Refrigeração e Ar Condicionado

Refrigeração e Ar Condicionado Ciclo de 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 1/47

Introdução 2/47

Introdução Como visto, o ciclo de Carnot, apesar de possuir a maior eficiência possível, não apresenta praticidade em aplicações de refrigeração; Por isso adota-se outro ciclo ideal de refirgeração, o chamado ciclo teórico de refrigeração por compressão de vapor; Esse ciclo realiza duas importantes modificações no ciclo de Carnot: O refrigerante é aquecido até vapor saturado no evaporador; A turbina é trocada por um dispositivo chamado de válvula de expansão Dessa forma, os processos do ciclo teórico por compressão de vapor se aproximam dos processos do ciclo real; O ciclo ideal por compresão a vapor agora é utilizado como comparação para os ciclo reais, pois possui o desempenho nas mesmas condições. 2/47

Introdução 3/47

Ciclo Teórico de Refrigeração por Compressão de Vapor 4/47

Diagrama de Molier É um diagrama muito utilizado em refrigeração. É um diagrama de estado do refrigerante em função da pressão e entalpia (P-h); 4/47

Diagrama de Molier 5/47

Ciclo Teórico por Compressão de Vapor Ciclo ideal por compressão de vapor pode ser escrito da seguinte forma em um diagrama P-h. 6/47

Ciclo Teórico por Compressão de Vapor 1-2: Ocorre no compressor, sendo um processo adiabático reversível (isentrópico). O refrigerante entra no compressor à pressão do evaporador (P o ) e (x = 1). O refrigerante é então comprimido até atingir a pressão de condensação (P c ) e, ao sair do compressor está superaquecido à temperatura T 2. 7/47

Ciclo Teórico por Compressão de Vapor 2-3: Ocorre no condensador, o refrigerante rejeita calor para o meio de resfriamento a pressão constante. Neste processo o fluido frigorífico é resfriado da temperatura T 2 até a temperatura de condensação T C e, a seguir, condensado até se tornar ĺıquido saturado na temperatura T 3. 8/47

Ciclo Teórico por Compressão de Vapor 3-4: Ocorre no dispositivo de expansão, sendo uma expansão irreversível a entalpia constante (processo isentálpico), desde a pressão P C e ĺıquido saturado (x = 0), até a pressão de vaporização (P o ). 9/47

Ciclo Teórico por Compressão de Vapor 4-1: Ocorre no evaporador, sendo um processo de transferência de calor a pressão constante (P o ), consequentemente a temperatura constante (T o ), desde vapor úmido (estado 4), até atingir o estado de vapor saturado seco (x = 1). 10/47

Ciclo Real por Compressão de Vapor 11/47

Ciclo Real por Compressão de Vapor As diferenças principais entre o ciclo real e o ciclo teórico são: Queda de pressão nas linhas de descarga, ĺıquido e de sucção assim como no condensador e no evaporador; Sub-refriamento do refrigerante na saída do condensador (nem todos os sistemas são projetados com sub-refriamento); Superaquecimento na sucção do compressor, que tem a finalidade de evitar a entrada de ĺıquido no compressor; O processo de compressão, que no ciclo real é politrópico (s1 s2), e no processo teórico é isentrópico. 11/47

Balanço de Energia para o Ciclo de Refrigeração por Compressão de Vapor 12/47

Introdução O balanço de energia do ciclo de refrigeração é feito considerando-se o sistema operando em, Regime permanente; Nas condições de projeto, ou seja, à temperatura de condensação (T C ), e temperatura de vaporização (T O ). Os sistemas reais e teóricos têm comportamentos idênticos, tendo o ciclo real apenas um desempenho pior; A análise do ciclo teórico permitirá, de forma simplificada, verificar quais parâmetros têm influência no desempenho do ciclo. 12/47

Introdução Para realizar o balanço energético, utiliza-se a Primeira Lei da Termodinâmica na seguinte forma, ṁ (h + V ) 2 2 + gz ṁ (h + V ) 2 entra 2 + gz + q Ẇ = 0 (1) sai 13/47

Capacidade Frigorífica A capacidade frigorífica ( Q o ), é a taxa de calor retirada do meio que se quer resfriar (produto), através do evaporador do sistema frigorífico. Q o = m f (h 1 h 4 ) (2) 14/47

