ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS

Transcrição

1 ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS Prof. Dr. Paulo H. D. Santos

2 AULA 4 03/10/2014 Modelagem dos sistemas de refrigeração por compressão e por absorção Parte I

3 Sumário SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO A VAPOR Ciclo de refrigeração de Carnot Desvios do Ciclo de Carnot Análise dos sistemas de refrigeração por compressão de vapor PROPRIEDADES DOS REFRIGERANTES Seleção de Refrigerantes ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 3/146

4 Sumário SISTEMAS DE COMPRESSÃO DE VAPOR EM CASCATA E MULTIESTÁGIO Ciclos em Cascata Compressão multiestágio com inter-resfriamento REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO Ciclo simples de refrigeração por absorção Ciclo de refrigeração por absorção NH 3 /H 2 O Ciclo de refrigeração por absorção H 2 O/LiBr ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 4/146

5 SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO A VAPOR ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 5/146

6 Os Sistemas de Refrigeração (SR) são instalações industriais utilizadas principalmente na conservação dos alimentos e no condicionamento do ar (diminuição da temperatura de ambientes). Já as bombas de calor (BC) tem finalidade inversa, isto é, aquecimento de ambientes e produção de calor em processos industriais. O objetivo de um sistema de refrigeração é manter uma região fria a uma temperatura inferior à da sua vizinhança. Em geral isto é realizado usando-se sistemas de refrigeração a vapor, no qual, uma substância denominada refrigerante sofre mudanças de fase num ciclo termodinâmico. Assim como no SPV, a análise dos ciclos de refrigeração tem como base um ciclo ideal (ciclo de Carnot). ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 6/146

7 Ciclo de refrigeração de Carnot O esquema do ciclo de refrigeração de Carnot e a sua representação num diagrama T-s é ilustrada abaixo. O ciclo é realizado pela circulação continua do refrigerante através de uma série de componentes, sendo todos os processos internamente reversíveis. ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 7/146

8 Ciclo de refrigeração de Carnot O refrigerante entra no evaporador como uma mistura de duas fases líquido-vapor no estado 4. No evaporador, parte do refrigerante muda da fase líquida para vapor como resultado da transferência de calor da região à temperatura T C para o refrigerante. A temperatura e a pressão do refrigerante permanecem constantes durante o processo 4-1. ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 8/146

9 Ciclo de refrigeração de Carnot O refrigerante é logo comprimido adiabaticamente do estado 1 para o estado 2 (vapor saturado). Durante esse processo a temperatura do refrigerante aumenta de T C para T H, estando presente também um aumento da pressão. Posteriormente, a temperatura e a pressão permanecem constantes no passo pelo condensador (processo de transferência de calor 2-3). ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 9/146

10 Ciclo de refrigeração de Carnot Finalmente, o refrigerante volta ao estado inicial após experimentar uma expansão adiabática numa turbina. Uma vez que o ciclo de refrigeração a vapor de Carnot é composto por processos reversíveis, as áreas no diagrama T-s podem ser interpretadas como transferências de calor. ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 10/146

11 Ciclo de refrigeração de Carnot Assim, a área 1-a-b-4-1 é o calor acrescentado ao refrigerante através da região fria por unidade de massa do refrigerante. A área 2-a-b-3-2 é o calor rejeitado pelo refrigerante para a região quente por unidade de massa do refrigerante. A área fechada representa a transferência de calor líquida do refrigerante. ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 11/146

12 Ciclo de refrigeração de Carnot Essa transferência de calor líquida do refrigerante é igual ao trabalho líquido realizado sobre o refrigerante. O trabalho líquido é a diferença entre o trabalho de acionamento do compressor e o trabalho desenvolvido pela turbina. ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 12/146

13 Ciclo de refrigeração de Carnot Define-se o coeficiente de desempenho de qualquer ciclo de refrigeração como sendo a razão entre o efeito de refrigeração e o trabalho líquido necessário para atingir tal efeito. Para o ciclo de refrigeração a vapor de Carnot isto é:. máx Qentra m TC sa sb TC W m W m T T s s T T c t H C a b H C ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 13/146

14 Desvios do Ciclo de Carnot Sistemas de refrigeração a vapor reais desviam-se significativamente do ciclo de Carnot, tendo coeficientes de desempenho inferiores ao do ciclo ideal. Esses desvios acontecem por três razões principais: 1. As transferências de calor entre o refrigerante e as vizinhanças não são realizadas de forma reversível. As temperaturas reais do refrigerante nos trocadores de calor causam uma redução do coeficiente de desempenho: ' área 1'-a - b - 4'-1' área 1'-2'-3'-4'-1' T H TC' ' T C ' ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 14/146

15 Desvios do Ciclo de Carnot 2. O compressor real não poderá funcionar com o refrigerante nas duas fases líquido-vapor (compressão molhada). 3. Substituição da turbina pela introdução de uma válvula de expansão. A válvula de expansão se justifica na redução de custos inicial e de manutenção. Além disso, o ganho de trabalho pela turbina é pequeno nas condições termodinâmicas do refrigerante. ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 15/146

