Programa de Pós-Graduação em Eng. Mecânica. Introdução aos ciclos de refrigeração
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- Lorenzo Baltazar Nunes Brandt
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1 Nov/03 Prograa de Pós-Graduação e Eng. Mecânica Disciplina: Siulação de Sisteas Téricos Introdução aos ciclos de refrigeração Organização: Ciclo de Carnot Ciclo padrão de u estágio de copressão Refrigerantes Balanço de energia Subresfriaento e superaqueciento Ciclos de dois estágios de copressão Ciclo e cascata Ciclo transcríticodo CO Material: ttp://professor.unisinos.br/ac/ Refrigeração: Capítulos a 6 Siulação de Sisteas Téricos: apresentação
2 Refrigeração 3 Ciclo de Carnot Ciclo ideal (reversível), é o odelo ideal para o ciclo de refrigeração operando entre duas teperaturas fixas ou entre dois fluidos a diferentes teperaturas e cada u co capacidade térica infinita. Nenu ciclo de refrigeração pode possuir u coeficiente de perforance, COP, aior que o ciclo de Carnot, operando entre as esas teperaturas; 4
3 Ciclo de Carnot Refrigeração útil COP Trabalo líquido Efeitos das teperaturas T T COP COP 5 Refrigerante co udança de fase Refrigerante Copressão seca Expansão irreversível 6 3
4 Irreversibilidades Auento do trabalo ecânico Redução do efeito de refrigeração 7 Ciclo padrão de refrigeração de u estágio de copressão 4
5 Circuito de u sistea de refrigeração de u estágio de copressão 9 Refrigerador doéstico 0 5
6 Diagraa pressão vs. entalpia Diagraa pressão vs. entalpia: R34a e R77 T C 35 C T E -0 C 6
7 7 3 Ciclo real de refrigeração 4 Balanço de energia nos dispositivos: ciclo padrão de u estágio Pela ª. Lei da Terodinâica: entra E sai E e e e e s s s s gz V gz V W Q
8 Hipóteses aplicadas ao balanço de energia EC 0 Variação de energia cinética desprezível EP 0 Variação de energia s e Regie peranente potencial desprezível Assi: ( ) Q W s e Para os dois trocadores de calor (condensador e evaporador): ( ) Q s e Para o copressor, considerando u processo isentrópico e adiabático: ( ) W s e Para o processo de expansão: s e 5 Definindo P f coo a potência frigorífica ou taxa de transf. de calor no evaporador: ( ) Pf Q E 4 Pf [ kw ] ( ) [ kg / s] 4 A potência térica dissipada no condensador: ( ) Po Q C 3 A vazão voluétrica no copressor: 3 V ν s A potência ecânica teórica do copressor: P t ( ) W 6
9 O título do refrigerante na entrada do evaporador: 4 l + x x ( 4 l ) ( ) ( ) O COPdo ciclo é dado por: Pf COP P l t l O afastaento do ciclo padrão e relação ao ciclo reversível é caado de rendiento de refrigeração: η R COP COP ( ) rev 7 Subresfriaento e superaqueciento Subresfriaento Subresfriaento Superaqueciento Subresfriaentoé a diinuição da teperatura do líquido, na saída do condensador, abaixo da teperatura de saturação. T T T sub sat,c liq 9
10 Subresfriaento e superaqueciento Subresfriaento Superaqueciento Superaqueciento Superaqueciento é o auento da teperatura na saída do evaporador, acia da teperatura de saturação. T T T s vap sat,e 9 Superaqueciento 0 0
11 Subresfriaento Subresfriaento e superaqueciento
12 Subresfriaento e superaqueciento Balanço de energia no trocador (LSHX) 3 3 ( ) ( ) Q LSHX 3 3' ' ε LSHX ( T T ) c ( T ) c p,l 3 3' p,v ' T < cp,v ( T 3 T3' ) ( T ' T ) cp,l Q Q ( T T ) < ( T ) 3 3' ' T real ax c c p,v p,v ( T ' T ) ( T T ) 3 ( T ' T ) ( T T ) 3 3 Ciclo real O ciclo real operando e regie peranente difere do ciclo ideal e função das irreversibilidades presentes. - E prieiro lugar, as perdas de pressão que ocorre ao longo do escoaento; - E segundo lugar, devido às transferências de calor entre o fluido refrigerante e o eio externo; - O processo de copressão não é isoentrópico; - Por últio, o refrigerante não é ua substância pura, as ua istura de refrigerante e óleo. Todos esses desvios da condição ideal produze irreversibilidades que requere trabalo adicional do copressor. 4
