Termodinâmica Termodinâmica II MCA 8767
SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO CICLO DE REFRIGERAÇÃO DE CARNOT CICLO DE REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO A VAPOR
2015/02 Marcelo Marcelo Aiolfi Aiolfi Barone https://goo.gl/2FqZVm
[email protected] //
[email protected]
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2
SistemasdeRefrigeraçãoaVapor •
Importância dos sistemas de refrigeração •
•
Objetivos •
•
São usados no processamento e conservação de alimentos, bem como no condicionamento de ar. ar. Apr Apres esen enta tarr os sist sistem emas as de refr refrig iger eraç ação ão mais mais comu comuns ns e dese desen nvolv olver a modelagem termodinâmica básica dos mesmos que permita realizar uma análise preliminar de seu desempenho termodinâmico.
Sistemas de refrigeração a serem analisados •
•
•
Ciclos de refrigeração por compressão de vapor; Ciclos de refrigeração por absorção; Ciclo de refrigeração Brayton.
2
SistemasdeRefrigeraçãoaVapor •
Importância dos sistemas de refrigeração •
•
Objetivos •
•
São usados no processamento e conservação de alimentos, bem como no condicionamento de ar. ar. Apr Apres esen enta tarr os sist sistem emas as de refr refrig iger eraç ação ão mais mais comu comuns ns e dese desen nvolv olver a modelagem termodinâmica básica dos mesmos que permita realizar uma análise preliminar de seu desempenho termodinâmico.
Sistemas de refrigeração a serem analisados •
•
•
Ciclos de refrigeração por compressão de vapor; Ciclos de refrigeração por absorção; Ciclo de refrigeração Brayton.
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CiclodeRefrigeraçãodeCarnot •
Esse ciclo é obtido pela inversão pela inversão do ciclo de potência a potência a vapor de Carnot. •
Tod Todoo os proc proces esso soss são são reversíveis e a trans ansferê erência de calor alor entre o refrigerante e cada região ocorrem sem ocorrem sem diferença de temperatura. temperatura.
CiclodeRefrigeraçãodeCarnot
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AnálisedoCiclo •
O refrigerante entra no evaporador (estado 4) como mistura Líquido-Vapor mistura Líquido-Vapor.. •
•
•
No evaporador par te do líquido se transforma em vapor, devido à transferência de calor da região TC. Temperatura e Pressão permanecem constantes durante o processo 4-1.
O refr refriiger gerant ante é com comprim primiido adi adiabat abatiicame cament nte, e, do esta estado do 1 (mis (mistu tura ra LíquidoVapor), Vapor ), para o estado 2 (vapor (vapor saturado). saturado). •
No processo 1-2 a temperatura e pressão aumentam ao passar pelo compressor.
CiclodeRefrigeraçãodeCarnot
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AnálisedoCiclo •
O refrigerante passa pelo condensador, onde muda de vapor saturado para líquido saturado, devido à transferência de calor para a região de temperatura T H. •
•
Temperatura e Pressão constantes no processo 2-3.
permanecem
O refrigerante retorna ao mesmo estado de entrada no evaporador por meio de uma expansão adiabática da turbina. •
No processo 3-4 a temperatura decresce de TH para TC com um decréscimo de pressão.
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CiclodeRefrigeraçãodeCarnot •
Identificando as áreas •
•
•
•
Área 1-a-b-4-1, calor acrescentado da região fria. Área 2-a-b-3-2, calor rejeitado pelo refrigerante para a região quente. Área 1-2-3-4-1, transferência de calor líquida do refrigerante.
Coeficiente de desempenho (β) ou de Performance (COP) é
( çã Ú) ( ℎ í )
CiclodeRefrigeraçãodeCarnot
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DesviosdoCiclodeCarnot •
•
Os sistemas de refrigeração a vapor reais desviam-se do ciclo de Carnot, com coeficientes de desempenho inferiores. Três formas pelas quais sistemas reais desviam-se do ciclo de Carnot:
Desvio 1 •
•
Desvios significativos está relacionado às transferências de calor entre o refrigerante e as duas regiões (condensador e evaporador). Em sistemas reais, as transferências não são realizadas reversivelmente.
CiclodeRefrigeraçãodeCarnot DesviosdoCiclodeCarnot •
Para se alcançar uma taxa de transferência de calor suficiente para manter a temperatura da região fria (TC) por meio de um evaporador de tamanho real, •
•
É necessário que a temperatura do refrigerante no evaporador (T C’), esteja vários graus abaixo da TC.
