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Termodinâmica Prof. Dr. Cláudio S. Sartori Capítulo 4 Ciclos de refrigeração 82 82 Ciclos de Refrigeração Refrigeração Térmica Tipos de Refrigeração Refrigeração magnética é uma tecnologia de refrigeramento , sendo desenvolvida atualmente pela parceria do Ames Laboratory do Departamento de Energia dos Estados Unidos com a Corporação astronáutica da América. Um modelo protótipo foi criado com sucesso em 1996 . Essa tecnologia utiliza um efeito magneto- calorífico, que é uma tendência de determinados materiais, tais como o elemento metálico gálio , os quais se aquecem muito quando inseridos em um campo magnético e se refrigeram rápido até temperaturas muito baixas quando retirados desse campo. Esta técnica foi usada por muitos anos em sistemas criogênicos e também no controle de temperatura dos sistemas de refrigeração, para estes atingirem temperaturas de 4 kelvins ou mais baixas. Refrigeração termoacústica ou sônica é uma tecnologia que utiliza ondas sonoras de alta amplitude na pressurização de gases , com o objetivo de bombear o calor de um lugar a outro. Os dispositivos termoacústicos são os mais eficientes construídos até o momento, pois têm uma eficiência relativa próxima de 40% (relativa à máquina de Carnot ), tornando-os comparáveis aos sistemas domésticos de compressão de vapor e, na maioria dos casos, superiores aos motores de combustão interna . Refrigeração termoacústica ou sônica é uma tecnologia que utiliza ondas sonoras de alta amplitude na pressurização de gases , com o objetivo de bombear o calor de um lugar a outro. Os dispositivos termoacústicos são os mais eficientes construídos até o momento, pois têm uma eficiência relativa próxima de 40% (relativa à máquina de Carnot ), tornando-os comparáveis aos sistemas domésticos de compressão de vapor e, na maioria dos casos, superiores aos motores de combustão interna . Fluidos Refrigerantes O Freon pode ser definido como diversos tipos de gases a base clorofluorcarbonos . Estes são conhecidos como CFCs . É marca registrada da empresa norte americana Du Pont , apontada por muitos como a principal causadora de danos atmosféricos, danos à saúde da humanidade e danos contra os seres vivos e portanto contra o Planeta Terra nas últimas décadas. O Freon ainda é utilizado comercialmente pela indústria de refrigeradores , eletrônica , mecânica entre outras. Histórico do Freon Entre os anos 1800 até 1929 os gases utilizados para fins de refrigeração eram tóxicos . Estes eram: a amônia (NH 3 ), cloreto de metil (CH 3 Cl), e dióxido de enxofre (SO 2 ). No século XX, na década de 1920 , ocorreram muitos acidentes fatais em função de vazamento de cloreto de metil em refrigeradores industriais e até mesmo residenciais. Muitas empresas e proprietários de equipamentos de refrigeração começaram a deixar seus refrigeradores ao ar livre para prevenir possíveis vazamentos. Devido aos grandes prejuízos e processos judiciais contra as indústrias de refrigeração, estas iniciaram um esforço conjunto para resolver o problema. Os descobridores Em 1926 , Thomas Midgley, Jr. E Charles Franklin Kettering inventaram uma combinação de gases que foi chamada de Freon. Os CFCs são um grupo de alifático de combinações orgânicas que contêm o carbono , flúor , e, em muitos casos, outros halógenos (especialmente cloro ) e hidrogênio . São incolores, inodoros, não inflamáveis, não são corrosivos ou líquidos. Thomas Midgley foi escolhido por Charles Franklin Kettering para dirigir a pesquisa dos CFCs. A empresa Frigidaire obteve a primeira patente para a fórmula para gases de refrigeração no dia 31 de dezembro de 1928 . A união das empresas Em 1930 a General Motors e a DuPont formaram a Kinetic Chemical Company para produzir o Freon. Em 1935 a Frigidaire e seus concorrentes já tinham comercializado em torno de 8 milhões de refrigeradores novos nos Estados Unidos . Em 1932 , a Carrier Engineering Corporation usou o Freon na primeira unidade de ar condicionado. Fabricado pela empresa DuPont durante anos os CFCs foram usados e liberados livremente na atmosfera sem conhecimento dos danos que estavam causando para a humanidade e para o Planeta Terra , pois eram gases considerados seguros e estáveis. O clorofluorcarbonetos ou Clorofluorcarbono(CFC) são um grupo de hidrocarbonetos halogenados usados em aerosóis , gases para refrigeradores , solventes e extintores de incêndio . São derivados dos hidrocarbonetos saturados obtidos mediante a substituicão de átomos de hidrogênio por átomos de cloro e flúor. Exemplos de CFC são:

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Page 1: Termodinâmica Prof. Dr. Cláudio S. Sartori Capítulo 4 ... · um motor.(Absorção de calor a uma temperatura baixa), rejeição de uma quantidade de calor maior a uma temperatura

Termodinâmica – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori Capítulo 4 – Ciclos de refrigeração

82

82

Ciclos de Refrigeração

Refrigeração Térmica

Tipos de Refrigeração

Refrigeração magnética é uma

tecnologia de refrigeramento, sendo desenvolvida

atualmente pela parceria do Ames Laboratory do

Departamento de Energia dos Estados Unidos com a

Corporação astronáutica da América. Um modelo

protótipo foi criado com sucesso em 1996.

Essa tecnologia utiliza um efeito magneto-

calorífico, que é uma tendência de determinados

materiais, tais como o elemento metálico gálio, os

quais se aquecem muito quando inseridos em um

campo magnético e se refrigeram rápido até

temperaturas muito baixas quando retirados desse

campo.

Esta técnica foi usada por muitos anos em

sistemas criogênicos e também no controle de

temperatura dos sistemas de refrigeração, para estes

atingirem temperaturas de 4 kelvins ou mais baixas.

Refrigeração termoacústica ou

sônica é uma tecnologia que utiliza ondas sonoras

de alta amplitude na pressurização de gases, com o

objetivo de bombear o calor de um lugar a outro.

Os dispositivos termoacústicos são os mais

eficientes construídos até o momento, pois têm uma

eficiência relativa próxima de 40% (relativa à

máquina de Carnot), tornando-os comparáveis aos

sistemas domésticos de compressão de vapor e, na

maioria dos casos, superiores aos motores de

combustão interna.

Refrigeração termoacústica ou

sônica é uma tecnologia que utiliza ondas sonoras

de alta amplitude na pressurização de gases, com o

objetivo de bombear o calor de um lugar a outro.

Os dispositivos termoacústicos são os mais

eficientes construídos até o momento, pois têm uma

eficiência relativa próxima de 40% (relativa à

máquina de Carnot), tornando-os comparáveis aos

sistemas domésticos de compressão de vapor e, na

maioria dos casos, superiores aos motores de

combustão interna.

Fluidos Refrigerantes

O Freon pode ser definido como diversos

tipos de gases a base clorofluorcarbonos. Estes são

conhecidos como CFCs. É marca registrada da

empresa norte americana Du Pont, apontada por

muitos como a principal causadora de danos

atmosféricos, danos à saúde da humanidade e danos

contra os seres vivos e portanto contra o Planeta

Terra nas últimas décadas. O Freon ainda é utilizado

comercialmente pela indústria de refrigeradores,

eletrônica, mecânica entre outras.

Histórico do Freon

Entre os anos 1800 até 1929 os gases

utilizados para fins de refrigeração eram

tóxicos. Estes eram: a amônia (NH3), cloreto de

metil (CH3Cl), e dióxido de enxofre (SO2).

No século XX, na década de 1920,

ocorreram muitos acidentes fatais em função de

vazamento de cloreto de metil em refrigeradores

industriais e até mesmo residenciais.

Muitas empresas e proprietários de

equipamentos de refrigeração começaram a

deixar seus refrigeradores ao ar livre para

prevenir possíveis vazamentos.

Devido aos grandes prejuízos e

processos judiciais contra as indústrias de

refrigeração, estas iniciaram um esforço

conjunto para resolver o problema.

Os descobridores

Em 1926, Thomas Midgley, Jr. E

Charles Franklin Kettering inventaram uma

combinação de gases que foi chamada de Freon.

Os CFCs são um grupo de alifático de

combinações orgânicas que contêm o carbono,

flúor, e, em muitos casos, outros halógenos

(especialmente cloro) e hidrogênio. São

incolores, inodoros, não inflamáveis, não são

corrosivos ou líquidos. Thomas Midgley foi

escolhido por Charles Franklin Kettering para

dirigir a pesquisa dos CFCs. A empresa

Frigidaire obteve a primeira patente para a

fórmula para gases de refrigeração no dia 31 de

dezembro de 1928.