16 Refrigerador Doméstico ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 16/146

17 Refrigerador Doméstico ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 17/146

18 Análise dos sistemas de refrigeração por compressão de vapor Cálculo do trabalho e das transferências de calor principais: Evaporador: neste componente, o refrigerante recebe calor do espaço refrigerado e é evaporado totalmente. Para um volume de controle que engloba o lado do refrigerante no evaporador, o balanço de massa e de energia simplificam-se para fornecer a taxa de transferência de calor por unidade de massa do refrigerante em escoamento: Q entra m h 1 h 4 A quantidade Q entra capacidade frigorífica. é conhecida como ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 18/146

19 Análise dos sistemas de refrigeração por compressão de vapor Cálculo do trabalho e das transferências de calor principais: Compressor: neste componente, o refrigerante é comprimido até uma temperatura e pressão relativamente altas. Admitindo-se que não haja transferência de calor de ou para o compressor, os balanços de massa e energia para um volume de controle que englobe o compressor fornecem: Wc h 2 h 1 m na qual, W c é a taxa de potência de alimentação por unidade de massa de refrigerante. m ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 19/146

20 Análise dos sistemas de refrigeração por compressão de vapor Cálculo do trabalho e das transferências de calor principais: Condensador: neste componente, o refrigerante é condensado devido à transferência de calor para a vizinhança, que está mais fria. Para um volume de controle que envolve o lado do refrigerante no condensador, a taxa de transferência de calor por unidade de massa de refrigerante em escoamento é: Q sai m h h 2 3 ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 20/146

21 Análise dos sistemas de refrigeração por compressão de vapor Cálculo do trabalho e das transferências de calor principais: Válvula de expansão: neste componente, o refrigerante se expande até a pressão do evaporador. Este processo é modelado como sendo um processo de estrangulamento. Para um processo de estrangulamento, as entalpias de entrada e saída do fluido permanecem iguais: h4 h3 A pressão do refrigerante decresce na expansão adiabática irreversível, havendo portanto, um aumento na entropia espe- cífica. O refrigerante sai da válvula como uma mistura de duas fases. ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 21/146

22 Ciclo IDEAL de Refrigeração por Compressão Processos do ciclo ideal de refrigeração por compressão de vapor: Na ausência de irreversibilidades no evaporador e no condensador, não haverá queda de pressão por atrito e o refrigerante escoará a pressão constante. Além disso, se a compressão ocorrer sem irreversibilidades e em condições adiabáticas, este processo será isentrópico: Processo 1-2s: compressão isentrópica do refrigerante até a pressão do condensador no estado 2s. Processo 2s-3: transferência de calor do refrigerante a pressão constante ao longo do condensador. O refrigerante sai como líquido saturado no estado 3. ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 22/146

23 Ciclo IDEAL de Refrigeração por Compressão Processos do ciclo ideal de refrigeração por compressão de vapor: Na ausência de irreversibilidades no evaporador e no condensador, não haverá queda de pressão por atrito e o refrigerante escoará a pressão constante. Além disso, se a compressão ocorrer sem irreversibilidades e em condições adiabáticas, este processo será isentrópico: Processo 3-4: estrangulamento do estado 3 até uma mistura de duas fases líquidovapor em 4 (não isentrópico). Processo 4-1: transferência de calor para o refrigerante a pressão constante ao longo do evaporador até o estado inicial (vapor saturado). ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 23/146

24 Ciclo REAL de Refrigeração por Compressão No ciclo real, as transferências de calor entre o refrigerante e as regiões quente e fria não são realizadas de maneira reversível: A temperatura do refrigerante é mais baixa que a temperatura T C da região fria, e a temperatura do refrigerante no condensador é mais alta que a temperatura T H da região quente. Um outro aspecto importante do ciclo real é a presença do processo de compressão adiabático e irreversível. ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 24/146

25 Ciclo REAL de Refrigeração por Compressão Observa-se que a capacidade frigorífica de ambos os ciclos da figura anterior é igual, mas não o trabalho requerido para realizar a compressão do refrigerante. Dessa forma, o coeficiente de desempenho do ciclo é menor que aquele do ciclo 1-2s ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 25/146

26 Ciclo REAL de Refrigeração por Compressão Os efeitos irreversíveis causados pelas perdas de pressão nas tubulações dos componentes do ciclo (desprezível para a maioria dos casos analisados neste curso). Finalmente, duas características no ciclo real devem ser consideradas: A condição de vapor superaquecido na saída do evaporador (estado 1) difere da condição de vapor saturado no ciclo ideal. A condição de liquido comprimido na saída do condensador (estado 3) difere da condição de líquido saturado no ciclo ideal. ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 26/146

27 PROPRIEDADES DOS REFRIGERANTES ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 27/146

28 Desde aproximadamente 1940 até início dos anos 1990, a classe mais comum de refrigerantes utilizados nos sistemas de refrigeração por compressão de vapor era a dos CFCs (clorofluorcarbonos). O cloro contido nestas substâncias produzia um efeito destrutivo da camada de ozônio na atmosfera alta. O CFC mais usado até então era o Refrigerante R-12. Com o aumento da preocupação ambiental nas últimas décadas, os CFCs foram substituídos gradativamente por outras classes de refrigerantes que trocaram, principalmente, o cloro por hidrogênio na sua composição, agredindo menos a camada de ozônio. ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 28/146