Análogo com o condensador, sendo necessário vários graus acima de TH.
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CiclodeRefrigeraçãodeCarnot
9
DesviosdoCiclodeCarnot
Desvio 2 •
•
•
O processo de compressão (1’-2’), ocorre com o refrigerante na condição de mistura de duas fases (Líquido-Vapor). A compressão molhada é evitada, já que a presença de gotas de líquido podem danificar o compressor. Em sistemas reais o compressor trabalha somente com vapor (compressão seca).
Desvio 3 •
•
O processo de expansão (3’-4’), produz uma quantidade pequena de trabalho se comparado com o acionamento do compressor. O trabalho desenvolvido por uma turbina real seria ainda menor, pois nessas condições de operação têm baixa eficiência isentrópica.
CiclodeRefrigeraçãodeCarnot
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DesviosdoCiclodeCarnot •
Sacrifica o trabalho disponível da turbina, substituindo-a por uma válvula de expansão, com uma redução de custos iniciais e de manutenção.
CiclodeRefrigeraçãodeCarnot DesviosdoCiclodeCarnot
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CiclodeRefrigeraçãodeCarnot PropriedadesdosRefrigerantes
12
CiclodeRefrigeraçãodeCarnot BalandodeMassaeEnergia
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RefrigeraçãoporCompressãodeVapor
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CicloIdeal •
•
•
•
Processo 1-2s: Processo 2s-3: Processo 3-4: Processo 4-1:
Compressão Condensação Estrangulamento Evaporação
RefrigeraçãoporCompressãodeVapor
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CicloIdeal
Compressor (Processo 1-2s) •
•
O processo de compressão é adiabático reversível (isentrópico). Aplicando-se a primeira lei da termodinâmica, •
•
Em regime permanente no volume de controle; Energia cinética e potencial desprezados;
RefrigeraçãoporCompressãodeVapor
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CicloIdeal
Condensador (Processo 2s-3) •
•
A função do condensador é transferir calor do refrigerante para o meio até se tornar líquido saturado.
O condensador deve ser capaz de rejeitar a taxa de calor calculada pela equação. A qual depende da: •
Carga térmica do sistema; •
•
É o total de calor a ser removido do ambiente e dos produtos que serão refrigerados
Potência de acionamento do compressor.
RefrigeraçãoporCompressãodeVapor
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CicloIdeal
Expansão (Processo 3-4) •
Ocorre no dispositivo de expansão, é uma expansão irreversível de processo isentálpico. •
•
A pressão do refrigerante decresce e há um aumento correspondente na entropia específica.
O refrigerante sai da válvula como uma mistura de Líquido-Vapor.
RefrigeraçãoporCompressãodeVapor
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CicloIdeal
Evaporador (Processo 4-1) •
•
A capacidade frigorífica ( ), é a quantidade de calor retirada do meio que se quer resfriar (produto), através do evaporador.
Normalmente, se conhece a capacidade frigorífica ( ) do sistema, a qual deve ser igual à carga térmica, para operação em regime permanente.
RefrigeraçãoporCompressãodeVapor
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CicloIdeal •
•
Se for estabelecido o ciclo e o fluido frigorífico com o qual o sistema deve trabalhar, pode-se determinar o fluxo mássico, pois as entalpias h1 e h4 são conhecidas e o compressor fica determinado. O Efeito Frigorífico (EF) [h1-h4] é um dos parâmetros usados para definir o fluido frigorífico que será utilizado em uma determinada instalação.
RefrigeraçãoporCompressãodeVapor
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CicloIdeal •
Para o ciclo ideal foi considerando: •
•
•
•
Ignorar as irreversibilidades no evaporador e condensador. A compressão ocorrer sem irreversibilidade; Ignorar a transferência de calor perdida para vizinhança; O processo de compressão será isentrópico.
•
•
Todos os processos do ciclo são internamente reversíveis, com exceção do processo de estrangulamento. Apesar disso, é conhecido como ciclo ideal de compressão de vapor (1-2s-3-4-1).
RefrigeraçãoporCompressãodeVapor
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CicloReal •
Trata-se do efeito das irreversibilidades durante a compressão (processo 1-2s). •
•
•
A temperatura no evaporador é mais baixa que a temperatura TC. A temperatura no condensador é maior que a temperatura TH.
Apresentando efeitos significativos no desempenho. •
A linha 1-2, mostra o aumento na entropia específica que acompanha a compressão adiabática irreversível.
