seminário ppgem - refrigeração (parte 01)

SISTEMAS DE REFRIGERAO Parte 1

Autor: Arthur Garuti dos Santos - 7208776Prof. Dr. Silvio de Oliveira Jnior

Escola Politcnica da Universidade de So PauloPrograma de Ps Graduao em Engenharia Mecnica

Agenda

Introduo

Compresso de vapor

Ejeto compresso

Ciclo de Absoro

Ciclo Brayton

Referncias

PME5014 Termodinmica Avanada I Programa de Ps Graduao em Engenharia Mecnica 2

Introduo Objetivo: manter a

temperatura de um determinado corpo abaixo da temperatura do meio custa de um fornecimento de calor ou trabalho.

Os sistemas de refrigerao baseiam-se em ciclos termodinmicos para garantir o efeito desejado e rejeitar calor para o meio externo.


Figura 1 Refrigerador (Boles, 2008)

Introduo Capacidade de refrigerao (): taxa de energia que o sistema

capaz de retirar na forma de calor do espao refrigerado.

Energia de acionamento ( ou ): taxa de energia necessria para o sistema funcionar.

Taxa de rejeio de calor ()

Unidades: quilowatt (kW); tonelada de refrigerao (TR); quilocaloria por hora (kcal/h); british thermal unit per hour (BTU/h).

1 TR = 3.520 W = 12.000 BTU/h = 3.024 kcal/h


Introduo Coeficiente de eficcia (COP ou ): mede a eficcia do

sistema a partir do seu efeito til e o insumo energtico utilizado.

=

=


Compresso de vapor


Primeiro equipamento foi patenteado em 1834 por Jacob Perkins.

Sistema utiliza um fluido de trabalho (refrigerante) que circula em uma sistema fechado alternando de fase (lquido e gs).

Evaporao -> absoro de calor latente do processo.

Condensao -> rejeio de calor latente para o meio.

Aplicaes: uso domstico, industrial e sistemas de ar condicionado.

Figura 2 Esquema de uma geladeira domstica.

Compresso de vapor


Principais elementos do sistema: Compressor: vapor de refrigerante a

baixa presso e temperatura entra no compressor onde comprimido para um estado de maior presso e temperatura. O vapor descarregado no condensador.

Condensador: Vapor a alta presso e temperatura condensado e resfriado, ou seja, rejeio de calor para o meio.

Vlvula de expanso: muda o estado do refrigerante lquido para uma temperatura e presso inferior (expanso de Joule-Thomsom)

Evaporador: serpentina onde ocorre a evaporao do refrigerante a baixa presso e temperatura.

Figura 3 Componentes de um sistema de

refrigerao de compresso a vapor (IGNOU,

2015).

Compresso de vapor


Expanso de Joule-Thomsom

Variao de temperatura e presso de um gs entalpia constante.

Coeficiente de Joule-Thomsom:

Figura 4 Expanso de Joule-Thomsom (Bejan, 1988)

Compresso de vapor


Expanso de Joule-Thomsom

Coeficiente deve ser positivo para ter

o efeito de resfriamento do gs, ou

seja, a linha de entalpia constante

que passa pelo estado do gs antes

da expanso deve ter inclinao

negativa no diagrama T-s.

Figura 5 Coeficiente de Joule-Thomsom no diagrama T-P (Bejan, 1988).

Compresso de vapor


Ciclo Ideal (Reversvel):

1-2: Absoro de calor

isotrmica reversvel;

2-3: Compresso

adiabtica reversvel;

3-4: Rejeio de calor

isotrmica reversvel;

4-1: Expanso

adiabtica reversvel.

Figura 6 Ciclo ideal de refrigerao, Carnot (Boles, 2008)

Compresso de vapor


Ciclo Padro

Vlvula de expanso substituindo a turbina;

Compresso de vapor saturado (compresso de lquido-gs pode causar problemas operacionais no compressor).

