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Introdução aos ciclos de refrigeração
Programa de Pós-Graduação em Eng. Mecânica
Disciplina: Simulação de Sistemas Térmicos
Nov/2013
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Organização:
� Ciclo de Carnot� Ciclo padrão de um estágio de compressão� Refrigerantes� Balanço de energia� Subresfriamento e superaquecimento� Ciclos de dois estágios de compressão� Ciclo em cascata� Ciclo transcrítico do CO2
Material:http://professor.unisinos.br/mhmac/
Refrigeração: Capítulos 1 a 6Simulação de Sistemas Térmicos: apresentação
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Refrigeração
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Ciclo de Carnot
Ciclo ideal (reversível), é o modelo ideal para o ciclo de refrigeração operando entre duas temperaturas fixas ou entre dois fluidos a diferentes temperaturas e cada um com capacidade térmica infinita.
� Nenhum ciclo de refrigeração pode possuir um coeficiente de performance, COP, maior que o ciclo de Carnot, operando entre as mesmas temperaturas;
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líquido Trabalho
útil ãoRefrigeraç=COP
Ciclo de Carnot
Efeitos das temperaturas
T2 ↓ COP ↑
T1 ↑ COP ↑
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Refrigerante com mudança de fase
Compressão “seca”
Expansão irreversível
Refrigerante
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Irreversibilidades
Redução do efeito de refrigeração
Aumento do trabalho mecânico
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Ciclo padrão de refrigeração de um estágio de compressão
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Circuito de um sistema de refrigeração de um estágio de compressão
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Refrigerador doméstico
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Diagrama pressão vs. entalpia
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Diagrama pressão vs. entalpia: R134a e R717
TC = 35 °CTE = -10 °C
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Ciclo real de refrigeração
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Balanço de energia nos dispositivos: ciclo padrão de um estágio
Pela 1ª. Lei da Termodinâmica:
saientra EE && =
++−
++=− e
eees
sss gz
Vhmgz
VhmWQ
22
22&&&&
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Hipóteses aplicadas ao balanço de energia
permanente Regime
ldesprezíve potencial energia de Variação 0 EP
ldesprezíve cinética energia de Variação 0
→==→=→=
mmm
EC
es &&&
∆∆
Assim:
( )es hhmWQ −=− &&&
Para os dois trocadores de calor (condensador e evaporador):
( )es hhmQ −= &&
Para o compressor, considerando um processo isentrópico e adiabático:
( )es hhmW −= &&
Para o processo de expansão:
es hh =
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Definindo Pf como a potência frigorífica ou taxa de transf. de calor no evaporador:
( )41 hhmQmP Ef −== &&
[ ]( )[ ]s/kg
hh
kWPm f
41 −=&
A potência térmica dissipada no condensador:
( )32 hhmQmP Co −== &&
A vazão volumétrica no compressor:
= smmV
31 &
& ν
A potência mecânica teórica do compressor:
( )12 hhmWmP mmt −== &&
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O título do refrigerante na entrada do evaporador:
( )
( )( )l
l
ll
hh
hhx
hhxhh
−−=
−+=
1
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O COP do ciclo é dado por:
mt
f
P
PCOP=
O afastamento do ciclo padrão em relação ao ciclo reversível é chamado de rendimento de refrigeração:
( )revR COP
COP=η
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Subresfriamento e superaquecimento
SubresfriamentoSuperaquecimento
Subresfriamento
Subresfriamento é a diminuição da temperatura do líquido, na saída do condensador, abaixo da temperatura de saturação.
liqc,satsub TTT −=∆
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Subresfriamento e superaquecimento
SuperaquecimentoSuperaquecimento
Subresfriamento
Superaquecimento é o aumento da temperatura na saída do evaporador, acima da temperatura de saturação.
e,satvapsh TTT −=∆
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Superaquecimento
11
21
Subresfriamento
22
Subresfriamento e superaquecimento
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Subresfriamento e superaquecimento
h1 h1’
h3h3’
Balanço de energia no trocador (LSHX)
( ) ( )1133 hhmhhmQ ''LSHX −=−= &&&
( ) ( )1133 TTcTTc 'v,p'l,p −=−
( ) ( )1133 TTc
cTT '
l,p
v,p' −=−
<1
( ) ( )1133 TTTT '' −<−( )( )
( )( )13
11
13
11
TT
TT
TTcm
TTcm
Q
Q '
v,p
'v,p
max
realLSHX −
−=−−
==&
&
&
&
ε
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Ciclo real
O ciclo real operando em regime permanente difere do ciclo ideal em função das irreversibilidades presentes. - Em primeiro lugar, as perdas de pressão que ocorrem ao longo do escoamento;- Em segundo lugar, devido às transferências de calor entre o fluido refrigerante e o meio
externo;- O processo de compressão não é isoentrópico;- Por último, o refrigerante não é uma substância pura, mas uma mistura de refrigerante e
óleo.Todos esses desvios da condição ideal produzem irreversibilidades que requerem trabalho adicional do compressor.