RefrigeraçãoporCompressãodeVapor
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CicloReal •
Outras características do ciclo real são: •
•
•
Condição de vapor superaquecido na saída do evaporador (estado 1) que difere do vapor saturado (ideal). Estado sub-resfriado na saída do condensador (estado 3) que difere da condição de líquido saturado. Outro processo importante é o processo de compressão, que no ciclo real é s1 ≠ s2, e no processo teórico é isentrópico.
RefrigeraçãoporCompressãodeVapor
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CicloReal •
Comparando 1-2-3-4-1 e 1-2s-3-4-1 •
•
Capacidade frigorífica seria a mesma para cada um, mas a potência de acionamento é maior para compressão irreversível. O efeito da compressão irreversível pode ser levado em conta usando-se a eficiência isentrópica do compressor.
•
Outros desvios da situação real têm origem em efeitos de atritos que causam quedas de pressão enquanto refrigerante escoa ao longo do evaporador.
RefrigeraçãoporCompressãodeVapor
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Exemplo10.1 – CicloidealdeRefrigeraçãoporcompressãodevapor •
Um ciclo ideal de compressão de vapor se comunica termicamente com uma região fria a 0ºC e com uma região quente a 26ºC. Esse ciclo tem como fluido de trabalho o Refrigerante 134a. O vapor saturado entra no compressor a 0ºC e o líquido saturado deixa o condensador a 26ºC. A vazão mássica do refrigerante é 0,08 kg/s. Determine: a.Potência do Compressor [kW] b.Capacidade Frigorífica [TR] c. Coeficiente de desempenho d.Coeficiente de desempenho para ciclo Carnot.
RefrigeraçãoporCompressãodeVapor
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Exemplo10.1 – CicloidealdeRefrigeraçãoporcompressãodevapor
7 − 6 ℎ7 − ℎ6 = 7 − 6,5 ℎ7 − ℎ6,5 7 − 6 7 − 6 = 7 − 6,5 7 − 6,5 ℎ0 − ℎ 0 − = ℎ0 − ℎ 0 − 6,0
h
s
21,58
259,19
0,9097
30,00
267,89
0,9388
h
s
6,8530
v
u
v
sat.
u
261,46 0,9082 264,69 0,9190
30,00
7,0
v
265,74 0,9225
u
h
s
26,72
261,85
0,9080
30,00
265,37
0,9197
RefrigeraçãoporCompressãodeVapor
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Exemplo10.1 – CicloidealdeRefrigeraçãoporcompressãodevapor Temperatura [ºC]
Entalpia [kJ/kg]
Entropia [kJ/kg.K]
0ºC [Vapor saturado]
247,23
0,9190
264,7
0,9190
Estado 1 2s
[Vapor superaquecido]
3
26ºC [Líquido Saturado]
85,75
4
0ºC
85,75
Pede-se a. Potência do Compressor b. Capacidade Frigorífica, em TR c. Coeficiente de desempenho d. Coeficiente de desempenho para ciclo Carnot.
RefrigeraçãoporCompressãodeVapor
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Exemplo10.2 – Efeitodatransferênciadecalorirreversível •
Modificando o Exemplo 10.1 de modo a permitir diferenças de temperaturas entre o refrigerante e as regiões quente e fria. O vapor saturado entra no compressor a -10ºC. O líquido saturado sai do condensador a uma pressão de 9 bar (9x105 Pa). Para esse ciclo de refrigeração por compressão de vapor modificado, determine: a. Potência do Compressor b. Capacidade Frigorífica, em TR c. Coeficiente de desempenho
RefrigeraçãoporCompressãodeVapor
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Exemplo10.2 – Efeitodatransferênciadecalorirreversível
T
hg
sg
-12
240,15
0,9267
-10
241,35
0,9253
-8
242,54
0,9239
T
sg
hg
40
0,9217
271,25
0,9253 272,39 50
0,9566
282,34
RefrigeraçãoporCompressãodeVapor
30
Exemplo10.2 – Efeitodatransferênciadecalorirreversível o d a t s E
Temperatura [ºC]
Pressão [bar]
Entalpia [kJ/kg]
Entropia [kJ/kg.K]
241,35
0,9253 0,9253
1
-10ºC [Vapor saturado]
2s
Vapor Superaquecido
9
272,39
3
Líquido Saturado
9
99,56
4
h3=h4
Pede-se a. Potência do Compressor b. Capacidade Frigorífica, em TR c. Coeficiente de desempenho
99,56
RefrigeraçãoporCompressãodeVapor