1-2: Compresso

isentrpica;

2-3: Rejeio de calor a

presso constante;

3-4: estrangulamento

adiabtico (Joule-

Thomsom);

4-1: Absoro de calor

a presso constante

Figura 7 Ciclo padro (Boles, 2008)

Compresso de vapor


Ciclo Padro

Trabalho de compresso: = ! ( "# - "$)

Calor rejeitado no condensador: = ! ( "% - "#)

Expanso adiabtica: "% = "&

Capacidade de refrigerao: = ! ( "$ - "&)

COP = "$ - "& / ("# - "$)

Figura 8 Ciclo padro, diagrama P-h (Boles, 2008)

Compresso de vapor


Ciclo Real

Superaquecimento na entrada do compressor: garante que no ocorra compresso mida, evitando problemas operacionais.

Aumento da capacidade

de refrigerao;

Aumento do volume

especfico;

Maior trabalho de

compresso.

Figura 9 Ciclo real com superaquecimento,

diagrama P-h (IGNOU, 2015).

Compresso de vapor


Ciclo Real

Subresfriamento no condensador:

Aumento da capacidade

de refrigerao;

Reduz o efeito flash na

vlvula de expanso.

Os efeitos na eficcia do sistema relacionados ao superaquecimento e

subresfriamento dependem do refrigerante utilizado.

Os efeitos positivos apresentados no ciclo real so superados pelos efeitos

negativos (perda de carga na tubulao, irreversibilidades da compresso,

vlvula no isentlpica, etc)

Figura 10 Ciclo real com subresfriamento, diagrama P-h (IGNOU, 2015).

Compresso de vapor


Modificaes no ciclo bsico:

Ciclo bsico opera com diferenas de temperaturas na ordem de 40 a 50C;

Para maiores diferenas de temperatura (criogenia, liquefao de gases) surgem problemas operacionais com diminuio do COP.

Solues: compresso em mltiplos estgios, sistemas em cascata, entre outros.

Ejeto Compresso


Introduo

Ejetor foi inventado em 1858 por Henry Giffard: soluo para o abastecimento de gua em reservatrios de vapor.

Ejetores passaram a ser utilizados para aprimorar sistemas de refrigerao.

Em 1910, Le Blanc inventa o ejetor de vapor, utilizados em sistemas de refrigerao que utilizam rejeitos trmicos como calor.

Em 1931, Gay inventa o ejetor de 2 fases, utilizado para aumentar a eficcia de sistemas de refrigerao.

Figura 11 Ejetor patenteado por Giffard em 1864 (Elbel, 2008).

Ejeto Compresso


Funcionamento Princpio: converte energia interna e presso do escoamento primria em energia cintica.

a. Um bocal convergente-divergente acelera o escoamento primrio;

b. Alta velocidade interage com o escoamento secundrio na cmara de suco;

c. Momento transferido do fluido primrio para o secundrio resultando na acelerao do secundrio;

d. Seo de mistura projetada com seo transversal constante, este processo acompanhado de ondas de choque ocasionando aumento de presso;

e. Escoamento na sada da seo de mistura possui alta velocidade;

f. Difusor no final do ejetor converte energia cintica em potencial (aumento de presso);

g. Em geral, o escoamento final possui uma presso intermediria em relao as presses de entrada.

Figura 12 Esquema de um ejetor (Elbel, 2008).

Ejeto Compresso


Sistemas de refrigerao que utilizam rejeitos trmicos (low-grade energy)

Figura 13 Ciclo de refrigerao com ejeto compresso, R744, com correspondente diagrama P-s (Elbel, 2008).

Ejeto Compresso


Sistemas de refrigerao que utilizam rejeitos trmicos (low-grade energy)

Vantagens e desvantagens:

utiliza fontes de energia como gases de combusto, luz solar, rejeitos trmicos em geral.

