EFICIÊNCIA DE UMA UNIDADE DE REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE VAPOR

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1 EFICIÊNCIA DE UMA UNIDADE DE REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE VAPOR Janailon Olivira Cavalcanti 1 - janailonolivr@ig.com.br Univridad Fdral d Campina Grand Av. Aprígio Vloo, 88 - Campu II Campina Grand - PB Clo Rondo Bzrra Filho - clo@dm.ufcg.du.br Zaquu Ernto da Silva zaquu@l.ufpb.br Yog Jrônimo Ramo da Cota yog@dm.ufcg.du.br Rumo: Et artigo tm como objtivo motrar o cálculo da ficiência térmica d uma unidad d rfrigração por comprão d vapor qu utiliza o R-1 como fluido d trabalho como ua prformanc é aftada pla introdução d um trocador d calor colocado ntr a aída do vaporador a ntrada do compror. A mtodologia é dividida m trê tapa: a primira conit na aprntação da li da trmodinâmica do ciclo d rfrigração por comprão d vapor; a gunda conit na dcrição do funcionamnto da unidad laboratorial d rfrigração P. A. Hilton a trcira na ralização do naio análi do rultado. O coficint d prformanc baado na potência indicada, na potência d ixo na potência létrica foram calculado para difrnt condiçõ d opração da unidad com m a utilização do trocador d calor. O rultado obtido motram qu o coficint d prformanc da unidad d rfrigração (COP) tá intimamnt ligado à tmpratura d vaporação condnação do fluido d trabalho. Vrifica- qu o coficint d prformanc aumntam com o aumnto da tmpratura d aturação no vaporador (quando mantém a prão no condnador contant). Et fato ocorr com ou m a utilização do trocador d calor. O aumnto do COP com a introdução do trocador d calor é muito pquno ndo vrificado um maior bnficio d ordm prática, ou ja, garant- qu apna vapor no compror liquido na válvula d xpanão. Palavra - Chav: Rfrigração, Ciclo d Rfrigração, Ciclo Trmodinâmico. 1. INTRODUÇÃO O conumo o cuto da nrgia têm aumntado batant no último ano, o qu têm provocado dano conômico ambintai, dvido à ncidad d novo invtimnto para contrução d nova unidad gradora, com o objtivo d atndr a dmanda crcnt. Ito tm lvado o ngnhiro a dnvolvrm máquina cada vz mai ficint com o objtivo d rduzir o impacto cauado por t aumnto do conumo d nrgia. Para qu ito poa acontcr é ncário ntndr o comportamnto do quipamnto, bm como tablcr o principai parâmtro qu aftam o u dmpnho. Um do quipamnto

2 mai utilizado hoj m ridência na indútria ão a unidad d rfrigração, qu dpndndo da ituação, rprntam uma parcla important do conumo d nrgia. Nt artigo, analia- d forma xprimntal, como o dmpnho d uma unidad d rfrigração por comprão d vapor é aftado durant ua opração m difrnt rgim d trabalho. Nt ntido, uma Unidad Laboratório d Rfrigração rá utilizada para ralizar a invtigação propota ob divra condiçõ d opração. Eta unidad trabalha gundo o ciclo d rfrigração por comprão d vapor ua o R-1 como fluido d trabalho. O propóito dt tudo é analiar xprimntalmnt como a prformanc da rfrida unidad é aftada ob variada condiçõ d opração, bm como avaliar como ua ficiência é aftada pla introdução d um trocador d calor ntr o vaporador o compror.. LEIS DA TERMODINÂMICA A avaliação do coficint d prformanc da unidad laboratório d rfrigração é ralizada utilizando a li da trmodinâmica aplicada a um ciclo d rfrigração por comprão d vapor. Eta li, qu rão utilizada como modlo, bm como o ciclo d rfrigração por comprão d vapor ão aprntado abaixo..1 Li da Conrvação da Maa Um volum d control é uma rgião do paço tomada para tudo. A li da conrvação da maa para um volum d control afirma o fluxo líquido d maa atravé da uprfíci d control é igual à taxa d variação da maa no intrior do mmo. Matmaticamnt, ta li é crita gundo Sonntag, R. E t al (003) como: dm vc & (1) dt m m& = Ond: m& é o fluxo d maa qu ntra no volum d control; m& é o do fluxo d maa qu ai do volum d control dm vc rprnta a taxa d variação d maa no volum d control. dt.. Li da Conrvação da Enrgia A li da conrvação da nrgia é conhcida como primira li da trmodinâmica. Para um volum d control a mma é xpra gundo Sonntag, R. E t al (003) da guint forma: V. de vc V = + Q& vc + m& h + + gz m h + + gz + W& vc () dt