29 Uma dessas classes é a dos HFCs, do qual o Refrigerante R-134a (CF3CH2F) faz parte. Outra alternativa foram os refrigerantes da classe HCFCs, na qual o Refrigerante 22 (CHClF2) se inclui. Porém, devido à presença de cloro na molécula, estes refrigerantes também estão sendo banidos. A amônia (NH3), que foi amplamente empregada nos inícios dos sistemas de refrigeração por compressão de vapor, vem de novo ganhando interesse para aplicação. ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 29/146

30 A amônia tem também importância nos sistemas de refrigeração por absorção, que será estudado na próxima aula. Hidrocarbonetos como o propano (C3H8) e o metano (CH4), e gases como o dióxido de carbono (CO2), também se encontram em análise para serem usados como refrigerantes. No apêndice do livro texto encontram-se as propriedades de diversos refrigerantes (amônia, propano, R-22, R-134a). ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 30/146

31 Um diagrama de propriedades termodinâmicas amplamente empregado no campo da refrigeração é o diagrama pressão-entalpia, ou diagrama p-h. ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 31/146

32 Seleção de Refrigerantes As temperaturas do refrigerante no evaporador e no condensador são determinadas pelas temperaturas das regiões fria e quente com as quais o sistema interage termicamente. Isso, por sua vez, determina as pressões de operação do evaporador e do condensador. Geralmente é desejável evitar pressões muito baixas no evaporador e muito altas no condensador. ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 32/146

33 Seleção de Refrigerantes Outras considerações para a escolha de um refrigerante incluem a estabilidade química, a toxidez, a corrosividade e o custo. O tipo de compressor também influi na escolha do refrigerante. Compressores centrífugos são mais adequados para baixas pressões no evaporador e refrigerantes com grandes volumes específicos a baixa pressão. ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 33/146

34 Seleção de Refrigerantes Compressores alternativos trabalham melhor em um grande intervalo de pressão e são mais capazes de lidar com refrigerantes de baixo volume específico. ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 34/146

35 SISTEMAS DE COMPRESSÃO DE VAPOR EM CASCATA E MULTIESTÁGIO ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 35/146

36 Variações do ciclo básico de refrigeração por compressão de vapor são usadas para aumentar o desempenho ou em aplicações especiais. Duas variações nesse sentido são os ciclos de refrigeração em cascata e de compressão multiestágio. ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 36/146

37 Ciclos em Cascata No ciclo em cascata, dois ou mais ciclos de refrigeração por compressão de vapor são arranjados em série através de um trocador de calor contracorrente que os une. No trocador de calor intermediário, a energia rejeitada durante a condensação do ciclo de baixa temperatura é usada para evaporar o refrigerante no ciclo de alta temperatura, conforme ilustrado. O efeito desejado de refrigeração acontece no evaporador de baixa temperatura, e a rejeição de calor do ciclo como um todo ocorre no condensador de alta temperatura. ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 37/146

38 Ciclos em Cascata O coeficiente de desempenho é a razão do efeito de refrigeração pela potência de acionamento total: Q W ca entra W A vazão mássica dos ciclos A e B normalmente é diferente. As vazões mássicas estão relacionadas pelos balanços de massa e de energia no trocador de calor contracorrente. cb ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 38/146

39 Compressão multiestágio com inter-resfriamento Como discutido nos SPG, a compressão com inter-resfriamento promove uma economia de potência de acionamento do compressor. Aplicado a ciclos de refrigeração, este conceito é possível de levar na prática utilizando uma porção do mesmo refrigerante para resfriar a outra porção restante em etapas subseqüentes de compressão. O inter-resfriamento é obtido através de um trocador de calor de contato direto. ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 39/146

40 Compressão multiestágio com inter-resfriamento Vapor saturado a uma temperatura relativamente baixa entra no trocador de calor no estado 9; Esse vapor mistura-se com o refrigerante, a uma temperatura mais alta, que sai do primeiro estágio de compressão no estado 2. Uma corrente única misturada sai do trocador de calor a uma temperatura intermediária no estado 3 e é comprimida no compressor de segundo estágio até a pressão do condensador no estado 4. ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 40/146

41 Compressão multiestágio com inter-resfriamento Assim, precisa-se de menos trabalho por unidade de massa que escoa de 1 para 2, seguida da compressão de 3 para 4, quando comparada à compressão em um único estágio 1-2-a; ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 41/146

42 Compressão multiestágio com inter-resfriamento Um separador líquido-vapor chamado câmara de separação (flash chamber) é um componente essencial deste ciclo. Nessa câmara, os componentes líquido e vapor são separados em duas correntes. Com base numa unidade de massa que escoa pelo condensador, a fração do vapor formado na câmara de separação é igual ao título. ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 42/146

43 REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 43/146

44 O ciclo de refrigeração por absorção apresenta características similares ao ciclo de refrigeração por compressão de vapor, diferenciando-se em dois detalhes importantes: Ausência de compressor: o processo de compressão é substituído por um sistema de absorção. Neste equipamento, o refrigerante de um sistema de absorção é absorvido por uma substância secundária, chamada absorvente, de modo a formar uma solução líquida que demandará menor quantidade de trabalho para elevação da sua pressão por bombeamento (menor volume específico); Introdução de uma fonte externa de calor: Uma fonte de calor é requerida a fim de retirar o vapor do refrigerante da solução líquida antes de que ele entre no condensador. Na prática utilizam-se combustíveis gasosos para gerar o calor; Nos últimos anos, fontes de energia renovável estão sendo utilizadas (i.e., Aula energia 4 Sist. solar) Refrigeração para realizar por Compressão a tarefa, e além por Absorção da energia Parte térmica I da biomassa. ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 44/146