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Exemplo10.3 – Analisandoumciclorealderefrigeração •
Reconsidere o ciclo de refrigeração por compressão de vapor do Exemplo 10.2, mas inclua na análise o fato de que o compressor tem uma eficiência isentrópica de 80%. Além disso, admita que a temperatura do líquido que deixa o compressor seja de 30ºC. Para esse ciclo modificado, determine: a. Potência do Compressor b. Capacidade Frigorífica, em TR c. Coeficiente de desempenho
RefrigeraçãoporCompressãodeVapor Exemplo10.3 – Analisandoumciclorealderefrigeração •
•
Estado 1 T
hg
sg
-12
240,15
0,9267
-10
241,35
0,9253
-8
242,54
0,9239
Estado 2s
T
sg
hg
40
0,9217
271,25
0,9253 272,39 50
0,9566
282,34
32
RefrigeraçãoporCompressãodeVapor Exemplo10.3 – Analisandoumciclorealderefrigeração •
Estado 2
•
h2=280,15 kJ/kg e P2=9 bar
T
hg
sg
40
271,25
0,9217
280,15 0,9497
33
RefrigeraçãoporCompressãodeVapor Exemplo10.3 – Analisandoumciclorealderefrigeração •
Estado 3 •
•
h3 = h f = 91,49 kJ/kg s3 = sf = 0,3396 kJ/kg.K
34
RefrigeraçãoporCompressãodeVapor
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Exemplo10.3 – Analisandoumciclorealderefrigeração •
Estado 4 •
h4 = h 3 = 91,49 kJ/kg •
•
•
•
hf4 = 36,97 kJ/kg hg4 = 241,35 kJ/kg
sf4 = 0,1486 kJ/kg.K sg4 = 0,9253 kJ/kg.K
T
hf
hg
sf
sg
-12
34,39
240,15
0,1388
0,9267
-10
36,97
241,35
0,1486
0,9253
-8
39,54
242,54
0,1583
0,9239
RefrigeraçãoporCompressãodeVapor
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Exemplo10.3 – Analisandoumciclorealderefrigeração o d a t s E
Temperatura [ºC]
1
-10ºC [Vapor Saturado]
2s
Vapor Superaquecido
2 3
30ºC [Líquido]
4
h4=h3
Pede-se a. Potência do Compressor b. Capacidade Frigorífica, em TR c. Coeficiente de desempenho
Pressão [bar]
Entalpia [kJ/kg]
Entropia [kJ/kg.K]
241,35
0,9253
9
272,39
0,9253
9
280,15
0,9497
9
91,49
0,3396
91,49
0,3557
RefrigeraçãoporCompressãodeVapor
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Resumodosexemplos Exemplo
Potência do Compressor [kW]
Carnot
Coeficiente de Desempenho 10,50
10.1
1,40
9,24
10.2
2,48
4,57
10.3
3,10
3,86
Termodinâmica Termodinâmica II MCA 8767
SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO CICLO DE REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO A VAPOR REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO CICLO DE REFRIGERAÇÃO DE BRAY BRAY TON
2015/02 Marcelo Marcelo Aiolfi Aiolfi Barone https://goo.gl/2FqZVm
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[email protected]
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RefrigeraçãoporCompressãodeVapor
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CoeficientedeDesempenho(β)/Coeficie CoeficientedeDesempe nho(β)/CoeficientedePerformance(COP) ntedePerformance(COP) •
O coeficiente de performance (COP) é um parâmetro importante na análise das instalações frigoríficas. •
O COP do ciclo real seja sempre menor que o do ciclo teórico, para as mesmas condições de operação.
Ú Ú ℎ − ℎ == = = ℎ − ℎ •
Vários Vários parâme parâmetr tros os influe influenci nciam am o coefici coeficient entee de perform performanc ancee (COP (COP)) do do ciclo de refrigera refrigeração ção por por compres compressão são de vapor vapor.. •
•
•
•
A temperatura de evaporação; A temperatura de condensação; O sub-resfriamento do líquido; O superaquecimento (útil);
RefrigeraçãoporCompressãodeVapor
40
CoeficientedeDesempenho(β)/Coeficie CoeficientedeDesempe nho(β)/CoeficientedePerformance(COP) ntedePerformance(COP)
Influência da Temperatura de Evaporação •
•
Será considerado um conjunto de ciclos em que somente a temperatura de evaporação, é alterada. Uma redução na temperatura de evaporação resulta em redução do COP, isto é, o sistema se torna menos eficiente.
