REFRIGERAÇÃO E AR-CONDICIONADO��Módulo 4�Ciclos de refrigeração com dois evaporadores��Refrigeração em Cascata
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Prof. Joares Junior
Engenharia Mecânica
Prof. Dr. Joares Junior – Engenharia SJC
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Muitas vezes, a instalação frigorífica deve servir a aplicações diversas, que exigem distintas temperaturas de operação. Por exemplo, uma fábrica de alimentos congelados pode requerer dois evaporadores a temperaturas diferentes, um a -30°C para o congelamento do alimento e outro a 7°C para o armazenamento do alimento ou para resfriamento de ambientes, como por exemplo, uma sala de corte.
Sistemas de Múltiplos Estágios e Múltiplos Evaporadores
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Uma alternativa simples seria a utilização de dois sistemas independentes, cada um atendendo uma temperatura de evaporação. Essa alternativa não é economicamente interessante em função dos elevados custos iniciais dos dois sistemas. Uma alternativa mais simples seria utilizar um sistema de refrigeração utilizando um compressor e dois evaporadores, ambos operando na temperatura mais baixa (-30°C, nesse caso)
Sistemas de Múltiplos Estágios e Múltiplos Evaporadores
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A operação de um evaporador a -30°C para resfriar o espaço a 7°C é, termodinamicamente, bastante ineficiente, pois as irreversibilidades aumentam com o aumento da diferença de temperatura na transferência de calor.
Sistemas de Múltiplos Estágios e Múltiplos Evaporadores
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Além disso, uma temperatura tão reduzida no evaporador com elevada diferença de temperatura em relação ao espaço a refrigerar produziria uma taxa de remoção de umidade do ar extremamente elevada, desidratando alimento, se for o caso, e também depositando-se na superfície do evaporador com formação de neve, obstruindo rapidamente a passagem do ar. Para o caso de resfriamento de líquido, poderia provocar seu congelamento.
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Sistemas com múltiplos evaporadores e um único compressor,
com válvula de redução de pressão
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Este sistema apresenta temperaturas de evaporação distintas com apenas um compressor. Esse sistema utiliza válvulas de expansão individuais e uma válvula reguladora de pressão para reduzir a pressão correspondente ao evaporador de temperatura mais elevada até a pressão de aspiração do compressor. A VRP também serve para manter a pressão desejada no evaporador de maior temperatura.
Sistemas com múltiplos evaporadores e um único compressor,
com válvula de redução de pressão
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Comparando-se esse sistema com o anterior, pode-se notar que há uma grande vantagem principalmente em função do incremento do efeito de refrigeração (h6-h4) contra (h7-h5), que seria o efeito similar ao ciclo
Sistemas com múltiplos evaporadores e um único compressor,
com válvula de redução de pressão
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Apesar de não haver uma melhora da eficiência em relação ao ciclo anterior, esse último é ainda vantajoso pois permite uma melhor operação do evaporador de temperatura mais elevada.
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Os efeitos de refrigeração são dados por:
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Aplicando o balanço de energia no estado 1, entrada do compressor.
Considerando que a expansão através da VRP é isentálpica, a entalpia h8 será igual a h6.
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Ciclo de Brayton – Turbinas a gás
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O ciclo de refrigeração por compressão de vapor é essencialmente um ciclo de Potência de Rankine Reverso ou Invertido, ou seja, o ciclo é modificado para operar no sentido contrário do ciclo de potência.
O ciclo de refrigeração a gás é o Ciclo Brayton Brayton Reverso ou Invertido .
CICLO DE
REFRIGERAÇÃO A GÁS
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Ciclo Reverso
de Brayton.
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Observa-se que a vizinhança está a T0 e o espaço refrigerado deve ser mantido a TF.
O gás é comprimido durante o processo 1-2s.
O gás a alta pressão e alta temperatura do estado 2s é resfriado a pressão constante até T0 pela rejeição de calor para vizinhança.
Ciclo Reverso
de Brayton.
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Isso é seguido por um processo de expansão em uma turbina, durante o qual a temperatura do gás cai até T4s. Pode-se atingir o mesmo efeito de resfriamento utilizando-se uma válvula de expansão no lugar da turbina (T4). Finalmente, o gás absorve o calor do espaço refrigerado até que a sua temperatura atinja T1.
Ciclo Reverso
de Brayton.
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Todos os processos são internamente reversíveis e, portanto, o ciclo realizado é um ciclo ideal de refrigeração a gás.