45 CICLO SIMPLES DE REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO NH 3 /H 2 O Amônia (Refrigerante) Água (Absorvente) ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 45/146

46 CICLO SIMPLES DE REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO NH 3 /H 2 O ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 46/146

47 CICLO SIMPLES DE REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO NH 3 /H 2 O ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 47/146

48 Balanço de Massa Equação da Conservação da Massa Aplicada a um V.C. para Regime Permanente: ent m ent sai m sai 0 ent m x m x ent ent sai sai sai 0 ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 48/146

49 Balanço de Energia Equação da Conservação da Energia Aplicada a um V.C. para Regime Permanente: 2 2 V ent V sai Qv. c. Wv. c. ment hent gzent msai hsai gzsai ent 2 sai 2 0 ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 49/146

50 CICLO SIMPLES DE REFRIGERAÇÃO POR ABSORÇÃO H 2 O/LiBr ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 50/146

51 Operação do Ciclo de Absorção ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 51/146

52 Estados Termodinâmicos do Ciclo Pto. Estado Observação 1 Sol. Liq. Sat. Q 1 = 0 2 Sol. Liq. Subresfriado Modelo da bomba 3 Sol. Liq. Subresfriado Modelo do TC Sol. 4 Sol. Liq. Sat. Q 4 = 0 5 Sol. Liq. Subresfriado Modelo do TC Sol. 6 Sol. Bifásico (Liq./Vap) Expansão adiabática 7 Vap. H2O Superaquecido x 7 = 0 8 Liq. H2O Sat. Q 8 = 0 9 H2O Bifásico (Liq./Vap) Expansão adiabática 10 Vap. H2O Sat. Q 10 = 1 ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 52/146

53 Estados Termodinâmicos do Ciclo ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 53/146

54 Estados Termodinâmicos do Ciclo ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 54/146

55 Estados Termodinâmicos do Ciclo ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 55/146

56 Estados Termodinâmicos do Ciclo ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 56/146

57 Estados Termodinâmicos do Ciclo ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 57/146

58 Estados Termodinâmicos do Ciclo ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 58/146

59 Estados Termodinâmicos do Ciclo ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 59/146

60 Estados Termodinâmicos do Ciclo ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 60/146

61 Balanço de Massa e Energia Balanços de Massa no Gerador: m m m m x m x m x Balanço de Energia no Gerador: Q m h m h m h ger ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 61/146

62 Balanço de Massa e Energia Balanço de Massa no Condensador: m 7 m8 0 Balanço de Energia no Cond.: Q m h m h cond ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 62/146

63 Balanço de Massa e Energia Balanços de Massa na Válvulas de Expansão: m 8 m9 0 m 5 m6 0 Balanço de Energia na Váls. Exp.: m h 8 8 m9h9 0 m h 5 5 m6h6 0 ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 63/146

64 Balanço de Massa e Energia Balanço de Massa no Evaporador: m 9 m10 0 Balanço de Energia no Evap.: Q m h m h evap ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 64/146

65 Balanço de Massa e Energia Balanços de Massa no Absorvedor: m m m m x m x m x Balanço de Energia no Absor.: Q m h m h m h abs ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 65/146

66 Balanço de Massa e Energia Modelo Isentrópico para Bomba de Solução: W W ideal real W m v p p ideal W m h h real ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 66/146

67 Balanço de Massa e Energia Balanços de Massa no Trocador de Calor: m 2 m3 0 m 5 m6 0 Balanço de Energia no T.C.: Q m h m h trocador trocador Q m h m h ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 67/146

68 Balanço de Massa e Energia Coeficiente de desempenho (COP): COP Q Q evap ger ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 68/146

69 Simulação de Refrigeração por Compressão Um sistema de refrigeração por compressão de vapor opera R22. Vapor saturado sai do evaporador à 15 o C e líquido saturado sai do condensador 48 o C. Assume-se que a eficiência isentrópica do compressor é de 80. A capacidade de refrigeração do evaporador é de Btu. (1 TR = Btu = 3,517 kw). ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 69/146

70 Simulação de Refrigeração por Compressão 1) Salvem o arquivo como: Exemplo_1_Aula_4 "Exemplo 1 - Aula 4" "!Dados:" x[1]=1 T[1] =15[C] x[3] = 0 T[3] =48[C] eta_comp = 0,8 "!Vapor saturado na saída do evaporador" "!Temperatura na saída do evaporador" "!Líquido saturado na saída do condensador" "!Temperatura na saída do condensador" "!Eficiência isoentrópica do compressor" Clique F2 ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 70/146

71 Simulação de Refrigeração por Compressão Clique em Windows -> Solutions ( ou Ctrl + U); ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 71/146

72 Simulação de Refrigeração por Compressão Clique em Clique em Windows -> Equations ( ou Ctrl + E); ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 72/146

73 Simulação de Refrigeração por Compressão Clique em Clique em Windows -> Arrays ( ou Ctrl + Y); ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 73/146