A união das empresas

Em 1930 a General Motors e a DuPont

formaram a Kinetic Chemical Company para

produzir o Freon. Em 1935 a Frigidaire e seus

concorrentes já tinham comercializado em torno

de 8 milhões de refrigeradores novos nos

Estados Unidos. Em 1932, a Carrier

Engineering Corporation usou o Freon na

primeira unidade de ar condicionado. Fabricado

pela empresa DuPont durante anos os CFCs

foram usados e liberados livremente na

atmosfera sem conhecimento dos danos que

estavam causando para a humanidade e para o

Planeta Terra, pois eram gases considerados

seguros e estáveis.

O clorofluorcarbonetos ou

Clorofluorcarbono(CFC) são um grupo de

hidrocarbonetos halogenados usados em

aerosóis, gases para refrigeradores, solventes e

extintores de incêndio.

São derivados dos hidrocarbonetos

saturados obtidos mediante a substituicão de

átomos de hidrogênio por átomos de cloro e

flúor.

Exemplos de CFC são:

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Termodinâmica – Prof. Dr. Cláudio S. Sartori Capítulo 4 – Ciclos de refrigeração

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CFCl3 (CFC-11)

CF2Cl2 (CFC-12)

C2F3Cl3 (CFC-113)

C2F4Cl2(CFC-114)

C2F5Cl (CFC-115)

Camada de ozônio

Quando começou a ser ultilizado, o freon, o

mais conhecido CFC, parecia a solução perfeita aos

problemas da refrigeração, por não se dividir e não

causar danos ao seres vivos, muito melhor que o

produto anteriormente ultilizado, a amônia. Porém,

atualmente descobriu-se que os CFCs sofrem

fotólise quando submetidos à radiação UV,

ultravioleta, dividindo-se na altura da camada de

ozônio onde a presença desse raios são constantes:

F Cl

| Luz U.V. |

Cl - C - Cl ---------> Cl - C. .Cl

| |

Cl Cl

O Radical Livre Cloro que se forma, logo reage com

o Ozônio, o decompondo em O2 (Oxigênio Gasoso)

e OCl (Monóxido de Cloro):

Cl + O3 -> O2 + OCl

O OCl então pode reagir com outra molécula de O3,

formando duas moléculas de O2 e deixando o

Radical Livre Cl pronto para repetir o ciclo

reacional:

OCl + O3 -> 2 O2 + Cl

Em Resumo:

Cl + Luz

2 O3 ----------> 3 O2

O Ciclo prossegue até que o cloro se ligue a

uma substância diferente de O3 que forme uma

substância resistente à fotólise ou uma substância

mais densa (que leve o Cl da camada de ozônio para

uma mais baixa):

(O2). Esse fenômeno causa a destruição na camada

de ozônio, o que aumenta a entrada de raios UV na

atmosfera causando grandes problemas como o

câncer de pele, catarata, diminuição do fitoplâncton

e redução das colheitas.

Protocolo de Montreal

A restauração da camada de ozônio ocorre

naturalmente, porém de forma lenta, e o ritmo da

destruição atual não permite a plena restauração. O

Protocolo de Montreal foi firmado pela maioria dos

países do mundo com o objetivo de, aos poucos,

extinguir a produção destas substâncias, através da

substituição por outras menos nocivas.

Alternativas

Existem atualmente vários projetos para

diminuir a ultilização dos CFCs, mas eles têm sido

dificultados pelo seu uso principalmente na

refrigeração. Uma das alternativas tem sido os

Hidroclorofluorcarbonetos (HCFC), haloalcanos

em que nem todos os hidrogênios foram

substituidos por cloro ou fluor. Seu impacto

ambiental tem sido avaliado como sendo de

apenas 10% do dos CFC. Outra alternativa são

os Hidrofluorcarbonetos (HFC) que não contém

cloro e são ainda menos prejudiciais ao meio

ambiente.

Ciclo de Refrigeração

Conceitos:

Ciclo realizado no sentido oposto ao de

um motor.(Absorção de calor a uma temperatura

baixa), rejeição de uma quantidade de calor

maior a uma temperatura mais elevada e por fim

realização de uma quantidade líquida de

trabalho sobre o sistema. Esse dispositivo que

executa esse ciclo recebe o nome de

refrigerador e o sistema que está sendo

submetido ao ciclo chama-se refrigerante.