Ciclo Reverso
de Brayton.
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Nos ciclos reais de refrigeração a gás, os processos de compressão e expansão se desviam dos ciclos isentrópicos e T3 é mais alta do que T0.
Ciclo Reverso
de Brayton.
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Em um diagrama T-s, a área sob a curva do processo 4-1-s2-s1- 4 representa o calor removido do espaço refrigerado e a área interna 1-2-3-4-1 representa a entrada de trabalho líquido.
Ciclo Reverso
de Brayton.
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A relação entre essas áreas é o COP do ciclo, que pode ser expresso por:
Ciclo Reverso
de Brayton.
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O ciclo de refrigeração a gás se desvia do ciclo de Carnot porque os processos de transferência de calor não são isotérmicos. Na verdade, a temperatura do gás varia de forma considerável durante os processos de transferência de calor.
Ciclo Reverso
de Brayton.
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Portanto, os ciclos de refrigeração a gás têm COPs mais baixos em relação aos ciclos de refrigeração por compressão de vapor ou ao ciclo reverso de Carnot.
Ciclo Reverso
de Brayton.
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Observando-se o diagrama T-s ao lado, nota-se que o ciclo reverso de Carnot consome uma fração do trabalho líquido menor (área retangular 1-A-3-B), mas produz uma quantidade maior de refrigeração (área abaixo de B-1).
Ciclo Reverso
de Brayton.
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Apesar de seus COPs relativamente baixos, os ciclos de refrigeração a gás têm duas características desejáveis:
1) Possuem componentes simples e mais leves, o que os torna adequados para resfriamento de aviões;
2) Podem incorporar a regeneração, que os torna adequados para a liquefação de gases e aplicações criogênicas
Ciclo Reverso
de Brayton.
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CICLO REGENERATIVO
A GÁS
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Percebe-se que o resfriamento regenerativo é obtido inserindo-se, no ciclo, um trocador de calor contracorrente. Sem a regeneração, a mais baixa temperatura de entrada de turbina é T0, ou seja, a temperatura da vizinhança ou de qualquer outro meio de resfriamento.
CICLO REGENERATIVO
A GÁS
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Com a regeneração, o gás a alta pressão é resfriado ainda mais até T4 antes de se expandir na turbina.
CICLO REGENERATIVO
A GÁS
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A diminuição da temperatura de entrada da turbina diminui automaticamente a temperatura de saída da turbina, que é a temperatura mínima do ciclo. Temperaturas extremamente baixas podem ser atingidas pela repetição desse processo, obtendo-se, desta forma, COPs mais elevados.
CICLO REGENERATIVO
A GÁS
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Um ciclo ideal de refrigeração a gás que utiliza o ar como meio de trabalho deve manter um espaço refrigerado de 0 ºF e rejeitar calor para vizinhança a 80 ºF. A taxa de pressão do compressor é 4. Determine:
a) As temperaturas máxima e mínima do ciclo;
b) O coeficiente de performance e
c) A taxa de refrigeração para uma vazão mássica de 0,1 lbm/s.
EXEMPLO 1
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EXEMPLO 1
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a) Inicia-se os cálculos observando as condições no estado 1:
T1 = 0 ºF ≈ 460 R e a taxa de pressão do compressor, ou seja, a taxa de compressão é 4.
Para essas condições temos:
h1 = 109,90 Btu/lbm
Pr1 = 0,7913
P2/P1 = 4
EXEMPLO 1
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Procura-se o valor de Pr2 na tabela
Interpolando encontra-se
h2 = 163,5 Btu/lbm e
T2 = 683 R ≈ 223 ºF
EXEMPLO 1
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A temperatura no estado 3 → T3 = 80 ºF ≈ 540 R
h3 = 129,06 Btu/lbm Pr3 = 1,3860
P4/P3 = expansão = 1/compressão = ¼
EXEMPLO 1
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Procura-se o valor de Pr4 na tabela
Interpolando encontra-se
h4 = 86,7 Btu/lbm e T4 = 363 R ≈ -97 ºF
Portanto, as temperaturas mais alta e mais baixa do ciclo são 223 ºF e -97 ºF, respectivamente.
EXEMPLO 1
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b) Cálculo do COP do ciclo
EXEMPLO 1
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c) A taxa de refrigeração é:
EXEMPLO 1
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Obrigado a todos!
Até a próxima.
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