RefrigeraçãoporCompressãodeVapor
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CoeficientedeDesempenho(β)/Coeficie CoeficientedeDesempe nho(β)/CoeficientedePerformance(COP) ntedePerformance(COP)
Influência da Temperatura de Condensação •
É mostrada em um conjunto de ciclos onde apenas se altera a temperatura de condensação.
RefrigeraçãoporCompressãodeVapor
42
CoeficientedeDesempenho(β)/CoeficientedePerformance(COP)
Influência do Sub-resfriamento do Líquido •
•
De forma idêntica aos dois casos anteriores. Embora haja um aumento no COP do ciclo com o aumento do subresfriamento, na prática se utiliza um sub-resfriamento para garantir que se tenha somente líquido na entrada do dispositivo de expansão. •
O que mantém a capacidade frigorífica do sistema, e não com o objetivo de se obter ganho de eficiência.
RefrigeraçãoporCompressãodeVapor CoeficientedeDesempenho(β)/CoeficientedePerformance(COP)
Influência do Superaquecimento (Útil) •
A variação do COP com o superaquecimento depende do refrigerante. •
•
•
Para o R717 o COP sempre diminui; Para o R134a o COP sempre aumenta; Para o R22, há um aumento inicial e depois uma diminuição.
43
RefrigeraçãoporCompressãodeVapor
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PropriedadesdosRefrigerantes •
Desde meados de 1940 até o início dos anos 1990, a classe mais comum de refrigerantes utilizados nos sistemas de refrigeração por compressão de vapor era a dos CFCs (clorofluorcarbonos) contendo cloro.
RefrigeraçãoporCompressãodeVapor
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PropriedadesdosRefrigerantes •
Os CFCs não podem mais serem usados pois agridem a camada de ozônio. •
Os HFCs (hidrofluorcarbonos) (R-134a), menos nocivos à camada de ozônio, são candidatos a substituírem os CFCs.
•
Os HCFCs (hidroclorofluorcarbonos) (R-22), embora tenham átomos de cloro, ainda estão em uso atualmente. Mas existem debates sobre seu banimento.
•
A amônia (NH3), que é muito importante na refrigeração por absorção e que foi muito usada nos primórdios da refrigeração (por compressão de vapor), vem despertando algum interesse para substituir os CFCs.
•
Hidrocarbonos, como o propano (C3H8) e o metano (CH4) também se encontram em análise para serem usados como refrigerante.
RefrigeraçãoporCompressãodeVapor PropriedadesdosRefrigerantes
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RefrigeraçãoporCompressãodeVapor PropriedadesdosRefrigerantes
47
RefrigeraçãoporCompressãodeVapor
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PropriedadesdosRefrigerantes
Como selecionar o refrigerante a ser usado? Quais critérios observar na análise? •
•
•
•
As temperaturas e demais propriedades do refrigerante no evaporador e no condensador são determinadas, respectivamente, pelas temperaturas das regiões fria (câmara frigorífica) e quente (ambiente). Deve-se evitar pressões excessivamente baixas e altas, respectivamente, no evaporador e no condensador. O refrigerante deve ser quimicamente estável, apresentar baixa corrosividade, ter um custo razoável e não ser tóxico. O tipo de compressor também influencia na escolha do refrigerante: •
•
Compressor centrífugo: Adequado para baixas pressões no evaporador e grandes volumes específicos. Compressor alternativo: trabalham bem num grande intervalo de pressão e
RefrigeraçãoporCompressãodeVapor CiclosemCascatas •
São arranjos em que se utiliza uma combinação de ciclos de refrigeração. •
•
•
No trocador de calor intermediário, a energia rejeitada durante a condensação do ciclo de baixa temperatura (Ciclo A) é usada para o evaporar o refrigerante no ciclo de alta temperatura (Ciclo B).
Utilizados para se atingir temperaturas muito baixas e/ou aumentar o desempenho do ciclo. Dois ou mais ciclos são associados em série e cada um deles utiliza um refrigerante diferente.
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RefrigeraçãoporCompressãodeVapor CiclosemCascatas
50
RefrigeraçãoporCompressãodeVapor
51
CompressãoMultiestágiocomInter-resfriamento •
Normalmente usados para se atingir •
•
•
•
•
Temperaturas muito baixas; Diversas temperaturas frias; Evitar temperaturas excessivas na saída do compressor; Evitar excessiva perda de carga no evaporador; Aumentar o desempenho do ciclo.
RefrigeraçãoporCompressãodeVapor
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CompressãoMultiestágiocomInter-resfriamento •
•
O inter-resfriamento é obtido através de um trocador de calor de contato direto. Necessita-se de menos trabalho para compressão dos processos 1-2 e 3-4 se comparado a um único estágio 1-2-a.