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Ciclo real
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Ciclo real
Balanços de energia e entropia para um ciclo real:
( )es hhmQ −= &&
( )T
QssmI es
&
&& −−=
Nos trocadores de calor e perdas pelas linhas
( ) WhhmQ es&&& +−=
( )T
QssmI es
&
&& −−=No compressor
( ) 0=−= es hhmQ &&
( )es ssmI −= &&
No dispositivo de expansão
As temperaturas, em K, estão relacionadas com as temperaturas de referência de cada processo.
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Ciclos de dois estágios de compressão
Quando a diferença entre as temperaturas de condensação e de evaporação torna-se muito elevada.
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Ciclos de dois estágios de compressão
Podem ser analisados dois processos separados: (a) remoção do vapor de “flash” e (b) resfriamento intermediário
(a) remoção do vapor de “flash”
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(b) resfriamento intermediário
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Ciclos de dois estágios de compressão com remoção de vapor de “flash”, resfriamento intermediário e trocador de calor intermediário
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Pressão intermediária
bar 350
ou
sucçãodescarga
sucçãodescarga
,p.pp
p.pp
ótimaint,
ótimaint,
+=
=
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Balanços de massa e energia
73
766 hh
hhx
−−=
811 hh
Qm evap
−=
&
&
8721 mmmm &&&& ===
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33
Balanços de massa e energiaPara a parte de alta pressão
6543 mmmm &&&& ===
33772266 hmhmhmhm &&&& +=+
66hm&33hm&
22hm&
77hm&
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2723 hh
hhmm
−−= &&
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Balanços de massa e energia
II,mtI,mt
evap
PP
QCOP
+=
&
( )121 hhmP I,mt −= &
( )343 hhmP II,mt −= &
Potências mecânicas teóricas
Vazões volumétricas dos compressores
11vmI && =∀
33vmII && =∀
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Operação com evaporador inundado
�
� � �
�
�
�
�
36
�
��
�
�
�
�
�
19
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Balanço de massa no tanque SL
3
4
5
67
8
9
10
109
19108
e
mm
mmmm
&&
&&&&
=
+=+
Balanço de massa no SL – fase vapor
8118810 e mmmmxm &&&&& ==+
( )8191189 1 xmmmmxm −=→=+ &&&&&
( ) 1
9108
91 hh
Q
x
mmm evap
CB −=
−==
&&
&&
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Balanço de massa e energia no SL/RI
3
4
5
67
8
9
10
33776622
6543
e hmhmhmhm
mmmm
&&&&
&&&&
+=+===
Como:
CACB mmmmmm &&&&&& ==== 3672 e
3762 hmhmhmhm CACBCACB &&&& +=+
hh
hhmm CBCA
63
72 −−= &&
66hm&
33hm&
22hm&
77hm&
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Potência mecânica teórica dos compressores
Potência térmica dissipada no condensador:
( )54 hhmP CAco −= &
COP do sistema:
( )12 hhmP CBCB,mt −= &
( )34 hhmP CACA,mt −= &
Vazões volumétricas nos compressores
1vmCBCB && =∀
3vmCACA && =∀
CA,mtCB,mt
evap
PP
QCOP
+=
&
40
Redução da potência da instalação em função do resfriamento intermediário
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Evaporador inundado com recirculação de líquido:
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Evaporador inundado com recirculação de líquido:
O fator de recirculação f , ou número de circulação, é definido como:
o vaporizadterefrigeran de mássica Vazão
evaporador ao fornecida terefrigeran de mássica Vazão=f
Observação importante: a condição de saída da mistura líquido-vapor dos evaporadores (estado x10) está associada com o “número de circulação”, o qual indica o fluxo de massa de refrigerante que circula no evaporador em relação ao fluxo de massa que vaporiza.
Por exemplo, um número de circulação igual a 1 (um) indica que todo fluxo de refrigerante vaporiza na passagem do evaporador, saindo na condição de vapor saturado.
Para um número de circulação f=3, o título na saída será x* =1/3 = 0,333
fx
1=∗
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Refrigerante Fator de recirculação
R-717
Alimentação por cima e tubos de grande diâmetro
6 a 7
Alimentação normal e tubos de pequenodiâmetros
2 a 4
R-134a 2
R-22 (alimentação por cima) 3
Fator de recirculação:
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Nessa condição e utilizando o mesmo ciclo anterior:
3
4
5
67
8
9
10
Balanço de massa no tanque SL
91081
1881010
e mmmm
mxmxm
&&&&
&&&
===+
( )81811109 1 xmxmmxm −=−= &&&&
( )8
1091 1 x
xmmm CB −
==&
&&
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Ciclo em cascata
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Ciclo em cascata
Nos sistemas em que o mesmo refrigerante passa pelos estágios de baixa e alta pressão, valores extremos de pressão e volume específico podem causar alguns problemas:
�Se a escolha for de um fluido com alto ponto de ebulição (à pressão atmosférica), ao trabalhar em temperaturas muito baixas, sua pressão no evaporador ficará muito abaixo da atmosférica (entrada de ar e umidade no sistema)
� Exemplo: R717 apresenta ponto de ebulição igual a -33,3 °C. Abaixo dessa temperatura, a pressão de saturação é inferior a atmosférica.
