Ciclos Termodinâmicos de Refrigeração. STE Termodinâmica Aplicada II

Transcrição

1 Ciclos Termodinâmicos de Refrigeração STE Termodinâmica Aplicada II

2 Objetivos Introduzir os conceitos de refrigeradores e bombas de calor e medir sua performance; Analisar o ciclo ideal de refrigeração por compressão de vapor; Revisar os fatores que envolvem a seleção do fluido refrigerante e aplicações; Discutir os parâmetros de operação de refrigeradores e bombas de calor; Avaliar a performance de ciclos de refrigeração por compressão de vapor com diferentes configurações; Analisar sistemas de refrigeração a gás Introduzir os conceitos de ciclos de refrigeração por absorção. STE Termodinâmica Aplicada II

3 REFRIGERADORES E BOMBAS DE CALOR A transferência de calor de uma região de baixa temperatura para outra de alta temperatura requer equipamentos chamados refrigeradores Refrigeradores e bombas de calor são essencialmente o mesmo equipamento com objetivos diferentes. O objetivo do refrigerador é remover calor (Q L ) de um meio frio; o objetivo de uma bomba de calor é suprir calor (Q H ) para um meio quente STE Termodinâmica Aplicada II

4 O CICLO DE CARNOT REVERSO O ciclo de Carnot reverso é o mais eficiente ciclo de refrigeração operando entre dois reservatórios a T L e T H O processos 2-3 envolve a compressão de uma mistura líquido o que requer um compressor que trabalhe com duas fase O processo 4-1 envolve uma expansão de uma mistura líquidovapor em uma turbina. Coeficientes de Desempenho COP REF 1 TH 1 T L COP BC 1 T 1 T L H STE Termodinâmica Aplicada II

5 O CICLO DE REFRIGERAÇÃO IDEAL POR COMPRESSÃO DE VAPOR O ciclo de refrigeração por compressão de vapor é o modelo ideal para sistemas de refrigeração. Diferente do que acontece no ciclo de Carnot reverso, neste caso o fluido refrigerante é completamente vaporizado antes de ser comprimido e a turbina s substituída por um dispositivo de expansão. STE Termodinâmica Aplicada II

6 O CICLO DE REFRIGERAÇÃO REAL POR COMPRESSÃO DE VAPOR Um ciclo ideal difere do ideal principalmente pelas irreversibilidades devido ao atrito do fluído (perdas de pressão) e a transferência de calor para a vizinhança e o compressor não ser isentrópico STE Termodinâmica Aplicada II

7 SELEÇÃO DE FLUIDOS REFRIGERANTES Diversos fluidos refrigerantes podem ser usados em sistemas de refrigeração tais como (clorofluorcarbonos (CFCs), amônia, hidrocarbonetos (propano, etano, etileno, etc), dióxido de carbono, ar e até água (em aplicações acima do ponto de congelamento); R-11, R-12, R-22, R-134a e R-502 respondem por quase 90% do mercado de fluidos refrigerantes Setores industrias e comerciais de uso intensivo usam ammonia (é um fluído tóxico) R-11 é usado em sistemas de produção de água gelada de grande capacidade para sistemas de condicionamento de ar STE Termodinâmica Aplicada II

8 SELEÇÃO DE FLUIDOS REFRIGERANTES R134a (substitui o R-12 pelos danos que este causa a camada de ozônio) é usado em sistemas de refrigeração domésticos e em sistemas veiculares; R-22 é usado em ar condicionados de janelas, bombas de calor e em sistemas industriais, neste caso competindo com a amônia; R-502 (uma mistura entre o R-115 e o R-22) é o fluido refrigerante mais usado em refrigeração comercial, tais como usados em supermercados; Os dois principais parâmetros que precisam ser considerados na seleção de um fluido refrigerantes são as temperaturas dos dois meios que o fluido irá trocar calor (o meio a ser refrigerado e o ambiente) STE Termodinâmica Aplicada II

9 SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO EM CASCATA Proposta para diminuir o trabalho de compressão e aumentar a capacidade de refrigeração STE Termodinâmica Aplicada II

10 SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO COM COMPRESSÃO EM MÚLTIPLOS ESTÁGIOS Mesmo caso que o anterior porém o trocador de calor é substituído por um separador de líquido STE Termodinâmica Aplicada II

11 SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO MULTIPRÓPOSITO COM UM ÚNICO COMPRESSOR Algumas aplicações requerem o fluído refrigerante em mais de uma temperatura. STE Termodinâmica Aplicada II

12 Liquefação de Gases Algumas aplicações em engenharia e cientificas demandam processos em temperaturas criogênicas (abaixo de -100ºC) e dependem da liquefação de gases. STE Termodinâmica Aplicada II

13 CICLOS DE REFRIGERAÇÃO A GÁS O ciclo Brayton reverso (ciclo de refrigeração a gás) pode ser usado para refrigeração. STE Termodinâmica Aplicada II

14 REFRIGERAÇÃO A GÁS COM REGENERADOR STE Termodinâmica Aplicada II

15 CICLO DE REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO DE VAPOR Adequado quando a há uma fonte de calor residual com temperatura entre 100ºC e 200ºC Exemplos deste tipo de fonte incluem: energia geotérmica, solar, calor residual de plantas de cogeração ou plantas a vapor, e até gás natural quando o preço for relativamente baixo. Sistemas de refrigeração por absorção envolvem a absorção de um refrigerante por um meio de transporte; O par mais usual é a amônia-água, onde a amônia serve como refrigerante e a água como meio de transporte; STE Termodinâmica Aplicada II

16 CICLO DE REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO DE VAPOR Outros sistemas incluem água-brometo de lítio e água-cloreto de lítio, onde a água serve como refrigerante. Estes sistemas limitam-se a aplicações de condicionamento de ar, onde a temperatura mínima está acima do ponto de congelamento da água; Comparando-se com sistemas de compressão, o sistema de absorção tem uma grande vantagem: comprimir um líquido ao invés de um vapor, o que resulta em um consume de potência muito pequeno (da ordem de 1% do calor fornecido ao gerador). Porém, estes sistemas são mais caros do que os de compressão, ocupam mais espaço, requerem torres de resfriamento muito maiores e são menos eficientes, e são tem custos de manutenção mais elevados, justamente por serem menos utilizados Entretanto, devem ser considerados somente quando o custo unitário da energia térmico é muito baixo comparado com a eletricidade. Estes sistemas são usados basicamente em grandes instalações comerciais e industriais STE Termodinâmica Aplicada II

17 CICLO DE REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO DE VAPOR STE Termodinâmica Aplicada II