13 Ciclo real 5 Ciclo real Balanços de energia e entropia para u ciclo real: ( ) Q s e I ( s s ) s e Q T ( ) W Q + I Q s e ( s s ) s e Q T ( ) 0 s e I ( ) s s s e Nos trocadores de calor e perdas pelas linas No copressor No dispositivo de expansão As teperaturas, e K, estão relacionadas co as teperaturas de referência de cada processo. 6 3
14 Ciclos de dois estágios de copressão Quando a diferença entre as teperaturas de condensação e de evaporação torna-se uito elevada. 7 Ciclos de dois estágios de copressão Pode ser analisados dois processos separados: (a) reoção do vapor de flas e (b) resfriaento interediário (a) reoção do vapor de flas 4
15 (b) resfriaento interediário 9 Ciclos de dois estágios de copressão co reoção de vapor de flas, resfriaento interediário e trocador de calor interediário 30 5
16 Pressão interediária p int,ótia p descarga.p sucção ou p int,ótia p descarga.p sucção + 0, 35 bar 3 Balanços de assa e energia x Q evap 7 3 6
17 Balanços de assa e energia Para a parte de alta pressão Balanços de assa e energia Potências ecânicas teóricas P P t, I t, II ( ) ( ) COP P t,i Q evap + P t,ii Vazões voluétricas dos copressores I v II 3 v
18 Operação co evaporador inundado 35 36
19 9 37 Balanço de assa no tanque SL e + + Balanço de assa no SL fase vapor 0 e x + ( ) 9 9 x x + ( ) Q x evap CB 3 Balanço de assa e energia no SL/RI e + + Coo: CB CA e CA CB CA CB + + CB CA
20 Potência ecânica teórica dos copressores P t,cb P t,ca CB CA ( ) ( ) 4 3 COP do sistea: COP P Q t,cb evap + P t,ca Vazões voluétricas nos copressores CB CB v CA CA v 3 Potência térica dissipada no condensador: P co CA ( ) Redução da potência da instalação e função do resfriaento interediário 40 0
21 Evaporador inundado co recirculação de líquido: 4 Evaporador inundado co recirculação de líquido: O fator de recirculação f, ou núero de circulação, é definido coo: f Vazão ássica de refrigerante fornecida ao evaporador Vazão ássica de refrigerante vaporizado x f Observação iportante: a condição de saída da istura líquido-vapor dos evaporadores (estado x 0 ) está associada co o núero de circulação, o qual indica o fluxo de assa de refrigerante que circula no evaporador e relação ao fluxo de assa que vaporiza. Por exeplo, u núero de circulação igual a (u) indica que todo fluxo de refrigerante vaporiza na passage do evaporador, saindo na condição de vapor saturado. Para u núero de circulação f3, o título na saída será x * /3 0,333 4
22 Fator de recirculação: Refrigerante Fator de recirculação R-77 Alientação por cia e tubos de grande diâetro Alientação noral e tubos de pequeno diâetros R-34a R- (alientação por cia) 3 6 a 7 a 4 43 Nessa condição e utilizando o eso ciclo anterior: Balanço de assa no tanque SL 0 x 0 + x e 0 9 ( ) 9x0 x x CB 9x 0 ( x ) 44
23 Ciclo e cascata 45 Ciclo e cascata Nos sisteas e que o eso refrigerante passa pelos estágios de baixa e alta pressão, valores extreos de pressão e volue específico pode causar alguns probleas: Se a escola for de u fluido co alto ponto de ebulição (à pressão atosférica), ao trabalar e teperaturas uito baixas, sua pressão no evaporador ficará uito abaixo da atosférica (entrada de ar e uidade no sistea) Exeplo: R77 apresenta ponto de ebulição igual a -33,3 C. Abaixo dessa teperatura, a pressão de saturação é inferior a atosférica. 46 3