3 Ond: Q& vc é a taxa d tranfrência d calor para o volum d control; V m& h + + gz é o omatório da nrgia qu ntram no volum d control dvido ao fluxo d maa qu atravam a uprfíci d control (h = ntalpia pcifica, V = nrgia cinética pcifica gz é a nrgia potncial pcifica na ntrada); de vc dt é a taxa d variação da nrgia no intrior do volum d control;. V m h + + gz é o omatório da nrgia qu am do volum d control dvido ao fluxo d maa qu atravam a uprfíci d control (h = ntalpia pcifica, V = nrgia cinética pcifica gz é a nrgia potncial pcifica na aída); W & vc é o trabalho por unidad d tmpo ralizado plo volum d control..3 Sgunda Li da Trmodinâmica A primira li da trmodinâmica quantifica a nrgia nquanto a gunda li da trmodinâmica motra qu a nrgia tm qualidad qu o proco ocorrm mpr no ntido da dgradação da nrgia. A gunda li pod r xpra matmaticamnt utilizando- uma propridad trmodinâmica dnominada ntropia. A xprão da gunda li para um volum d control é gundo Sonntag, R. E t al. (003) dada por: ds dt vc Q& vc + m& m& + S& = gr T (3) Ond: ds vc é a taxa d variação d ntropia no intrior do volum d control; dt m& m & ão rpctivamnt o omatório do fluxo d ntropia qu ntram am do volum do control dvido ao fluxo d maa qu atravam a uprfíci d control; Q& vc é o fluxo d ntropia dvido a tranfrência d calor atravé da uprfíci d T control. S gr é a gração d ntropia, qu é nula para proco rvrívi poitiva para proco irrvrívi.

4 3. O Ciclo d Rfrigração por Comprão d Vapor Uma unidad d rfrigração é um dipoitivo qu oprando gundo um ciclo trmodinâmico ncita d trabalho para qu obtnha a tranfrência d calor d uma rgião d baixa tmpratura para outra d alta tmpratura. O ciclo d comprão a vapor é o mai uado no itma d rfrigração. El conit d quatro proco qu rão aprntado. Inicialmnt aprnta- o ciclo d rfrigração rvrívl idal tablcido por Carnot, qu prmit tirar alguma concluõ qu ão válida para ciclo rai. 3.1 Ciclo Rvrívl d Carnot Uma unidad d rfrigração idal é rprntada plo ciclo rvrívl d Carnot no qual o calor d uma font d tmpratura baixa T L (contant) é rjitado para um rrvatório d alta tmpratura T H (contant). A Figura 1 ilutra uma unidad d rfrigração idal a Figura o u ciclo corrpondnt m um diagrama tmpratura-ntropia (P. A. Hilton Manual). Conform dignado na Fig., o ciclo tm início com a comprão iontrópica do vapor úmido m 1 qu lva a prão d P 1 para P. Em guida, o vapor aturado m paa atravé do condnador, ond rjita calor a uma prão contant para um mio d rfriamnto, tranformando todo o do vapor m líquido aturado m 3. Apó a condnação, o líquido aturado a alta prão é xpandido iontropicamnt d da prão P 3 para prão P 4, no ponto 4. O vapor úmido rultant ntra no vaporador no tado 4. No vaporador, o fluido rfrigrant muda d fa aborvndo calor d uma font d baixa tmpratura ating o ponto 1, concluindo o ciclo d rfrigração. Tmpratura da font qunt T H Q H Válvula d xpanão Expanão iontrópica 3 4 Condnador Evaporador 1 Compror Comprão iontrópica Q L Tmpratura da font fria T L Fig. 1 Unidad d Rfrigração. O coficint d prformanc (COP) do rfrigrador é a razão ntr o calor rmovido da font fria, Q, o trabalho conumido plo mmo, como motra a xprão abaixo. Q& COP = (4) W

