REFRIGERAÇÃO E AR-CONDICIONADO��Módulo 3�Ciclos de Refrigeração a Vapor e a Gás – real��Refrigeração em Cascata

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Prof. Joares Junior

Engenharia Mecânica

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CICLO REAL DE REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE VAPOR

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CICLO REAL DE REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE VAPOR�

• Um ciclo real de refrigeração por compressão de vapor difere do ciclo ideal de várias maneiras, principalmente devido às irreversibilidades que ocorrem nos diversos componentes. Duas fontes comuns de irreversibilidades são o atrito do fluido (que causa quedas de pressão) e a transferência de calor de ou para a vizinhança. O diagrama T-s de um ciclo real de refrigeração por compressão de vapor é mostrado na Figura.
• No ciclo ideal, o refrigerante sai do evaporador e entra no compressor como
• vapor saturado. Na prática, porém, pode não ser possível controlar o estado do refrigerante de modo tão preciso. Em vez disso, é mais fácil criar o sistema para que o refrigerante fique ligeiramente superaquecido na entrada do compressor. Essa pequena segurança de projeto garante que o refrigerante esteja totalmente vaporizado quando entrar no compressor.

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• Da mesma forma, a linha que conecta o evaporador ao compressor em geral é muito longa. Assim, a queda de pressão causada pelo atrito do fluido e pela transferência de calor da vizinhança para o refrigerante pode ser significativa. O resultado do superaquecimento (o ganho de calor na linha de conexão) e das quedas de pressão no evaporador e na linha de conexão é um aumento no volume específico, que também gera um aumento nos requisitos de entrada de potência para o compressor, uma vez que o trabalho com escoamento em regime permanente é proporcional ao volume específico.
• O processo de compressão no ciclo ideal é internamente reversível e adiabático e, portanto, é isentrópico. Entretanto, o processo real de compressão envolve efeitos de atrito, o que aumenta a entropia e a transferência de calor, que pode aumentar ou diminuir a entropia, dependendo da direção. Dessa forma, a entropia do refrigerante pode aumentar (processo 1-2) ou diminuir (processo 1-2') durante um processo real de compressão, dependendo dos efeitos que dominam. O processo de compressão 1-2' pode ser mais desejável do que o processo de compressão isentrópica, uma vez que o volume específico do refrigerante e, portanto, o requisito de entrada de trabalho são menores nesse caso. Assim, o refrigerante deveria ser resfriado durante o processo de compressão sempre que isso fosse prático e econômico

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• No caso ideal, admite-se que o refrigerante sai do condensador como líquido saturado à pressão de saída do compressor. Na realidade, porém, uma certa queda de pressão é inevitável no condensador, bem como nas linhas que conectam o condensador ao compressor e à válvula de expansão. Não é fácil executar o processo de condensação com um nível de precisão grande o suficiente para que o refrigerante seja um líquido saturado no final, e não é desejável direcionar o refrigerante para a válvula de expansão antes que ele seja completamente condensado. Portanto, o refrigerante é sub-resfriado de alguma forma antes de entrar na válvula.
• de expansão. No entanto, não nos importamos com isso, uma vez que nesse caso o refrigerante entra no evaporador com entalpia mais baixa e, portanto, pode absorver mais calor do espaço refrigerado. A válvula de expansão e o evaporador em geral se localizam muito próximos entre si e a queda de pressão na linha de conexão é pequena.

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Exemplo 1

• Refrigerante-134a entra no compressor de um refrigerador como vapor superaqueci-do a 0,14 MPa e 10 °C, a uma taxa de 0,05 kg/s, e sai a 0,8 MPa e 50 °C. O refri-gerante é resfriado no condensador até 26 °C e 0,72 MPa e é estrangulado até 0,15 MPa. Desprezando as transferências de calor e as quedas de pressão das linhas de conexão entre os componentes, determine (a) a taxa de remoção de calor do espaço refrigerado e a entrada de potência no compressor, (b) a eficiência isentrópica do compressor e (c) o coeficiente de performance do refrigerador.