24 Ciclo e cascata Se a escola for de u fluido co baixo ponto de ebulição, a pressão no evaporador será adequada as a pressão no condensador será uito alta, a ponto de exigir vasos e tubulação co paredes reforçadas, acarretando probleas de segurança, alé do custo do equipaento. Exeplo: R744 (dióxido de carbono) apresenta ponto de ebulição igual a -7,5 C. Trabalando a -50 C no evaporador, sua pressão será de 6, kpa as sua pressão no condensador será uito alta, acia do ponto crítico, que corresponde a 30,9 C. 47 Ciclo e cascata Alé disso, quando a pressão e a teperatura de evaporação são uito baixas, o volue específico da fase vapor saturado, na aspiração do copressor, é uito elevado, o que iplica na necessidade de u copressor co elevada capacidade. Coo solução a esses probleas, utiliza-se o ciclo e cascata, co diferentes refrigerantes e cada parte do sistea. 4 4
25 Ciclo e cascata Refrigerante Ref Refrigerante Ref 49 Ciclo e cascata Usos: Congelaento de alientos a teperaturas uito baixas (< 50 C); Liquefação de vapores de petróleo; Liquefação de gases industriais; Fabricação de gelo seco; Aplicações específicas: câaras cliáticas para coques téricos, congelaento de plasa sanguíneo, etc. 50 5
26 5 Ciclo de refrigeração e cascata EVAP / COND 5 6
27 Diagraa pressão-entalpia do ciclo 53 Cálculos: No SGHX de alta: HT HT 4 HT 5 HT HT HT ( ) 4 HT 5HT 5HT 4HT HT HT No SGHX de baixa: LT LT 4LT 5LT LT LT ( ) 4 LT 5LT 5LT 4LT LT LT Estágio de baixa: Efeito de refrigeração: Q E 7LT 6LT Vazão ássica: Pf Q E Vazão voluétrica: V υ 54 7
28 Estágio de baixa: Trabalo ecânico: WLT LT LT Potência ecânica: PLT W LT Estágio de alta: Efeito de refrigeração: Q E 7HT 6HT Do balanço de energia no Evap/Cond, obté-se a vazão ássica do copressor de alta: Q e E Q E ( ) ( ) 3LT 3LT 4LT 4LT 55 Estágio de alta: Trabalo ecânico: WHT HT HT Potência ecânica: PHT W HT COP do ciclo: Pf COP P HT + P LT A teperatura no condensador cascata pode ser calculada coo: T c T E + 5 C 56
29 Observação: Para o ciclo de alta, pode-se utilizar coo refrigerantes o R-, o R-77, R-34a, R404a, etc. Para o ciclo de baixa, as opções são o dióxido de carbono (R- 744), até -50 C, R-50b, de -40 C até -00 C, R-3, até -70 C, etc. 57 Ciclo transcrítico para R744 O uso do dióxido de carbono (R-744) foi bastante popular até a década de 60 do século passado, principalente e aplicações industriais, coo a indústria pesqueira (principalente e navios). E função das questões abientais surgidas co o uso de refrigerantes alogenados (CFCs) seu uso, ou estudos para seu uso, intensificara nos últios anos. 5 9
30 Características do R744 Eleva pressão de operação a ua dada teperatura; Faixa estreita de teperaturas de operação; Ponto tríplice e pressão elevada; Ponto crítico e teperatura uito baixa; Seu custo pode cegar de /0 a /0 do custo dos alogenados. 59 Características do R744 Teperatura, C Pressão, kpa R77 CO 6,7 95, ,6,7 455, 3.543,9-4, 40,6 79,
31 6 Pressão de condensação E u ciclo convencional a pressão de alta está diretaente relacionada co as características de transferência de calor no condensador e a teperatura do fluido externo utilizado para rejeição de calor. No ciclo transcrítico, essa pressão depende de u balanço entre a capacidade do copressor e a resistência ao escoaento produzida pelo dispositivo de expansão. Assi, a principal função desse dispositivo é anter a pressão de alta otiizada, não sendo capaz de controlar a alientação do evaporador co u fluxo de assa adequado. 6 3
32 FIM!!! 63 3
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