RefrigeraçãoporCompressãodeVapor CompressãoMultiestágiocomInter-resfriamento
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RefrigeraçãoporAbsorção •
Esse ciclo apresenta alguns pontos em comum com os ciclos de compressão de vapor, mas diferenciam-se em 2 pontos: Natureza da Compressão O Refrigerante de um sistema de absorção é absorvido por uma substância secundária, chamada absorvente. •
•
•
Amônia-água (amônia é o refrigerante) permite atingir baixas temperatura. Água-brometo de lítio (água como refrigerante) é para temperaturas acima de 0 ºC.
Adição de Novos Componentes É inserido novos componentes nos sistemas de absorção para a retirada do vapor de refrigerante da solução líquida antes que o refrigerante entre no condensador. •
55
RefrigeraçãoporAbsorção •
Nestes sistemas a compressão mecânica é substituída por uma compressão termoquímica (absorvedor – bomba – gerador),
•
•
Sendo a potência demandada na bomba muito inferior a que seria demandada no compressor.
O calor consumido no gerador é o principal consumo de energia neste tipo de sistema de refrigeração.
56
RefrigeraçãoporAbsorção •
No absorvedor, o vapor vindo do evaporador no estado 1 é absorvido pela água líquida (estado c). •
A formação dessa solução líquida é exotérmica. •
Como a quantidade de amônia que pode ser dissolvida em água aumenta à medida que a temperatura decresce, •
•
faz-se com que a água de arrefecimento circule pelo absorvedor para remover a energia liberada.
A solução forte de amônia e água deixa o absorvedor em um ponto “a” e entra na bomba, onde sua pressão é elevada até a pressão do gerador.
57
RefrigeraçãoporAbsorção
•
No gerador, uma transferência de calor de uma fonte a uma temperatura alta extrai vapor de amônia da solução (processo endotérmico), •
•
Deixando uma solução fraca de amônia e água nesse equipamento.
O vapor liberado passa ao condensador no estado 2, e a solução fraca em c recircula até o absorvedor através de uma válvula.
58
RefrigeraçãoporAbsorção •
Algumas modificações podem ser implementadas no “ciclo” simples de refrigeração por absorção. O retificador É necessário para complementar a separação da amônia da água. •
O regenerador (trocador de calor) Visa aumentar o desempenho, aquecendo a solução forte que segue para o gerador e esfriando a solução fraca que retorna ao absorvedor. •
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RefrigeraçãoporAbsorção
SistemasderefrigeraçãoaGás
60
CiclodeRefrigeraçãoBrayton •
O sistema de refrigeração a gás são utilizados para se atingir temperaturas extremamente baixas: •
•
•
Liquefação de ar e outros gases; Outras aplicações especializadas (resfriamento de cabines aeronáuticas).
O fluido de trabalho permanece sempre na fase gasosa (não ocorre mudança de fase).
61
CiclodeRefrigeraçãoBrayton •
O gás refrigerante, entra no compressor no estado 1, •
•
Em que a temperatura é um pouco inferior à temperatura da região fria (TC), e é comprimido ao estado 2.
Em seguida o gás é resfriado ao estado 3, no qual sua temperatura se aproxima da região quente (TH).
62
CiclodeRefrigeraçãoBrayton •
•
Depois, o gás se expande ao estado 4, no qual a temperatura T4, é bem inferior à região fria. A refrigeração é obtida através da transferência de calor da região fria para o gás (processo 4-1).
63
CiclodeRefrigeraçãoBrayton
64
OutrasAplicaçõesderefrigeraçãoaGás •
Para a maioria das aplicações que envolvem condicionamento de ar e para processos comuns de refrigeração, •
•
Os sistemas de compressão de vapor podem ser construídos de maneira mais econômica do que os sistemas de refrigeração a gás, além de poderem operar com coeficientes de desempenho mais elevados.
Entretanto, •
Com modificações apropriadas os sistemas de refrigeração a gás podem ser utilizados para a obtenção de temperaturas em torno de -150ºC, temperaturas essas bem inferiores àquelas obtidas com sistemas a vapor.
OutrasAplicaçõesderefrigeraçãoaGás
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CicloBrayton IdealModificadocomTrocadordeCalor •
•
O trocador de calor permite que o ar que sai do compressor (estado 2), seja resfriado a uma temperatura mais baixa que a temperatura da região quente (TH), fornecendo uma temperatura baixa na entrada da turbina (T3). Na expansão da turbina, o ar alcança uma temperatura (estado 4) bem mais baixa que aquela sem trocador de calor, ou seja, o efeito da refrigeração, estado 4 ao estado b, ocorre a uma temperatura média mais baixa.