Capacidade Frigorífica A quantidade de calor por unidade de massa de refrigerante retirada no evaporador é chamada de Efeito Frigorífico (EF), e é um dos parâmetros usados para definir o fluido frigorífico que será utilizado; EF = h 1 h 4 (3) Normalmente, se conhece Q o do sistema de refrigeração, a qual deve ser igual à carga térmica, para operação em regime permanente; Se for estabelecido o ciclo e o refrigerante com o qual o sistema trabalhará, pode-se determinar a vazão máxima de refrigerante, pois as entalpias h 1 e h 4 são conhecidas; Consequentemente o compressor fica determinado. 15/47

Potência Teórica de Compressão Potência teórica de compressão é a taxa quantidade de trabalho que deve ser fornecido ao refrigerante, no compressor, para se obter a elevação de pressão necessária ao do ciclo teórico; W c = m f (h 2 h 1 ) (4) 16/47

Calor Rejeitado no Condensador A função do condensador é transferir calor do fluido frigorífico para o meio de resfriamento do condensador (água ou ar); Q c = m f (h 2 h 3 ) (5) O condensador deve ser capaz de rejeitar a taxa de calor calculada, a qual depende da carga térmica do sistema e da potência de acionamento do compressor. 17/47

Dispositivo de Expansão No dispositivo de expansão, o processo teórico é adiabático, neste caso, aplicando-se a primeira lei da termodinâmica, em regime permanente, desprezando-se as variações de energia cinética e potencial, tem-se: h 3 = h 4 (6) 18/47

Coeficiente de Performance do Ciclo Embora o COP do ciclo real seja sempre menor que o do ciclo teórico, para as mesmas condições de operação, pode-se com o ciclo teórico, verificar que parâmetros influenciam no desempenho do sistema; Energia Util COP = Energia Gasta = h 1 h 4 (7) h 2 h 1 O COP é função somente das propriedades do refrigerante, consequentemente, depende das temperaturas de condensação e vaporização; Para o ciclo real o desempenho dependerá em muito das propriedades na sucção do compressor, do próprio compressor e dos demais equipamentos do sistema. 19/47

Resumo do Balanço de Energia Evaporador Q o = m f (h 1 h 4 ) Condensador Q c = m f (h 2 h 3 ) Compressor W c = m f (h 2 h 1 ) Válvula de expansão h 3 = h 4 COP COP = h 1 h 4 h 2 h 1 20/47

Exemplo Exemplo 1 - O refrigerante R134a é utilizado como refrigerante em um ciclo ideal por compressão. Na entrada do compressor tem-se vapor saturado a 0 C e na saída do condensador tem-se ĺıquido saturado a 26 C. A vazão mássica de refrigerante é 0,08 kg/s. Determine: (a) A potência de compressão em [kw]; (b) A capacidade de refrigeração; (c) O coeficiente de performance; (d) O coeficiente de performance do ciclo de Carnot operando entre as regiões quente e fria. 21/47

Exemplo Exemplo 2 - O refrigerante R134a é utilizado como refrigerante em um ciclo de compressão de vapor. Na entrada do compressor tem-se vapor saturado a -10 C e na saída do condensador tem-se ĺıquido saturado a 9 bar. A vazão mássica de refrigerante é 0,08 kg/s. Determine: (a) Potência de compressão em kw; (b) A capacidade de refrigeração; (c) O coeficiente de performance. 22/47

Parâmetros que Influenciam o COP do Ciclo de Refrigeração 23/47

Temperatura de Evaporação no COP do Ciclo Teórico 23/47

Temperatura de Evaporação no COP do Ciclo Teórico Para ilustrar o efeito que a temperatura de evaporação tem sobre a eficiência do ciclo será considerado um conjunto de ciclos em que somente a temperatura de evaporação (T o ) é alterada. Nesta análise utilizou-se R22 como refrigerante; Como pode ser observado, uma redução na temperatura de evaporação resulta em redução do COP, isto é, o sistema se torna menos eficiente. 23/47