Bomba + Gerador de vapor + ejetor => compressor

Bomba necessita de menos trabalho do que o compressor para um mesmo aumento de presso.

Diminui a necessidade de lubrificao.

Em relao aos sistemas de absoro, este no necessita de misturas de substncias.

COP baixo

Experimentos:

R113: = 0,4kW a 2,2kW ; COP entre 0,02 e 0,26. (Huang et al., 1985)

R141b: = 10,5kW ; COP = 0,5 (Tge = 90 , Tcond = 28 , Tevap = 8 . (Huang et al., 1998)

Ejeto Compresso


Recuperao do trabalho de expanso

Objetivo: melhorar a eficcia de sistemas de refrigerao recuperando o trabalho desperdiado nas vlvulas de expanso.

Substitui um processo isentlpico por um isentrpico.

Figura 14 Ciclo de refrigerao com ejeto compresso de duas fases, R744, com correspondente diagrama P-s (Elbel, 2008).

Ejeto Compresso



Vantagens e desvantagens:

Aumento do efeito til do sistema

Diminuio do trabalho de compresso

Aumento do COP

Experimentos tericos: aumento de at 21% no COP em relao a um sistema convencional. (Kornhauser, 1990)

Ejeto Compresso



Figura 15 Comparao entre ciclo com ejeto compresso e ciclo padro (Kornhauser, 1990)

Ciclo de Absoro


Introduo

Patenteado em 1860 por Ferdinand Carr.

Motivao: utilizar rejeito trmico de processos industriais para refrigerao (cogerao).

Alternativa ecolgica, pois no utiliza CFCs como refrigerante.

Opera com misturas binrias (absorvedor/refrigerante) como fluido de trabalho

COP baixo.

Ciclo de Absoro


Princpio de operao

Vaporizao do refrigerante no evaporador;

Absoro do refrigerante no absorvedor;

Dessoro do refrigerante no gerador;

Condensao do refrigerante no condensador.

Figura 16 Princpio de operao de um ciclo de absoro (Fiorelli, 2014)

Ciclo de Absoro


Sistema de refrigerao por absoro

Figura 17 Ciclo padro de absoro(Fiorelli, 2014)

Ciclo de Absoro


Rendimento mximo

Figura 18 Rendimento de mximo para um ciclo de absoro ideal (Fiorelli, 2014)

Ciclo de Absoro


Balano de massa e energia no gerador

Balano de massa total: ! ! ( ) !

Balano de massa do solvente: ! * ! (*(, * ,-./012

,2.23/

Assim, ! ! . 4-

4-54

f

Substituindo no balano total:! ( = ! (f 1)

Balano de energia: ! " )! ("( ! "

Substituindo, 6 " ) 7 1"( 7"

Portanto o COP do ciclo padro dado por:

Ciclo de Absoro


Fluido de trabalho

Misturas binrias: H2O/NH3 ; LiBr/H2O

A concentrao da mistura necessria para determinar seu estado termodinmico, alm da temperatura e presso.

Miscibilidade o principal fator para definir o fluido de trabalho em sistemas de absoro.

A combinao absorvedor/refrigerante deve ter uma boa miscibilidade dentro das temperaturas de operao do ciclo.

As temperaturas de ebulio do absorvedor e refrigerante (a uma dada presso) devem ter a maior diferena possvel.

Ciclo de Absoro


Tipos de sistemas de absoro

Simples efeito

Mais utilizado no mercado;

Sistemas que utilizam H2O/NH3 adiciona-

se um retificador na sada do gerador;

Utilizao de regenerador para aumentar

a eficincia do equipamento;

COP 0,6

Figura 19 Simples efeito (SRIKHIRIN, 2009)

Figura 20 Chiller a absoro de Simples efeito da TRANE

(Fiorelli, 2014)

Ciclo de Absoro



Simples efeito

Figura 21 Ciclo de absoro com retificador (Boles, 2008)