5 Para um rfrigrador rvrívl d Carnot, o COP é dado por (Stockr t Jon, 1985): COP Carnot T T T L = (5) H L A quação (5) motra qu o coficint d prformanc COP d uma unidad d rfrigração d Carnot tá intimamnt ligado à tmpratura d vaporação T L condnação T H do fluido d trabalho. Para uma dada tmpratura T H fixa, quanto maior T L, maior rá o COP carnot. Quanto mnor T H para uma dada T L fixa maior rá o COP Carnot da unidad. Et fato ocorr também na intalaçõ rai. Fig.. - Ciclo Rfrigração Rvrívl d Carnot. 3. Ciclo Padrão d Comprão d Vapor No ciclo padrão d comprão d vapor, o proco d xpanão iontrópica (3-4 na Fig. ) do ciclo rvrívl d Carnot é ubtituído por um proco d trangulamnto dvido a praticidad (Stockr t Jon, 1985). O diagrama prão-ntalpia motrado na Fig.3 é gralmnt o mai utilizado porqu m aplicaçõ d rfrigração a ntalpia é uma da propridad mai important a prão pod r facilmnt dtrminada. O coficint d prformanc COP d um ciclo padrão d comprão a vapor é a razão ntr a carga d rfrigração o trabalho d comprão. O COP para um proco d trangulamnto no ciclo padrão d comprão d vapor é dado por: COP h 1 4 = (6) h h h 1 Ond a variaçõ d ntalpia (h 1 -h 4 ) (h -h 1 ) rprntam rpctivamnt a carga d rfrigração pcífica o trabalho pcífico d comprão da unidad d rfrigração.

6 Figura 3. - Diagrama prão-ntalpia (P-h) do Ciclo Padrão. (Stockr Jon, 1985). 3.3 A Importância do Trocador d Calor Bucando aumntar a prformanc do ciclo padrão, o líquido ainda aqucido qu dixa o condnador pod r rfriado pla introdução d um trocador d calor como motra a Figura 4. Com a introdução do trocador na unidad d rfrigração, baixa a tmpratura média na qual o qual é rjitado aumnta a tmpratura média na qual o calor é aborvido do mio. Como conqüência, d acordo com o acontc com a máquina d Carnot, é d prar um aumnto do COP da unidad quando um trocador é utilizado como motrado na Figura 4. O diagrama prão-ntalpia, P-h, fica como motrado na Figura 5. Apar do incrmnto rlativo na prformanc, a vantagn dt itma ão principalmnt d ordm prática. Dntr ta vantagn, podm r citada a guint: Rdução d fluxo d rfrigrant para uma dada taxa d rfriamnto. Mnor chanc d vaporização na linha d líquido, particularmnt ta for longa. Mnor ganho d calor indjado no tubo d ucção do compror. Eliminação d gota d líquido na ntrada do compror. Figura 4. - Unidad d Rfrigração com Trocador d Calor (Stockr t Jon, 1985)

7 Figura 5. Diagrama Prão Entalpia (Stockr Jon, 1985) 3. DISPOSITIVO EXPERIMENTAL PARA ANÁLISE DO DESEMPENHO DE UMA UNIDADE DE REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE VAPOR O dipoitivo xprimntal qu rá utilizado para tudar o coficint d prformanc d uma unidad d rfrigração é ilutrado na Figura 6 qu motra o u principai componnt. Fig.6. - Planta da Unidad d Rfrigração Hilton. (Apotila P.A. Hilton Ltd)