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SOLUÇÃO

• O diagrama T-s do ciclo de refrigeração é mostrado na Figura. Observamos que o refrigerante sai do condensador como líquido comprimido e entra no compressor como vapor superaquecido. As entalpias do refrigerante nos diversos estados são determinadas nas tabelas de refrigerante, como feito no exercício anterior

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Este problema é idêntico àquele que vimos na aula passada, exceto que o refrigerante é ligeiramente superaquecido na entrada do compressor e sub--resfriado na saída do condensador. O compressor também não é isentrópico.

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• Algumas aplicações industriais exigem temperaturas moderadamente baixas e o intervalo de temperatura que elas envolvem pode ser grande demais para que um único ciclo de refrigeração por compressão de vapor seja prático.
• Um grande intervalo de temperaturas significa um grande intervalo de pressão no ciclo e um desempenho ruim de um compressor alternativo.
• Uma forma de lidar com tais situações é executar o processo de refrigeração em estágios, ou seja, ter dois ou mais ciclos de refrigeração que operam em série. Tais ciclos de refrigeração são chamados de ciclo de refrigeração em cascata.

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Refrigeração em Cascata

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Refrigeração em Cascata

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• Observa-se que os dois ciclos estão conectados por meio de um trocador de calor que fica no meio e serve como evaporador para o ciclo superior (ciclo A) e como condensador para o ciclo inferior (ciclo B).

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Refrigeração em Cascata

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• Considerando-se que o trocador de calor está bem isolado e que as energias cinética e potencial são desprezíveis, a transferência de calor do fluido do ciclo inferior deve ser igual a transferência de calor para o fluido do ciclo superior. Portanto, a relação entre as vazões mássicas em cada ciclo deve ser:

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Refrigeração em Cascata

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• O Coeficiente de Performance do Sistema de Refrigeração em Cascata será:

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Refrigeração em Cascata

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• No sistema em cascata mostrado na figura, assume-se que os refrigerantes de ambos os ciclos são iguais. Entretanto, isso não é necessário, uma vez que não ocorre mistura no trocador de calor. Portanto, é possível usar refrigerantes de características diferentes e mais adequadas em cada ciclo.
• Neste caso haverá uma curva de saturação separada para cada fluido, e o diagrama T-s de um dos ciclos será diferente.

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Refrigeração em Cascata

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• Nos sistemas reais de refrigeração em cascata, os dois ciclos se sobrepoem um pouco, para que haja uma diferença de temperatura entre os dois fluidos possibilitando, desta forma, a transferência de calor entre eles.

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Refrigeração em Cascata

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• O diagrama T-s deixa claro que o trabalho do compressor diminui e a quantidade de calor absorvida do espaço refrigerado aumenta como resultado do sistema em cascata.
• Assim, esse sistema aumenta o COP de um sistema de refrigeração. Alguns sistemas de refrigeração utilizam de três ou quatro estágios.

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Refrigeração em Cascata

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Considere um sistema de refrigeração em cascata de dois estágios entre os limites de pressão de 0,8 e 0,14 MPa. Cada estágio opera em um ciclo de refrigeração ideal por compressão de vapor com o refrigerante R-134a como fluido de trabalho. A rejeição de calor do ciclo inferior para o ciclo superior ocorre em um trocador de calor contracorrente e adiabático, no qual ambos os fluxos entram a cerca de 0,32 MPa. Se a vazão mássica do refrigerante no ciclo superior for de 0,05 kg/s, determine:

a) A vazão mássica do refrigerante no ciclo inferior;

b) A taxa de remoção de calor do espaço refrigerado e a entrada de potência no compressor e;

c) O coeficiente de performance desse refrigerador em cascata.

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EXERCÍCIO 1

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RESOLUÇÃO 1

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a) A vazão mássica do refrigerante através do ciclo inferior é:

RESOLUÇÃO 1

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b) A taxa de remoção de calor e a entrada de trabalho de um ciclo em cascata é:

RESOLUÇÃO 1

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c) O COP de um sistema de refrigeração é

RESOLUÇÃO 1

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EXTRA – VÁLVULA DE EXPANSÃO

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Obrigado a todos!

Até a próxima.

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