Ciclo de Absoro



Duplo efeito

Objetivo: aumentar o COP do sistema;

Combinao de 2 sistemas de simples efeito;

COP 0,9

Figura 22 Duplo efeito (SRIKHIRIN, 2009)

Figura 23 Chiller a absoro de duplo efeito da TRANE (Fiorelli,

2014)

Ciclo Brayton


Introduo

Ciclo bsico

Trabalho de compresso: = ! ( "# - "$)

Calor rejeitado no condensador: = ! ( "% - "#)

Expanso adiabtica: = ! ( "& - "%)

Capacidade de refrigerao: = ! ( "$ - "&)

Figura 24 Ciclo Brayton (Fiorelli, 2014)

Ciclo Brayton


Ciclo Brayton de refrigerao com regenerador

Figura 25 Ciclo Brayton de refrigerao com regenerador (Boles, 2008)

Ciclo Brayton


Ciclo Brayton de refrigerao com regenerador

Ciclo Brayton est

escondido em

qualquer sistema

de refrigerao

que utiliza turbina.

Considerando gs

ideal possvel

analisar as

irreversibilidades

do sistema.

Figura 26 Decomposio dos ciclos. (Bejan, 1988)

Ciclo Brayton


Irreversibilidades Ciclo ideal

Capac. de refrigerao:

Acrscimo de n turbinas:

A diferena entre os valores deve-se s

irreversibilidades do aquecimento 5-6.

(rea pontilhada do grfico)

Figura 27 Ciclo Brayton ideal. (Bejan, 1988)

Ciclo Brayton


Irreversibilidades Ciclo real

a. Perda de presso no trocador de calor de alta presso

(trecho 3-4).

b. Trocador de calor finito, portanto:

& :

% $

c. Expanso no isentrpica na turbina:

d. Perda de presso no trocador de calor de baixa presso

(trecho 5-1).

Diminuio do efeito til (rea hachurada):

Figura 28 Ciclo Brayton real. (Bejan, 1988)

Ciclo Brayton


Irreversibilidades Ciclo real

Combinando as irreversibilidades com a mxima capacidade de refrigerao obtm-se a

seguinte expresso adimensional:

Deste modo, pode-se determinar

numericamente como as

irreversibilidades atuam em todo

sistema.

Ex: G>?ABC, 10EF!,

1EF!, 300HI 30H

Figura 29 Irreversibilidades de um ciclo Brayton. (Bejan, 1988)

Referncias


Bejan, A., Advanced Engineering Thermodynamics, John Wiley and Sons Inc., 1988.

CENGEL, Y. A.; BOLES, M. A. Thermodynamics : an engineering approach., McGrawHill, 2008.

Elbel, Stefan and Hrnjak, Predrag, Ejector Refrigeration: An Overview of Historical and Present

Developments with an Emphasis on Air-Conditioning Applications (2008). International

Refrigeration and Air Conditioning Conference. Paper 884. http://docs.lib.purdue.edu/iracc/884

FIORELLI, F. A. S., Notas de aula PME2513 Refrigerao Industrial. Universidade de So Paulo,

2014.

FIORELLI, F. A. S., Sistemas de Refrigerao por Absoro. Universidade de So Paulo.

KORNHAUSER, A. A., The Use of an Ejector as a Refrigerant Expander (1990). International

Refrigeration and Air ConditioningConference. Paper 82.http://docs.lib.purdue.edu/iracc/82

Refrigeration Cycle. Indira Gandhi National Open University, 2015.

http://www.ignou.ac.in/upload/Unit%202-32.pdf

SRIKHIRIN, P.; APHORNRATANA, S.; CHUNGPAIBULPATANA, S. A review of absortption refrigeration

technologies (2001). Mechanical Engineering Program, Sirindhorn International Institute of

Technology, Thammasat University, PO Box 22 Thammasat Rangsit Post Office, Patumthani 12121,

Thailand.

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