8 O dipoitivo é contituído d um compror, um condnador, um trocador d calor, uma válvula d xpanão um vaporador. Toda a tubulação da unidad é iolada com uma puma d politirno. Divro trmopar tão intalado m difrnt ponto da unidad para ftuarm a mdida d tmpratura. O ponto ond o trmopar tão intalado ão motrado na Figura 6 rprntado rpctivamnt por t 1, t, t 3, t 4, t 5, t 6, t 7 t 8. A tmpratura ão indicada no rgitrador d tmpratura. A prõ no vaporador no condnador ão mdida por doi manômtro poicionado na aída do mmo. O calor é forncido a unidad atravé d um potnciômtro no qual pod variar a tnão a corrnt qu paam atravé d um a ritência létrica qu nvolv o vaporador. Et calor é aborvido plo R-1 qu paa no vaporador cuja vazão máica d R-1 é mdida por um rotâmtro intalado ant da válvula d xpanão. A tnão corrnt d paam na ritência ão motrada num voltímtro num amprímtro colocado no painl frontal da unidad, qu também podm rgitrar a tnão corrnt qu paam no motor mudando- a poição da chav comutadora. O calor é rmovido no condnador da unidad atravé da água d rfriamnto qu circula no mmo. A vazão d água é mdida plo rotâmtro motrado na Figura 6. O compror é acionado por um motor létrico intalado numa balança. Um dinamômtro acoplado a um braço d alavanca pro à balança rgitra a força ncária para poicionar à mma mpr na horizontal. Com a força, o comprimnto do braço da alavanca a rotação, md- a potência d ixo. Um trocador d calor d contra corrnt é poicionado como motrado na Figura 6 a fim d aqucr o fluido R-1 qu ai do vaporador, com o R-1 qu ai do condnador. Eta opração ó ocorr quando uma válvula dircional d R-1 prmit a paagm do fluxo atravé do trocador d calor. 4. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL E RESULTADOS O objtivo do naio ralizado nta unidad xprimntal é a dtrminação do coficint d prformanc, COP, m vária condiçõ d opração, com m o trocador d calor. O COP é calculado baado m trê potência: a potência létrica, a potência indicada a potência d ixo. O procdimnto adotado para atingir tal finalidad foi o guint: a) Sm o trocador d calor no circuito: 1- Liga- a unidad colh- uma prão d condnação vrifica- ua corrpondnt tmpratura d aturação. Eta prão é mantida contant durant todo o naio atravé do ajut da vazão da água d rfriamnto no condnador. - Slciona- uma tnão corrnt qu vão alimntar a ritência létrica qu nvolv o vaporador girando o potnciômtro. 3- Uma vz atingido o rgim prmannt, ão lido rgitrado todo o parâmtro forncido pla unidad: tmpratura d ntrada do compror, t 1, tmpratura d aída do compror, t, tmpratura d aída do condnador, t 3, tmpratura d ntrada da válvula d xpanão, t 4, tmpratura d ntrada do vaporador, t 5, tmpratura d aída do vaporador, t 6, tmpratura d ntrada da água d rfriamnto, t 7, tmpratura d aída da água d rfriamnto, t 8, prão no condnador, P c, prão no vaporador, P, vazão máica d R-1, m& F, vazão máica d água, m& A, tnão no motor, Vm, corrnt no motor, I m, tnão na ritência létrica, V r, corrnt na ritência létrica, I r, força da mola, F m, força d atrito, F a, vlocidad d rotação do motor létrico, n m vlocidad d rotação da polia do compror, n c. 4- Dpoi do pao 4, altra- a tnão corrnt da ritência para mudar o rgim d opração ajuta- a água d rfriamnto para mantr a mma prão no condnador. Epra- o rgim prmannt r atingido mdm- a grandza citada antriormnt. Ito é fito cinco vz. b) Com o trocador d calor

9 5- Mudando a poição da válvula dircional afim d qu o trocador d calor ja introduzido no circuito, ralizam- o mmo tt antrior com a mma prão lcionada no itm 1. Concluído o naio com m o trocador d calor, muda- a prão no condnador ( conquntmnt a tmpratura d aturação do R-1) ralizam- o mmo tt. O COP ão ntão calculado atravé da xprõ abaixo: CoP (baado na potência létrica) = CoP (baado na potência do ixo) = CoP (baado na potência indicada) = Q & (7) P l Q & (8) P Q (9) P i Ond: 0,30Fm πn m Q = Vr I r, P =, Pl = VmI m coφ ( o co(φ) é obtido na rfrência P. A. 60 0,30 Fa πn m Hilton Manual), Pa = Pi = P Pa 60 O rultado obtido ão aprntado d forma gráfica na Figura 7 8 ond vrifica rpctivamnt o comportamnto do coficint d prformanc, COP, da unidad d rfrigração m função da tmpratura d vaporação (t 5 ) para doi valor difrnt d prõ no condnador, cuja tmpratura d condnação ão 45,67 0 C 49,38 0 C. O gráfico aprntam o rultado m com o trocador d calor no circuito. A análi do gráfico da Figura 7 motra qu para uma tmpratura d condnação contant (prão no condnador contant), o COP baado na potência létrica, d ixo indicada, com m trocador d calor, aumntam com o aumnto da tmpratura d aturação no vaporador (t 5 ), aprntando um comportamnto idêntico ao prvito plo rfrigrador d Carnot. Ito pod r xplicado plo fato é quivalnt ao aumnto d T L na quação (5), mantndo- T H contant. O valor do COP calculado dpndm da potência uada no cálculo: létrica, d ixo indicada. A utilização do trocador no circuito mlhora o COP da unidad, quando comparado com a ituaçõ ond não utiliza o mmo. Ito pod r xplicado plo fato d aumntar a tmpratura média na qual o calor é aborvido no vaporador. A análi fita aqui também val para o gráfico da Figura 8. Comparando o gráfico da Figura 7 8 obrva- para uma dada tmpratura no vaporador (t 5 ) qu a mlhoria do COP quando diminui a tmpratura no condnador (prão no condnador) é praticamnt imprcptívl (com m o trocador d calor). Obrvando- a quação (5) do COP d Carnot, prava- qu t aumnto fo obrvado com mai intnidad, já qu uma diminuição d T H implicaria num aumnto do coficint d dmpnho para uma mma T L. Na ralidad, a grand vantagm da introdução do trocador d calor tá no ganho citado no itm 3.3.