74 Simulação de Refrigeração por Compressão 1) Option -> Unit System 2) Unit System -> SI 3) Specific Properties -> Mass basis 4) Temperature Units -> Celsius 5) Pressure Units -> kpa 6) Energy Units -> kj 7) Trig Functions -> Degrees 8) Clique em OK; ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 74/146

75 Simulação de Refrigeração por Compressão "Determinação das pressões do sistema" p[1]=p_sat(r22;t=t[1]) 1) Options -> Function Info 2) Selecione Thermophysical Properties 3) Selecione Real fluids 4) Na coluna da direita selecione R22; 5) Na esquerda selecione P_sat[kPa]; 6) Digite [1] no canto direito inferior 7) Clique Paste 8) Apague P_sat[1] e digite p[1] 9) Clique F2 ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 75/146

76 Simulação de Refrigeração por Compressão "Determinação das pressões do sistema" p[1]=p_sat(r22;t=t[1]) p[3]=p_sat(r22;t=t[3]) 1) Options -> Function Info 2) Selecione Thermophysical Properties 3) Selecione Real fluids 4) Na coluna da direita selecione R22; 5) Na esquerda selecione P_sat[kPa]; 6) Digite [3] no canto direito inferior 7) Clique Paste 8) Apague P_sat[3] e digite p[3] 9) Clique F2 ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 76/146

77 Simulação de Refrigeração por Compressão "Determinação das pressões do sistema p[1]=p_sat(r22;t=t[1]) p[3]=p_sat(r22;t=t[3]) p[2] = p[3] p[4] = p[1] Clique F2 ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 77/146

78 "Ponto 1:" h[1]=enthalpy(r22;t=t[1];x=x[1]) 1) Options -> Function Info 2) Selecione Thermophysical Properties 3) Selecione Real fluids 4) Na coluna da direita selecione R22; 5) Na esquerda selecione Enthalpy; 6) Selecione Temperature e Quality 7) Digite [1] no canto direito inferior 8) Clique Paste 9) Clique F2 ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 78/146

79 "Ponto 1:" h[1]=enthalpy(r22;t=t[1];x=x[1]) s[1]=entropy(r22;t=t[1];x=x[1]) 1) Options -> Function Info 2) Selecione Thermophysical Properties 3) Selecione Real fluids 4) Na coluna da direita selecione R22; 5) Na esquerda selecione Entropy; 6) Selecione Temperature e Quality 7) Digite [1] no canto direito inferior 8) Clique Paste 9) Clique F2 ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 79/146

80 "Ponto 1:" h[1]=enthalpy(r22;t=t[1];x=x[1]) s[1]=entropy(r22;t=t[1];p=p[1]) ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 80/146

81 "Ponto 2:" s[2] = s[1] h_2s=enthalpy(r22;p=p[2];s=s[2]) 1) Options -> Function Info 2) Selecione Thermophysical Properties 3) Selecione Real fluids 4) Na coluna da direita selecione R22; 5) Na esquerda selecione Enthalpy; 6) Selecione Pressure e Spec. entropy 7) Digite [2] no canto direito inferior 8) Clique Paste 9) Troque h[2] por h_2s 10) Clique F2 ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 81/146

82 "Ponto 2:" s[2] = s[1] h_2s=enthalpy(r22;p=p[2];s=s[2]) T[2]=Temperature(R22;P=P[2];s=s[2]) 1) Options -> Function Info 2) Selecione Thermophysical Properties 3) Selecione Real fluids 4) Na coluna da direita selecione R22; 5) Na esquerda selecione Temperature; 6) Selecione Pressure e Spec. entropy 7) Digite [2] no canto direito inferior 8) Clique Paste 9) Clique F2 ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 82/146

83 Simulação de Refrigeração por Compressão "Ponto 2:" s[2] = s[1] h_2s = ENTHALPY(R$;P=P[2];s=s[2]) T[2]=Temperature(R22;P=P[2];s=s[2]) eta_comp= w_ideal_comp/w_real_comp 0 = - w_ideal_comp + h[1] - h_2s 0 = - w_real_comp + h[1] - h[2] Windows -> Formatted Equations ou (F10) ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 83/146

84 Simulação de Refrigeração por Compressão "Ponto 2:" s[2] = s[1] h_2s = ENTHALPY(R$;P=P[2];s=s[2]) T[2]=Temperature(R22;P=P[2];s=s[2]) eta_comp= w_ideal_comp/w_real_comp 0 = - w_ideal_comp + h[1] - h_2s 0 = - w_real_comp + h[1] - h[2] ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 84/146

85 "Ponto 3:" h[3]=enthalpy(r22;t=t[3];x=x[3]) 1) Options -> Function Info 2) Selecione Thermophysical Properties 3) Selecione Real fluids 4) Na coluna da direita selecione R22; 5) Na esquerda selecione Enthalpy; 6) Selecione Temperature e Quality 7) Digite [3] no canto direito inferior 8) Clique Paste 9) Clique F2 ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 85/146

86 "Ponto 3:" h[3]=enthalpy(r22;t=t[3];x=x[3]) s[3]=entropy(r22;t=t[3];x=x[3]) 1) Options -> Function Info 2) Selecione Thermophysical Properties 3) Selecione Real fluids 4) Na coluna da direita selecione R22; 5) Na esquerda selecione Entropy; 6) Selecione Temperature e Quality 7) Digite [3] no canto direito inferior 8) Clique Paste 9) Clique F2 ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 86/146