A figura 1 ilustra o ciclo de

refrigeração básico e as figuras 2 (a) e (b) o

esquema de um refrigerador.

Figura 1 - Ciclo de

refrigeração:

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Figura 2 – (a)

(b)

Várias empresas usam na construção de

frigoríficos práticos desde 900 C até 12 K. A

companhia Philips da Holanda tem ocupado o

primeiro lugar no projeto de instalações industriais.

Outras na área: North American Philips, Hughes

Aircraft e Malaker Laboratories.

Gases utilizados:

CCl2F2 (vaporiza-se –6,70C,

2.46 Kpa) (Cloro flúor Carbono) (Freon 12).

Amônia e dióxido de enxofre

(NH4)

No condensador, a substância refrigerante

se encontra a uma pressão elevada e a uma

temperatura tão baixa quanto seja possível obter

com ar ou com água de resfriamento. Quando um

fluido atravessa adiabaticamente uma abertura

estreita, (válvula agulha), desde uma região de

pressão alta constante a uma região de pressão

baixa, ele experimenta um processo de

estrangulação, ou expansão Joule-Thomson, ou

Joule-Kelvin, produzindo sempre esfriamento e

vaporização parcial. No evaporador, o fluido

vaporiza-se completamente o calor de

vaporização é fornecido pelos materiais a serem

refrigerados. O vapor é então comprimido

adiabaticamente, aumentando com isso sua

temperatura. No condensador, o vapor é

resfriado até que se condense e fique

completamente liquefeito.

O ciclo de refrigeração

básico:

Consiste de 2 adiabáticas e 2

isobáricas.

Figura 3 – Diagrama PV de um ciclo

básico de refrigeração.

QH

TH

QC

TC

Processo / Estado (PiViTi)

b c Processo de estrangulação (queda de temperatura e pressão)

c d Vaporização isobárica e isotérmica, na qual é absorvido

pelo refrigerante o calor QC à temperatura TC, refrigerando com

isso as substâncias do reservatório frio.

d a Compressão adiabática do vapor até uma temperatura

superior à temperatura TH do condensador.

a b Esfriamento isobárico e condensação a TH

Etapa W U Q

b c )( HCV TTC )( HCV TTC 0

c d Pc(Vd – Vc) QC

d a )( HCV TTC )( CHV TTC 0

a b Pa(Vb – Va) QH

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Figura 4 – Planta básica de refrigeração

Ciclo de refrigeração de Stirling O ciclo de refrigeração de Stirling é

discutido abaixo.

Figura 4 – Diagrama esquemático das

etapas na operação de um refrigerador de Stirling.

2 isotérmicas e 2 isocóricas.

Figura 5 –

Processo / Estado (PiViTi)

1 2 O pistão direito estacionário esquerdo sobe e comprime o

gás isotermicamente à temperatura TH e rejeita o calor QH ao reservatório quente.

2 3 Ambos os pistões deslocam-se a mesma

quantidade, obrigando o gás a atravessar o regenerador,

cedendo calor QR a ele e emergindo frio no espaço do lado

direito.

3 4 Pistão da esquerda permanece fixo, o da direita

desce numa expansão isotérmica à temperatura inferior TC durante o qual o gás absorve o calor QC do reservatório

frio.

4 1 Ambos os pistões se movem obrigando o gás a

passar, a um volume constante, através do regenerador da extremidade fria para a extremidade quente, absorvendo

aproximadamente o mesmo calor QR que forneceu ao

regenerador no processo 2 3.

1 1

Etapas W U Q

1 2 1

2lnV

VnR

0 1

2lnV

VnR

2 3

0 )( HCV TTC )( HCV TTC

3 4 2

1lnV

VnR

0

2

1lnV

VnR

4 1 )( 43 TTCV )( 34 TTCV 0

1 .. 1 A 0 A

Etapas de funcionamento de um

refrigerador

Figura 6 – (a) Líquido refrigerante.

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(b) Passagem pelo evaporador.

(c) Evaporador.

(d) Gás entra no compressor.

(e) retorno ao ciclo novamente.

Figura 6 – Funcionamento de um ar

condicionado.