OutrasAplicaçõesderefrigeraçãoaGás CicloBrayton IdealModificadocomTrocadordeCalor
66
OutrasAplicaçõesderefrigeraçãoaGás
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ResfriamentodeumaCabinedeAvião •
•
•
•
Uma pequena quantidade de ar a alta pressão é extraída do compressor principal do motor a jato e resfriada por transferência de calor para o ambiente. O ar a alta pressão é expandido em uma turbina auxiliar para a pressão mantida na cabine. A temperatura do ar é reduzida na expansão, tronando-se capaz de resfriar a cabine. Um benefício adicional, a expansão fornece uma certa potência auxiliar para necessidades da aeronave.
SistemasdeRefrigeração
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Exemplo10.5 – AnalisandoumcicloIdealdeRefrigeraçãoBrayton •
Ar a 1 atm, 480ºR (-6,5ºC) e com uma vazão volumétrica de 50ft³/s (1,4m³/s) é admitido no compressor de um ciclo ideal de refrigeração Brayton. Se a razão de pressão do compressor for igual a 3 e se a temperatura na entrada da turbina for 540ºR (26,8ºC), determine: a. Potência de acionamento líquida em Btu/min b. Capacidade Frigorífica, em Btu/min c. Coeficiente de desempenho
SistemasdeRefrigeração
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Exemplo10.5 = = 248 /
•
Estado 1 •
•
•
Estado 2
•
Estado 4
h1=114,69 Btu/lb pr=0,9182
Estado 3 •
•
h3=129,06 Btu/lb
pr
h
pr
h
2,514
153,09
0,4061
90,75
2,755
157,15
0, 462
94,10
SistemasdeRefrigeração Exemplo10.5 •
Pede-se a. Potência de acionamento líquida em Btu/min
b. Capacidade Frigorífica, em Btu/min
c. Coeficiente de desempenho
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SistemasdeRefrigeração
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Exemplo10.6 – CiclodeRefrigeraçãoBrayton comIrreversibilidades •
Reconsidere o exemplo 10.5, mas inclua na análise o fato de que o compressor e a turbina têm uma eficiência de 80%. Para esse ciclo modificado, determine: a. Potência de acionamento líquida em Btu/min b. Capacidade Frigorífica, em Btu/min c. Coeficiente de desempenho
1
480
2s 3 4s
540
1
114,69
3
157,10
3
129,06
1
94,10
SistemasdeRefrigeração
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Exemplo10.6 – CiclodeRefrigeraçãoBrayton comIrreversibilidades •
Compressor 1
480
1
114,69
3
157,10
3
129,06
4s
1
94,10
4
1
101,10
2s 3 •
•
Turbina
Obtendo h4
540
SistemasdeRefrigeração
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Exemplo10.6 – CiclodeRefrigeraçãoBrayton comIrreversibilidades
1
480
1
114,69
3
157,10
3
129,06
4s
1
94,10
4
1
101,10
2s 3
•
Pede-se
540
•
a. Potência de acionamento líquida em Btu/min
•
b. Capacidade Frigorífica, em Btu/min
•
c. Coeficiente de desempenho
Termodinâmica II MCA 8767
SISTEMAS DE BOMBAS DE CALOR CICLO DE BOMBA DE CALOR DE CARNOT
2015/02 Marcelo Aiolfi Barone https://goo.gl/2FqZVm
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SistemasdeBombasdeCalor •
O objetivo de uma bomba de calor é •
•
•
Manter a temperatura no interior de uma residência ou qualquer outra edificação acima da temperatura da vizinhança ou; Promover uma transferência de calor para certos processos industriais que acontecem a temperaturas elevadas.
Os sistemas de bombas de calor apresentam muitas características em comum com os sistemas de refrigeração, pode ser do tipo: •
Compressão de vapor •
•
São bem adequadas para aplicações de aquecimentos de interiores.
Absorção •
Tem sido desenvolvidas para aplicações industriais, e cada vez mais são utilizadas em aquecimentos de interiores.
SistemasdeBombasdeCalor
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CiclodeBombadeCalordeCarnot •
Considerando o ciclo de Carnot para refrigeração, como o de uma bomba de calor, fazendo-se uma simples mudança de ponto de vista. No entanto, o objetivo desse ciclo é fornecer a transferência de calor •
para a região quente, que é o espaço a ser aquecido.