87 "Ponto 3:" h[3]=enthalpy(r22;t=t[3];x=x[3]) s[3]=entropy(r22;t=t[3];x=x[3]) ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 87/146

88 "Ponto 4:" h[4] = h[3] "!Expansão isoentálpica s[4]=entropy(r22;p=p[4];h=h[4]) 1) Options -> Function Info 2) Selecione Thermophysical Properties 3) Selecione Real fluids 4) Na coluna da direita selecione R22; 5) Na esquerda selecione Temperature; 6) Selecione Pressure e Spec. enthalpy 7) Digite [4] no canto direito inferior 8) Clique Paste 9) Clique F2 ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 88/146

89 "Ponto 4:" h[4] = h[3] "!Expansão isoentálpica s[4]=entropy(r22;p=p[4];h=h[4]) T[4]=Temperature(R22;P=P[4];s=s[4]) 1) Options -> Function Info 2) Selecione Thermophysical Properties 3) Selecione Real fluids 4) Na coluna da direita selecione R22; 5) Na esquerda selecione Temperature; 6) Selecione Pressure e Spec. entropy 7) Digite [4] no canto direito inferior 8) Clique Paste 9) Clique F2 ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 89/146

90 "Ponto 4:" h[4] = h[3] "!Expansão isoentálpica s[4]=entropy(r22;p=p[4];h=h[4]) T[4]=Temperature(R22;P=P[4];s=s[4]) ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 90/146

91 Simulação de Refrigeração por Compressão "EQUAÇÕES GOVERNANTES:" "Evaporador:" Q_dot_evap = 5*3,517 "!Capacidade de refirgeração de Btu" 0 = m[4] - m[1] "!Balanço de massa" 0 = Q_dot_evap + m[4]*h[4] - m[1]*h[1] "!Balanço de energia" Clique F2 ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 91/146

92 Simulação de Refrigeração por Compressão "Compressor" 0 = m[1] - m[2] "!Balanço de massa" 0 = -W_dot_comp + m[1]*h[1] - m[2]*h[2] "!Balanço de energia" Clique F2 ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 92/146

93 Simulação de Refrigeração por Compressão "Condensador" 0 = m[2] - m[3] "!Balanço de massa" 0 = Q_dot_cond + m[2]*h[2] - m[3]*h[3] "!Balanço de energia" Clique F2 ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 93/146

94 Simulação de Refrigeração por Compressão "Análise do sistema pela 1a Lei da Termodinâmica: DELTA_E = ABS(W_dot_comp)+ABS(Q_dot_evap)-ABS(Q_dot_cond) COP = ABS(Q_dot_evap/W_dot_comp) Windows -> Formatted Equations ou (F10) ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 94/146

95 Simulação de Refrigeração por Compressão "Análise do sistema pela 1a Lei da Termodinâmica: DELTA_E = ABS(W_dot_comp)+ABS(Q_dot_evap)-ABS(Q_dot_cond) COP = ABS(Q_dot_evap/W_dot_comp) Clique F2 ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 95/146

96 Análise dos Resultados 1) Plots -> Property plot 2) Selecione R22 3) Selecione T -s 4) Desmarque todas as P e v 5) Digite na primeira pressão ) Digite na segunda pressão 789,6 7) Clique OK ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 96/146

97 Análise dos Resultados ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 97/146

98 Análise dos Resultados 1) Plots -> Overlay plot 2) No X-Axis selecione s[i] 3) No Y-Axis selecione T[i] 4) Selecione Show array indices 5) Em line selecione none 6) Em symbol selecione 7) Clique OK ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 98/146

99 Análise dos Resultados ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 99/146

100 Análise dos Resultados 1) Plots -> Property plot 2) Selecione R22 3) Selecione P-h 4) Desmarque todas as T e s 5) Digite na primeira temperatura 48 6) Digite na segunda temperatura 15 7) Clique OK ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 100/146

101 Análise dos Resultados ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 101/146

102 Análise dos Resultados 1) Plots -> Overlay plot 2) No X-Axis selecione h[i] 3) No Y-Axis selecione p[i] 4) Selecione Show array indices 5) Em line selecione none 6) Em symbol selecione 7) Clique OK ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 102/146

103 Análise dos Resultados ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 103/146

104 Exemplo 2 - Trocar para R404A 1) Windows -> Diagram Window 2) Clique na barra de ferramenta no ícone Add rectangle e desenhe um retângulo; 3) Salvem o arquivo: Exemplo_1_Aula_4 ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 104/146

105 Exemplo 2 - Trocar para R404A 1) Abram o arquivo Exemplo_1_Aula_4 e salvem como Exemplo_2_Aula_4 2) Digitem R$='R22' "!Variável string usada para a modificação do refrigerante" 3) Substituam o R22 por R$ 4) Search -> Replace (Crtl + r) 5) Em Find what digite R22 6) Em Replace with digite R$ 7) Clique em Find Next 8) Em seguida clique em Replace 9) Repita esse processo até substituir todas as variáveis. Clique F2 ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 105/146

106 Exemplo 2 - Trocar para R404A 1) Windows -> Diagram Window 2) Clique na barra de ferramenta no ícone Add rectangle e desenhe um retângulo; ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 106/146