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Ciclo em cascata
�Se a escolha for de um fluido com baixo ponto de ebulição, a pressão no evaporador será adequada mas a pressão no condensador será muito alta, a ponto de exigir vasos e tubulação com paredes reforçadas, acarretando problemas de segurança, além do custo do equipamento.
� Exemplo: R744 (dióxido de carbono) apresenta ponto de ebulição igual a -78,5 °C. Trabalhando a -50 °C no evaporador, sua pressão será de 682,8 kPa mas sua pressão no condensador será muito alta, acima do ponto crítico, que corresponde a 30,98 °C.
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Ciclo em cascata
Além disso, quando a pressão e a temperatura de evaporação são muito baixas, o volume específico da fase vapor saturado, na aspiração do compressor, é muito elevado, o que implica na necessidade de um compressor com elevada capacidade.
Como solução a esses problemas, utiliza-se o ciclo em cascata, com diferentes refrigerantes em cada parte do sistema.
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Ciclo em cascata
Refrigerante 1
Refrigerante 2
Ref 1
Ref 2
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Ciclo em cascata
Usos:
�Congelamento de alimentos a temperaturas muito baixas (< 50 °C);�Liquefação de vapores de petróleo;�Liquefação de gases industriais;�Fabricação de gelo seco;�Aplicações específicas: câmaras climáticas para choques térmicos, congelamento de plasma sanguíneo, etc.
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Ciclo de refrigeração em cascata
2m&EVAP1/
COND2
1m&
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Diagrama pressão-entalpia do ciclo
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Cálculos:
No SGHX de alta:
No SGHX de baixa:
Estágio de baixa:
Efeito de refrigeração:
Vazão mássica:
Vazão volumétrica:
4HT 5HT
8HT1HT
( )HTHTHTHT
HTHTHTHT
hhhh
hhhh
8145
8154
−−=−=−
4LT 5LT
8LT1LT
( )LTLTLTLT
LTLTLTLT
hhhh
hhhh
8145
8154
−−=−=−
672 LTLTE hhQ −=
212 mV && υ=
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EQ
Pfm =&
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Estágio de baixa:
Trabalho mecânico:
Potência mecânica:
Estágio de alta:
Efeito de refrigeração:
Do balanço de energia no Evap1/Cond2, obtém-se a va zão mássica do compressor de alta:
LTLTmLT hhW 12 −=
mLTmLT WmP 2&=
671 HTHTE hhQ −=
( )
( )LTLTE
LTLTE
hhQ
mm
e
hhmQm
431
21
43211
−=
−=
&&
&&
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Estágio de alta:
Trabalho mecânico:
Potência mecânica:
COP do ciclo:
A temperatura no condensador cascata pode ser calcu lada como:
HTHTmHT hhW 12 −=
mHTmHT WmP 1&=
mLTmHT PP
PfCOP
+=
Tc2 ≈ TE1 + 5°C
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Observação:
Para o ciclo de alta, pode-se utilizar como refrigerantes o R-22, o R-717, R-134a, R404a, etc.
Para o ciclo de baixa, as opções são o dióxido de carbono (R-744), até -50 °°°°C, R-508b, de -40 °°°°C até -100 °°°°C, R-23, até -70 °°°°C, etc.
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Ciclo transcrítico para R744
O uso do dióxido de carbono (R-744) foi bastante popular até a década de 60 do século passado, principalmente em aplicações industriais, como a indústria pesqueira (principalmente em navios).Em função das questões ambientais surgidas com o uso de refrigerantes halogenados (CFCs) seu uso, ou estudos para seu uso, intensificaram nos últimos anos.
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Características do R744
� Eleva pressão de operação a uma dada temperatura;� Faixa estreita de temperaturas de operação;� Ponto tríplice em pressão elevada;� Ponto crítico em temperatura muito baixa;� Seu custo pode chegar de 1/10 a 1/20 do custo dos halogenados.
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Temperatura, °°°°C Pressão, kPa
R717 CO2
26,7 951,5 6.577,6
1,7 455,1 3.543,9
-42,8 40,6 792,9
Características do R744
31
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Pressão de condensação
Em um ciclo convencional a pressão de alta está diretamente relacionada com as características de transferência de calor no condensador e a temperatura do fluido externo utilizado para rejeição de calor. No ciclo transcrítico, essa pressão depende de um balanço entre a capacidade do compressor e a resistência ao escoamento produzida pelo dispositivo de expansão. Assim, a principal função desse dispositivo é manter a pressão de alta otimizada, não sendo capaz de controlar a alimentação do evaporador com um fluxo de massa adequado.
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FIM!!!