SistemasdeBombasdeCalor
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CiclodeBombadeCalordeCarnot •
Para o regime permanente, a taxa de transferência de calor para a região quente é dada por:
= + í
SistemasdeBombasdeCalor
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CiclodeBombadeCalordeCarnot •
O coeficiente de desempenho de qualquer ciclo de bomba de calor é definido como:
á =
Efeito de aquecimento Potência de acionamento líquida
á2−−−3−2 á = = á1−2−3−4−1 − − á = = − − − •
Essa equação representa o coeficiente teórico máximo para qualquer operação cíclica de bomba de calor entre duas regiões a temperaturas , .
SistemasdeBombasdeCalor
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CiclodeBombadeCalordeCarnot •
À medida que a temperatura da região fria (TC) decresce, o coeficiente de desempenho da bomba de calor de Carnot e reais decrescem. •
•
•
Isto explica por que bombas de calor nas quais o papel da região fria é desempenhado pela atmosfera. Normalmente necessitam de sistemas de apoio para fornecer aquecimento em dias de temperatura ambiente é muito baixa. Se forem utilizadas fontes como água de poço ou o próprio solo, podem ser obtidos coeficientes de desempenho relativamente altos.
− á = = − − −
SistemasdeBombasdeCalor CiclodeBombadeCalordeCarnot
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BombasdeCalorporCompressãoaVapor •
•
•
Sistemas de bombas de calor reais desviam-se significativamente do ciclo de Carnot. O método de análise de bombas de calor por compressão de vapor é o mesmo dos ciclos de refrigeração por compressão de calor. Além disso, as discussões anteriores sobre o desvio de sistemas reais em relação às condições ideais aplicam-se para: •
•
Bombas de calor por compressão de vapor Ciclos de refrigeração por compressão de vapor.
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BombasdeCalorporCompressãoaVapor •
Uma bomba de calor por compressão de vapor típica para ambientes tem os mesmos componentes básicos do sistema de refrigeração por compressão de vapor: •
•
•
•
Compressor; Condensador; Válvula de expansão; Evaporador; Lembrando que o objetivo do sistema é diferente.
SistemasdeBombasdeCalor
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BombasdeCalorporCompressãoaVapor •
O coeficiente de desempenho de uma bomba de calor por compressão de vapor simples é dado por: ℎ − ℎ = = ℎ − ℎ O valor de jamais poderá ser inferior à unidade. •
SistemasdeBombasdeCalor
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BombasdeCalorporCompressãoaVapor •
Muitas fontes estão disponíveis para a transferência de calor para o refrigerante que passa pelo evaporador: •
•
•
•
•
•
Ar externo; Solo; Água de lagos; Rios ou poços. Um líquido estocado em um tanque isolado que antes tenha passado pelo coletor solar.
Bombas de calor industriais empregam calor rejeitado ou correntes quentes de líquidos ou gases como fonte de baixa temperatura e são capazes de atingir temperaturas no condensador relativamente altas.
SistemasdeBombasdeCalor BombasdeCalorporCompressãoaVapor
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BombasdeCalorporCompressãoaVapor •
Para bombas de calor por compressão que utilizem o evaporador que se comunica termicamente com o ar exterior, também podem ser utilizadas para promover o resfriamento no verão com o uso de uma válvula de reversão. •
Embora bombas de calor sejam mais caras para instalação e operação do que outros sistemas de aquecimento diretos, elas podem se tornar competitivas quando se considera o potencial para um uso dual.
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BombasdeCalorporCompressãoaVapor
Evaporador Condensador
Evaporador Condensador
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Exemplo10.4 – Analisandoumciclorealdebombadecalor •
Refrigerante 134ª é o fluido de trabalho de uma bomba de calor com ar como fonte, alimentada eletricamente, que mantém a temperatura interna de um edifício a 22ºC por uma semana quando a temperatura média externa é de 5ºC. Vapor saturado entra no compressor a -8ºC e sai a 50ºC, 10 bar. Líquido saturado sai do condensador a 10 bar. A vazão mássica do refrigerante é 0,2 kg/s para a operação em regime permanente. Determine: a. b. c. d. e.
A potência do compressor [KW] A eficiência isentrópica do compressor. A taxa de transferência de calor fornecida ao edifício [kW]. O coeficiente de desempenho. O custo total da eletricidade, em R$, para 80 horas de operação durante uma semana, avaliando a eletricidade em R$ 0,43 por kWh.