107 Exemplo 2 - Trocar para R404A 1) Clique na barra de ferramenta no ícone Add text; 2) Em Type selecione Text; 3) Em Text digite Refrigerador; 4) Clique em OK; 5) Arraste o nome para o centro do retângulo; ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 107/146

108 Exemplo 2 - Trocar para R404A ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 108/146

109 Exemplo 2 - Trocar para R404A 1) Clique novamente no ícone Add text; 2) Em Type selecione Input variable; 3) Em Select input variable selcione R$; 4) Clique em OK; ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 109/146

110 Exemplo 2 - Trocar para R404A 1) Digite: R22 R12 R404A 1) Clique em OK; 2) Arraste R$ para parte superior do refrigerador; ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 110/146

111 Exemplo 2 - Trocar para R404A ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 111/146

112 Exemplo 2 - Trocar para R404A 1) Clique no ícone Add text; 2) Em Type selecione Output variable; 3) Em Select output variable selcione COP; 4) Clique em OK; 5) Arraste COP para parte inferior do refrigerador; 6) Clique em OK; ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 112/146

113 Exemplo 2 - Trocar para R404A ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 113/146

114 Exemplo 2 - Trocar para R404A 1) Clique no ícone Add Calculate Button; 2) Em Select Type selecione Type selecione Calculation Button; 3) Arraste-o para baixo da turbina; ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 114/146

115 Exemplo 2 - Trocar para R404A ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 115/146

116 Exemplo 2 - Trocar para R404A 1) Feche a barra de desenho do diagrama; 2) Clique no botão Calculate; 3) Window -> Equations 4) Comente a variável R$='R22'; 5) Window -> Diagram Window 6) Clique em Calculate; ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 116/146

117 Exemplo 2 - Trocar para R404A ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 117/146

118 Exemplo 4.2 Dessorção (NH3/H2O) (Herold et. al, Absorption Chillers and Heat Pumps, 1996) ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 118/146

119 Exemplo 4.2 O calor de dessorção é calculado para o processo da figura abaixo. As condições de entrada da solução rica em NH 3 são: T l = 370 K, x l = 0,30 e o fluido está saturado. As condições de saída para a solução pobre em NH 3 são: x 3 = 0,20 e ela está saturada. Supõe-se que o vapor está em equilíbrio com o líquido na saída. ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 119/146

120 Exemplo 4.2 Solução no EES "Exemplo 4.2 Dessorção (NH3/H2O)" "!Dados de entrada:" T[1] = 370 [K] Q[1] = 0 [%] x[1] = 0,3 [%] x[3] = 0,20 [%] Q[3] = 0 [%] Clique F2 ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 120/146

121 Exemplo 4.2 Solução no EES "Determinação das propriedades do ponto 1:" Option -> Function Info External routines NH3H2O Function Info ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 121/146

122 Exemplo 4.2 Solução no EES "Determinação das propriedades do ponto 1:" SI units with T=[K], p=[bar], x=[ammonia mass fraction], h=[kj/kg], s=[kj/kg-k], u=[kj/kg], v=[m3/kg], and q=[vapor mass fraction]. ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 122/146

123 Exemplo 4.2 Solução no EES "Determinação das propriedades do ponto 1:" Satuação: 0 < q < 1; Subresfriado: q = -0,01 Superaquecido: q = 1,01 ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 123/146

124 Exemplo 4.2 Solução no EES Call NH3H2O(Code; In1; In2; In3: T; P; x; h; s; u; v; Qu) Clique em Paste Em Code, digite 138 No lugar de ln1; ln2; ln3: Digite: T[1]; x[1]; Q[1]: ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 124/146

125 Exemplo 4.2 Solução no EES "Determinação das propriedades do ponto 1:" CALL NH3H2O(138; T[1]; x[1]; Q[1]: T1; P[1]; x1; h[1]; s1; u1; v1; Q1) Clique F2 ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 125/146

126 Exemplo 4.2 Solução no EES "Determinação das propriedades do ponto 3:" p[3]=p[1] "!As pressões são iguais no gerador CALL NH3H2O(238;p[3]; x[3]; Q[3]: T[3]; P3; x3; h[3]; s3; u3; v3; Q3) Option -> Function Info External routines NH3H2O Paste Clique F2 ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 126/146

127 Exemplo 4.2 Solução no EES "Determinação das propriedades do ponto 3:" p[3]=p[1] "!As pressões são iguais no gerador CALL NH3H2O(238;p[3]; x[3]; Q[3]: T[3]; P3; x3; h[3]; s3; u3; v3; Q3) ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 127/146

128 Exemplo 4.2 Solução no EES "Determinação das propriedades do ponto 2:" T[2] = T[1] "!Linha isotérmica" p[2] = p[1] "!As pressões são iguais no gerador" Q[2] = 1 "!Vapor saturado" CALL NH3H2O(128; t[2]; p[2]; Q[2]: T2; P2; x[2]; h[2]; s2; u2; v2; Q2) Option -> Function Info External routines NH3H2O Paste Clique F2 ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 128/146

129 Exemplo 4.2 Solução no EES "Determinação das propriedades do ponto 2:" T[2] = T[1] "!Linha isotérmica" p[2] = p[1] "!As pressões são iguais no gerador" Q[2] = 1 "!Vapor saturado" CALL NH3H2O(128; t[2]; p[2]; qu[2]: T2; P2; x[2]; h[2]; s2; u2; v2; Qu2) ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 129/146

