de cálculo de um ciclo de absorção – balanço térmico


Para o ciclo de absorção anterior calcule qq, qa, qc, qe e o CDE

Solução

Entalpia da Solução

BrLi


Melhorando o ciclo com um Trocador de Calor


Note que do exemplo resolvido, que a solução sai no ponto 1 a 30 oC (do absorvedor) e precisa ser aquecida até 100 oC (gerador) – ponto 2, o que aumenta a quantia de calor a ser fornecida ao gerador, qg. Também precisa ser resfriada (ponto 3) de 100 oC para 30 oC (ponto 4). Com isso, a solução mais lógica e que aumenta a eficiência do ciclo é a introdução de um trocador de calor entre esses dois fluxos como indicado.

Exemplo de melhora da eficiência do ciclo com um trocador de calor


O ciclo anterior foi modificado pela introdução de um trocador de calor entre a solução que é bombeada do absorvedor (ponto 1) e que entra no gerador de tal forma que no ponto 2 a temperatura vale 52 oC. A vazão em massa da bomba continua em 0,6 kg/s. Qual é o fluxo térmico em cada componente e o novo coeficiente de eficácia?

Muitas coisas permanecem inalteradas, são elas:

Exemplo de melhora da eficiência do ciclo com um trocador de calor. cont…


Unidades de Absorção industriais - exemplos


100-1400 TR Gama de Capacidades

0.68 C.O.P.

40 °F Temperatura Mínima de Saida de Agua Gelada

45 °F Temperatura Mínima de Entrada de Agua Condensacao

3.6 GPM/TR Para 17°F Diferencial de Torre Resfrimento.

Vapor de 0 a 15 PSIG (0 a 1 Kg./Cm2)

Agua Quente de 240 °F (115 °C) (nominal)

Agua Quente de 266 °F (130 °C) (opcional)

Agua Resfriada por Motor de Combustao Interna

Gases de escape de Turbinas, Motores comb. Interna e Procesos

Turbinas de Vapor

Procesos Industriais

Outros

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