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SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO E AR CONDICIONADO

PROF.: KAIO DUTRA

AULA 1-3 – SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO

SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO A VAPORCICLO DE REFRIGERAÇÃO DE CARNOT

◦ Este ciclo é obtido pelainversão do ciclo depotência a vapor deCarnot.

◦ Todos os processos sãointernamente reversíveis.

◦ Também não existemirreversibilidades externas,já que as transferências decalor entre o refrigerantee cada região ocorre semuma diferença detemperatura.

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◦ A área 1-a-b-4-1 é o caloradicionado ao refrigeranteatravés da região fria porunidade de massa aorefrigerante. A área 2-a-b-3-2 é o calor rejeitado pelorefrigerante para a regiãoquente por unidade demassa de refrigerante.

◦ A área 1-2-3-4-1representa a transferênciade calor líquida pelorefrigerante.

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◦O coeficiente dedesempenho dequalquer ciclo derefrigeração é a razãoentre o efeito derefrigeração e o trabalholíquido necessário paraatingir tal efeito.

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SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO A VAPORDESVIOS DO CICLO DE CARNOTR

◦ Ciclos reais derefrigeração apresentamdesempenho inferioresàqueles que seriamcalculados para o Ciclo deCarnot.

◦ São considerados trêsmaneiras pelas quaissistemas reais desviam-sedo Ciclo de Carnot:◦ Está relacionado às

transferências de calor entreo refrigerante e as duasregiões. Em sistemas reais,essas transferências não sãorealizadas reversivelmente.

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◦ São considerados trêsmaneiras pelas quaissistemas reais desviam-se do Ciclo de Carnot:◦ O processo do estado 1-2

ocorre com o refrigerantena condição de mistura deduas fases líquido-vapor, oque comumente éconhecido comocompressão molhada. Acompressão molhada énormalmente evitada, jáque a presença de gotasde líquido pode danificar ocompressão.

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◦ Ciclos reais de refrigeração apresentamdesempenho inferiores àqueles queseriam calculados para o Ciclo de Carnot.

◦ São considerados três maneiras pelasquais sistemas reais desviam-se do Ciclode Carnot:◦ Uma outra característica que torna o ciclo de

Carnot impossível é o processos de expansãodo estado de líquido saturado 3 para o estadode mistura de duas fases líquido-vapor. Essaexpansão produz uma quantia relativamentepequena de trabalho, comparada ao trabalhode adicionamento no processos decompressão. Por conseguinte, o trabalhodisponível da turbina é normalmentesacrificado substituindo-a por uma simplesválvula de expansão. Esse ciclo é conhecidocomo ciclo de refrigeração por compressão devapor.

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REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE VAPORANALISANDO O TRABALHO E AS TRANSFERENCIAS DE CALOR

◦Evaporador: a taxa de calor transferido éconhecida como capacidade derefrigeração. Uma unidade comumenteutilizada é a tonelada de refrigeração(TR=211KJ/min).

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◦Compressor: admitindo-se que não existetransferência de calor de ou para ocompressor, temos:

◦Condensador: Onde se condensa e ocorreuma transferência de calor dorefrigerante para as vizinhanças.

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◦Válvula de expansão: expansão até apressão de vapor, modelado como umprocessos de estrangulamento.

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◦No sistema de compressão a vapor, ofornecimento de potência é igual àpotência do compressor, já que a válvulade expansão não admite entrada ou saídade potência. Desta Forma:

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REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE VAPORDESEMPENHO DE SISTEMAS DE COMPRESSÃO DE VAPOR◦O ciclo consiste na seguinte série de

processos:◦ Processo 1-2s: compressão isentrópica;◦ Processo 2s-3: transferência de calor do

refrigerante à medida que escoa com pressãoconstante ao longo do condensador.

◦ Processo 3-4: Processos de estrangulamento;◦ Processo 4-1: Transferência de calor para o

refrigerante à medida que ele escoa com pressãoconstante ao longo do evaporador.

◦Apesar do processo de estrangulamento, ociclo é normalmente conhecido como cicloideal de compressão de vapor.

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REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE VAPORExemplo 10.1

◦Refrigerante 134a é o fluidode trabalho em um ciclo idealde compressão a vapor,mostrado na figura. Para umavazão de 0,08Kg/s, determine:a) A potência do compressor;

b) A capacidade frigorífica;

c) O coeficiente de desempenho;

d) O coeficiente de desempenhodo ciclo de Carnot a 26 e 0°C.