130 Exemplo 4.2 Solução no EES "Cálculo da razão entre as vazões mássicas dos pontos 2 e 3:" f = (x[2]-x[3])/(x[1]-x[3]) "!Eq da apostila" Clique F2 Windows -> Formated Equations ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 130/146

131 Exemplo 4.2 Solução no EES "Cálculo da razão entre as vazões mássicas dos pontos 3 e 2:" f = (x[2]-x[3])/(x[1]-x[3]) "!Eq da apostila" f m1 x x m x x f = 7,249 significa que a vazão mássica da solução que entra no gerador (i.e., que é bombeada do absorvedor para o gerador) é 7,249 vezes maior do que a vazão mássica do vapor que sai do gerador. ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 131/146

132 Exemplo 4.4 Absorvedor (NH 3 /H 2 O) (Herold et. al, Absorption Chillers and Heat Pumps, 1996) ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 132/146

133 Exemplo 4.4 O calor de absorção é calculado para o processo da figura abaixo. As condições de entrada do fluxo de líquido são: T 1 = 310 K, x 1 = 0,20 e o fluido está saturado. As condições de saída para a solução rica em NH 3 são: x 3 = 0,30 e a solução está saturada. Supõe-se que o vapor vindo de um evaporador à mesma pressão tem uma fração mássica de 0,999. ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 133/146

134 Exemplo 4.4 Solução no EES "Exemplo 4.4 Absorvodor (NH3/H2O)" "!Dados de entrada:" T[1] = 310 [K] Q[1] = 0 [%] "!Líquido saturado" x[1] = 0,2 [%] x[3] = 0,30 [%] Q[3] = 0 [%] "!Líquido saturado" x[2] = 0,999 [%] Clique F2 ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 134/146

135 Exemplo 4.4 Solução no EES "Determinação das propriedades do ponto 1:" Option -> Function Info External routines NH3H2O Paste ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 135/146

136 Exemplo 4.4 Solução no EES "Determinação das propriedades do ponto 1:" CALL NH3H2O(138; T[1]; x[1]; Q[1]: T1; P[1]; x1; h[1]; s1; u1; v1; Q1) Em Code, digite 138 No lugar de ln1; ln2; ln3: Digite: T[1]; x[1]; Q[1]: Clique F2 ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 136/146

137 Exemplo 4.4 Solução no EES "Determinação das propriedades do ponto 3:" p[3]=p[1] "!As pressões são iguais no absorvedor" CALL NH3H2O(238;p[3]; x[3]; Q[3]: T[3]; P3; x3; h[3]; s3; u3; v3; Q3) Option -> Function Info External routines NH3H2O Paste Clique F2 ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 137/146

138 Exemplo 4.4 Solução no EES "Determinação das propriedades do ponto 3:" p[3]=p[1] "!As pressões são iguais no gerador CALL NH3H2O(238;p[3]; x[3]; Q[3]: T[3]; P3; x3; h[3]; s3; u3; v3; Q3) ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 138/146

139 Exemplo 4.4 Solução no EES "Determinação das propriedades do ponto 2:" p[2] = p[1] "!As pressões são iguais no gerador" Q[2] = 1 "!Vapor saturado" CALL NH3H2O(238; p[2];x[2]; Q[2]: T[2]; P2; x2; h[2]; s2; u2; v2; Q2) Option -> Function Info External routines NH3H2O Paste Note que o Code agora é 238 (pois os dados de entrada são: p, x e Q [título]) Clique F2 ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 139/146

140 Exemplo 4.4 Solução no EES "Determinação das propriedades do ponto 2:" p[2] = p[1] "!As pressões são iguais no gerador" Q[2] = 1 "!Vapor saturado" CALL NH3H2O(238; p[2];x[2]; Q[2]: T[2]; P2; x2; h[2]; s2; u2; v2; Q2) ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 140/146

141 Exemplo 4.4 Solução no EES ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 141/146

142 Exemplo 4.4 Solução no EES "Cálculo da razão entre as vazões mássicas dos pontos 2 e 3:" f=(x[2]-x[1])/(x[3]-x[1]) "!Eq da apostila" Clique F2 Windows -> Formated Equations ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 142/146

143 Exemplo 4.4 Solução no EES "Cálculo da razão entre as vazões mássicas dos pontos 2 e 3:" f=(x[2]-x[1])/(x[3]-x[1]) "!Eq da apostila" f m x x m x x f = 7,99 significa que a vazão mássica do solução que sai do absorvedor (i.e., que é bombeada do absorvedor para o gerador) é 7,99 vezes maior do que a vazão mássica do vapor que entra no absorvedor. ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 143/146

144 Trabalho 1 (Entrega 17/10/14) ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 144/146

145 Lista de Exercício ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 145/146

146 Fonte Bibliográfica ÇENGEL, Y.A. & BOLES, M.A., Termodinâmica. São Paulo, SP: McGraw-Hill, 740p. MORAN, M.J. & SHAPIRO, H.N., Princípios de Termodinâmica para Engenharia. Rio de Janeiro, RJ: LTC, 800p. K. Herold, R. Radermacher and S. A. Klein, Absorption Chillers and Heat Pumps, 1 st Ed., CRC-Press. ANÁLISE DE SISTEMAS TÉRMICOS 146/146