Refrigeração e Ar Condicionado

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Leandro Aranha de Almada
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1 Refrigeração e Ar Condicionado Introdução aos Ciclos Refrigeração por Compressão de Vapor Filipe Fernandes de Paula filipe.paula@engenharia.ufjf.br Departamento de Engenharia de Produção e Mecânica Faculdade de Engenharia Universidade Federal de Juiz de Fora Engenharia Mecânica 1/16

2 Introdução 2/16

3 Introdução O ciclo de Carnot é um importante ciclo termodinâmico teórico, pois nos permite estudar de modo simplificado os principais processos de um ciclo de potência e refrigeração; Mesmo sendo seus processos idealizados, é possível, através do ciclo de Carnot, tirar conclusões sobres ciclos de potência e refrigeração que podem ser estendidas para os ciclos reais; Será utilizado o ciclo de Carnot com mudança de fase, por ser mais apropriado para o ciclo de refrigeração. 2/16

4 Ciclo de Carnot de Potência 3/16

Ciclo de Carnot de Potência O ciclo de Carnot é um ciclo termodinâmico em que todos seus processos são reversíveis; É composto pelos seguintes processos: 1-2: O gás sofre uma compressão adiabática,

5 Ciclo de Carnot de Potência O ciclo de Carnot é um ciclo termodinâmico em que todos seus processos são reversíveis; É composto pelos seguintes processos: 1-2: O gás sofre uma compressão adiabática, mudando sua temperatura e pressão; 2-3: O gás é expandido isotermicamente, recebendo calor QH do reservatório quente; 3-4: O gás continua a ser expandido adiabaticamente; 4-1: O gás é comprimido isotermicamente até seu estado inicial, transferindo energia Q L para o reservatório frio. 3/16

6 Ciclo de Carnot de Potência 4/16

7 Ciclo de Carnot de Potência A eficiência do ciclo de Carnot pode ser calculada utilizando a seguinte relação: η Carnot = 1 T L T H O ciclo de Carnot é o ciclo mais eficiente possível que pode operar entre dois reservatórios determinados; η Carnot η qualquer Todos os motores operando segundo o ciclo de Carnot entre dois reservatórios de temperaturas constantes, possuem a mesmo eficiência. η Carnot,1 = η Carnot,2 5/16

8 Ciclo de Carnot de Potência O ciclo de Carnot também pode ser utilizado com fluidos de trabalho com mudança de fase; 6/16

9 Ciclo de Carnot de Refrigeração 7/16

10 Introdução Como visto antes, o ciclo de Carnot é o ciclo termodinâmico de potência com maior rendimento, isso também é válido para o ciclo inverso, ou seja, ciclo de refrigeração; O fluido de trabalho utilizado em ciclos de compressão são fluidos chamados de refrigerantes, e possuem características que permitem uma maior eficiência do ciclo; O intervalo de pressão correspondente às temperaturas no evaporador e no condensador deve ser pequeno, a fim de reduzir o trabalho de compressão; A pressão do vapor dever ser baixa para reduzir o custo do condensador, mas superior à pressão atmosférica, para que o ar não não infliltre no evaporador; 7/16

11 Introdução Um ciclo de refrigeração possui quatro principais componentes: Evaporador - Trocador de calor responsável por remover calor do ambiente a ser refrigerado; Condensador - Trocador de calor responsável por ceder calor do refrigerante; Compressor - Responsável pelo aumento de pressão da mistura vapor-ĺıquido que sai do evaporador; Dispositivo de expansão - Responsável pela queda de pressão e expansão do ĺıquido após sair do condensador; 8/16

12 Ciclo de Carnot de Refrigeração 1-2: Compressão adiabática; 2-3: Rejeição de calor isotérmica; 3-4: Expanção adiabática; 4-1: Absorção de calor isotérmica. 9/16

13 Ciclo de Carnot de Refrigeração Coeficiente de Desempenho (COP) A razão entre o efeito de refrigeração (no evaporador) e o trabalho ĺıquido necessário para atingir este efeito. β Carnot = Q evaporador Ẇ compressor Ẇ turbina = T C T H T C 10/16

14 Impraticidades do Ciclo de Carnot 11/16

Transferência de Calor sem Variação de Temperatura As trocas de Calor no Evaporador e Condensador ocorrem sem variação de temperatura, devido à necessidade do processo ser reversível; Na

15 Transferência de Calor sem Variação de Temperatura As trocas de Calor no Evaporador e Condensador ocorrem sem variação de temperatura, devido à necessidade do processo ser reversível; Na realidade, existe variação de temperatura entre o condensador/evaporador e o reservatório; Esse fato gera irreverssibilidades que diminuem o COP do ciclo. β = T C T H T C β carnot > β 11/16

16 Compressão Úmida O processo de compressão ocorre com uma mistura de vapor e ĺıquido (compressão úmida); A presença de ĺıquido no processo de compressão danifica o compressor; A compressão seca no ciclo de Carnot poderia ser obtida utilizando-se dois compressores: um isentrópico e outro isotérmico; 12/16

17 Compressão Úmida Apesar de evitar a compressão úmida, este ciclo de Carnot modificado não teria utilidade prática, pois: Dificuldade de se obter compressão isotérmica utilizando compressores em rotação elevada; A utilização de dois compressores ao invés de um, em geral, não se justifica economicamente. 13/16

18 Baixa Eficiência e pouco Trabalho na Turbina O processo de expansão na turbina de mistura ĺıquido-vapor com baixo título produz um valor pequeno de potência; A operação de turbinas nestas condições resultaria em baixa eficiência. 14/16

19 Exemplo Exemplo 1 - Refrigerante 22 é o fluido de trabalho de um ciclo de Carnot de refrigeração em regime permanente. O refrigerante entra no condensador como vapor saturado a 32 C e sai como ĺıquido saturado. O evaporador opera a 0 C. Qual o coeficiente de desempenho do ciclo? Determine, em kj/kg de refrigerante, (a) Trabalho do compressor; (b) O trabalho extraído da turbina; (c) O calor transferido para o refrigerante no evaporador. 15/16

20 Exemplo 16/16

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