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REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE VAPORDESEMPENHO DE SISTEMAS DE COMPRESSÃO DE VAPOR◦Para o ciclo que se aproxime mais da

realidade, teremos as seguintesmodificações:◦ Mudança de valores de temperatura no

ciclo em relação a fonte fria e fontequente;

◦ Perdas de carga nas tubulações etrocadores de calor;

◦ Vapor superaquecido na saída doevaporador e sub-resfriado na saída docondensador.

◦ Efeitos de irreversibilidade dacompressão;

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◦Refrigerante 134a é o fluidode trabalho do ciclo,mostrado na figura. Para umavazão de 0,08Kg/s, eficiênciaisentrópica do compressor de80%, determine:a) A potência do compressor;

b) A capacidade frigorífica;

c) O coeficiente de desempenho;

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REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE VAPORDiagrama P-h

◦Um diagrama de propriedadestermodinâmicas amplamenteempregado no campo da refrigeraçãoé o digrama P-h. Vários manuaistécnicos de refrigeração usamdiagramas P=h para apresentarpropriedades de sistemas derefrigeração.

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SELECIONANDO REFRIGERANTES◦A seleção de refrigerantes baseia em três fatores:◦Desempenho: refere-se a fornecer a refrigeração

necessária ou a capacidade de aquecimento de maneiraconfortável e econômica;

◦Segurança: refere-se a evitar riscos, como toxidade einflamabilidade;

◦ Impacto Ambiental: refere-se principalmente ao uso defluidos refrigerantes que não agridam a camadaestratosférica de ozônio ou que contribuamsignificativamente para a mudança climática global.

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SELECIONANDO REFRIGERANTESTIPOS DE REFRIGERANTES

◦Por causa dos riscos de toxidade e inflamabilidadeduas classes de refrigerantes sintéticos foramdesenvolvidas:◦ CFC’s: Clorofluorcarbono;

◦HCFC’s: hidroclorofluorcarbono

◦Esses refrigerantes ficaram amplamenteconhecidos como: “freons”

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◦ Em 1987, um acordo internacional foi adotado para proibira produção de certos refrigerantes que contêm cloro, vistoa descoberta de sua agressividade a camada de oxônio.

◦ Foi desenvolvido uma nova classe de refrigerantes isentosde cloro: os HFC’s (hidrofluorcarbonos).

◦Um dos HFC’s, o R134a, tem sido amplamente usdado nolugar do R-12.

◦ Porém o R143a contribui fortemente para o aquecimentoglobal e deve ser futuramente substituído por misturas deHFC.

◦A amônia, que foi amplamente empregada nos primórdiosda refrigeração, continua a servir para sistemas de grandesdimensões como os utilizados na indústria alimentar.

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OUTRAS APLICAÇÕES DOS SISTEMAS DE COMPRESSÃO A VAPORARMAZENAMENTO DE CALOR

◦O armazenamento de frio trata-se de produção de água ou gelodurante os períodos fora de picode uso do sistema.

◦Aplicações incluem edifícioscomerciais, centros médicos,prédios de faculdades e centroscomerciais.

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OUTRAS APLICAÇÕES DOS SISTEMAS DE COMPRESSÃO A VAPORCICLOS EM CASCATA

◦Arranjos para refrigeração em que utilizauma combinação de ciclos são chamadosciclos em cascata.◦No trocador de calor intermediário, aenergia rejeitada durante a condensação dociclo de baixa temperatura A é usada paraevaporar o refrigerante no ciclo de altatemperatura B.◦Neste caso o coeficiente de desempenhofica:

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OUTRAS APLICAÇÕES DOS SISTEMAS DE COMPRESSÃO A VAPORCOMPRESSÃO MULTIESTÁGIO COM INTER-RESFRIAMENTO

◦Nos sistemas de refrigeração atemperatura do refrigerante énormalmente inferior àqueladas vizinhanças.

◦No ciclo, apresentado nafigura, o inter-resfriamento éobtido através de um trocadorde calor de contato direto queutiliza parte de refrigeranterefrigerado noestrangulamento da válvulapara resfriar no processo decompressão.