10 C O EFIC IENTE DE PERFO RMANC E Tmpratura d Saturação no Condnador = C 5,0 4,5 4,0 Com trocador d calor Sm tracador d calor P otência Indicada 5,0 4,5 4,0 3,5 3,5 3,0 Potência d Eixo 3,0 COP,5,5,0 1,5 Potência Elétrica,0 1,5 1,0 1,0 0,5 0,5 0,0 0, Tmpratura d Saturação no Evaporador T [ 0 C] Fig. 7 - Coficint d Prformanc do Rfrigrador com tmpratura d condnação contant d 45,67 0 C. CO EFICIENTE DE PERFO RMANCE COP 5,0 4,6 4, 3,8 3,4 3,0,6, 1,8 1,4 T mpratura d Saturação no Condnador = C Sm trocador d calor Com trocador d calor Potência Indicada Potência d Eixo Potência Elétrica 1, ,0 4,8 4,6 4,4 4, 4,0 3,8 3,6 3,4 3, 3,0,8,6,4,,0 1,8 1,6 1,4 1, 1,0 T mp ratu ra d S atu ração n o E vap orad or T [ 0 C] Fig. 8 - Coficint d Prformanc do Rfrigrador com tmpratura d condnação contant d 49,38 0 C.

11 5. CONCLUSÕES A análi do rultado dt artigo prmit ntão aprntar a concluõ abaixo aprntada d forma rumida a guir: O valor do COP d uma unidad d rfrigração dpndm d qual potência é utilizada como ba d cálculo. O COP aumntam com a tmpratura d vaporação (aturação) no vaporador quando mantém fixa a tmpratura d aturação no condnador (prão no condnador contant). A utilização do trocador d calor aumnta o COP da unidad quando mantém fixa a prão no condnador. Para uma dada prão no vaporador contant, o aumnto do COP quando aumnta a prão no condnador é imprcptívl para a faixa d carga trabalhada. O grand bnfício introduzido com a utilização do trocador d calor no circuito, além da mlhoria do rndimnto, é d ordm prática como citado no itm REFERÊNCIAS Sonntag, R. E., Borgnakk, C. t VanWyln, G. J., 003. Fundamnto da Trmodinâmica Cláica. Tradução da Sxta Edição Amricana, São Paulo, Editora Edgard Bluchr. P. A. Hiltonl Manual: Rfrigration Laboratory Unit, Exprimntal Data. Stockr, Wilbrt F. t Jon, Jrold W. Rfrigração Ar Condicionado. Tradução Joé M. Saiz Jabardo São Paulo: McGraw - Hill do Brail, EFFICIENCY OF A REFRIGERATION UNIT FOR COMPRESSION OF VAPOR Janailon Olivira Cavalcanti1 - janailonolivr@ig.com.br Clo Rondo Bzrra Filho - clo@dm.ufcg.du.br 1,Univridad fdral of Campina Grand Av. Aprígio Vloo, 88 - Campu II Campina Grand - PB Abtract: Thi articl ha a objctiv to how th calculation of th thrmal fficincy of a rfrigration unit for vapor comprion that u th R-1 a work fluid and a it prformanc i affctd by th introduction of a hat xchangr placd btwn th xit of th vaporator and th inlt of th compror. Th mthodology i dividd in thr tag: th firt conit of th prntation of th law of th thrmodynamic and of th cycl of rfrigration for vapor comprion; th cond conit of th dcription of th opration of th rfrigration laboratorial unit P. A. Hilton and th third in th accomplihmnt of tt and analyi of th rult. Th prformanc cofficint bad in th lctric powr, in th haft powr and in th indicat powr wr calculatd for diffrnt condition of opration of th unit with and without th u of th hat xchangr. Th obtaind rult how that cofficint of prformanc of th rfrigration unit (COP) it i intimatly linkd to th vaporation and th condnation tmpratur of th work fluid. It i vrifid that th cofficint of prformanc incra with th incra of th aturation tmpratur in th vaporator (whn

12 th prur tay contant in th condnr). Thi fact happn with or without th u of th hat xchangr. Th incra of COP with th introduction of th hat xchangr i vry mall bing your largt bnfit vrifid of practical ordr, that i to ay, thi i guarant that jut vapor in th compror. Ky-Word: Rfrigration, Cycl of Rfrigration, Thrmodynamic Cycl.