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REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO◦Estes sistemas diferenciam-se do ciclo

de compressão de vapor em doisdetalhes importantes:1. Natureza do processo de compressão: em

vez de comprimir o vapor, o refrigerante éabsorvido por uma substância secundária,chama de absorvente, formando umasolução líquida que é bombeada para umapressão mais elevada.

2. Remoção do refrigerante: algummecanismo deve ser inserido nos sistemasde absorção para a retirada do vapor derefrigerante antes que o refrigerante entreno condensador.

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REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO◦ Para ciclos de absorção a amônia pode ser o

refrigerante e água pode ser usada como absorvente.◦No absorvedor o vapor de amônia vindo do

evaporador é absorvido pela água líquida, em umprocesso exotérmico.

◦No gerador, uma transferência de calor extrai amôniada solução e uma solução fraca de água deixa ogerador e realiza expansão na válvula.

◦Um trocador de calor pode ser instalado entre oabsorvedor e gerador para reduzir o calor necessárioda fonte quente no gerador.

◦Um retificador pode ser instalado após o gerador, coma função de remover resquícios de água na amônia.

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SISTEMAS DE BOMBAS DE CALOR◦O objetivo de uma bomba decalor é manter a temperatura nointerior de um ambiente acimada temperatura da vizinhança oupromover uma transferência decalor para certos processosindustriais que acontecem atemperatura elevadas.

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SISTEMAS DE BOMBAS DE CALORCICLO DE BOMBA DE CALOR DE CARNOT

◦Pode-se considerar o ciclo mostradoao lado como o de uma bomba decalor fazendo-se uma simples deinversão do sentido de circulação dofluido.

◦Desta forma:

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SISTEMAS DE BOMBAS DE CALORCICLO DE BOMBA DE CALOR DE CARNOT

◦O coeficiente de desempenho dequalquer ciclo de bomba de calor édefinido como a razão entre o efeitode aquecimento e a potência deacionamento líquida necessária parase alcançar esse efeito.

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SISTEMAS DE BOMBAS DE CALORBOMBAS DE CALOR POR COMPRESSÃO DE VAPOR◦Uma bomba de calor por

compressão típica paraaquecimento de ambientestem os mesmo componentesbásicos do sistema derefrigeração por compressãode vapor.

◦O coeficiente dedesempenho de uma bombade calor por compressão devapor simples, de acordocom os estados é:

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SISTEMAS DE BOMBAS DE CALORBOMBAS DE CALOR POR COMPRESSÃO DE VAPOR

◦Determinados sistemas de bombas decalor também podem ser utilizadospara promover resfriamento no verãocom o uso de uma válvula dereversão.

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REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE VAPORExemplo 10.4◦Refrigerante 134a é o fluido

de trabalho de uma bomba decalor. Vapor saturado entra nocompressor a -8°C e sai a50°C, 10bar. Líquido saturadosai com condensador a 10bara uma vazão 0,2Kg/s,determine:a) A potência do compressor;b) A eficiência isentrópica do

compressorc) O coeficiente de desempenho;

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SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO A GÁSCICLO DE REFRIGERAÇÃO BRAYTON

◦O ciclo de refrigeraçãoBrayton é o reverso do ciclofechado de potênciaBrayton.

◦O diagrama T-s mostra umciclo de refrigeraçãoBrayton.

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SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO A GÁSCICLO DE REFRIGERAÇÃO BRAYTON

◦Análise do ciclo:

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SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO A GÁSOUTRAS APLICAÇÕES DE REFRIGERAÇÃO A GÁS

◦A figura mostra o esquema e odiagrama de um ciclo Braytonmodificado para introdução de umtrocador de calor.

◦O trocador de calor permite que o arque sai do compressor no estado 2seja resfriado a uma temperaturamais baixa que a temperatura daregião quente , fornecendo umatemperatura baixa na entrada daturbina.

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SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO A GÁSOUTRAS APLICAÇÕES DE REFRIGERAÇÃO A GÁS

◦Um exemplo de aplicação de refrigeração agás para o resfriamento de uma cabina deavião é apresentado na figura.

◦Uma pequena quantidade de ar a alta pressãoé extraida do compressor principal do motor ajato e resfria por transferência de calor para oambiente.

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◦Ar a 1atm e com vazão de50ft³/s é admitido em umciclo de refrigeração a gásBrayton, conforme imagem,determine:a) A potência líquida.

b) Capacidade frigorífica.

c) O coeficiente dedesempenho.

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