Temperatura de Condensação no COP do Ciclo Teórico 27/47

Temperatura de Condensação no COP do Ciclo Teórico Como no caso da temperatura de vaporização, a influência da temperatura de condensação é mostrada em um conjunto de ciclos onde apenas se altera a temperatura de condensação (T c ); Com o aumento da temperatura do condensador, o COP do ciclo diminui; Observe que uma variação na temperatura de condensação, resultou em menor variação do COP, se comparado com a mesma faixa de variação da temperatura de evaporação. 27/47

Sub-resfriamento do Líquido no COP do Ciclo Teórico 31/47

Sub-resfriamento do Líquido no COP do Ciclo Teórico Com o aumento do sub-resfriamento, existe um pequeno aumento do COP do sistema; Embora haja um aumento no COP do ciclo com o aumento do sub-resfriamento, na prática se utiliza um sub-resfriamento para garantir que se tenha somente ĺıquido na entrada do dispositivo de expansão, o que mantém a capacidade frigorífica do sistema. O subresfriamento é conseguido na prática com os seguintes métodos; Super dimensionamento do condensador; Posicionamento adequado do fluxo de refrigerande e fluido refrigerado; Trocador de calor adicional. 31/47

Superaquecimento Útil no COP do Ciclo Teórico 35/47

Superaquecimento Útil no COP do Ciclo Teórico Quando o superaquecimento do refrigerante ocorre retirando calor do meio que se quer resfriar, chama-se a este superaquecimento de superaquecimento útil; O superaquecimento pode ser obtido através do controle da expansão na válvula. 35/47

Superaquecimento Útil no COP do Ciclo Teórico A variação do COP com o superaquecimento depende do refrigerante; Nos casos mostrados, Para o R717 o COP sempre diminui; Para o R134a o COP sempre aumenta; Para o R2, há um aumento inicial e depois uma diminuição; Para outras condições do ciclo (variando T o e T c ), poderá ocorrer comportamento que difere do mostrado. Mesmo para os casos em que o superaquecimento melhora o COP ele diminui a capacidade frigorífica do sistema de refrigeração. Assim, só se justifica o superaquecimento do fluido, por motivos de segurança, para evitar a entrada de ĺıquido no compressor. 39/47

Trocador de Calor Intermediário 40/47

Trocador de Calor Intermediário Também conhecido como trocador de calor de linha de sucção. 40/47

Trocador de Calor Intermediário Alguns sistemas frigoríficos utilizam trocadores de calor que resfriam o ĺıquido que sai do condensador com o vapor que sai do evaporador; É usual em instalações de pequeno porte; Aplicando-se a Primeira Lei da Termodinâmica ao trocador de calor como um todo, tem-se: h 3 h 3 = h 1 h 1 (8) Aplicando-se a Primeira Lei da Termodinâmica ao refrigerante pelo lado do condensador e pelo lado do evaporador no trocador de calor intermediário, tem-se: Q TCI = h 3 h 3 = h 1 h 1 (9) 41/47

Trocador de Calor Intermediário Comparando com o ciclo ideal por compressão de vapor, o ciclo com trocador intermediário é vantajoso devido ao aumento do efeito frigorífico (h 1 h 4 ) e COP; Nem sempre ocorre esses efeitos de melhora do ciclo, pois a temperatura de sucção do compressor aumenta. Duas são as razões para se utilizar o trocador intermediário: Superaquecimento para evitar entrada de ĺıquido no compressor; Sub-resfriamento do ĺıquido que sai do condensador, a fim de evitar bolhas de vapor, que podem dificultar o escoamento pela válvula de expansão. 42/47

Exemplo Exemplo 3 - Um ciclo padrão de compressão a vapor, utilizando R-22, desenvolve 50kW de refrigeração, operando a uma temperatura de condensação de 35 C e uma temperatura de evaporação de 10 C. Determine: (a) O efeito de refrigeração; (b) A vazão de refrigerante; (c) A potência do compressor; (d) O COP; (e) A vazão volumétrica medida na sucção do compressor; (f) A temperatura de descarga do compressor; (g) Potência adicional para garantir um superaquecimento de 6 C e o COP para esse caso. 43/47

Exemplo Exemplo 4 - Um sistema de compressão a vapor utilizando R-22, utiliza um trocador de calor entre o gás de aspiração e ĺıquido, o qual aquece o vapor saturado do evaporador de 10 C a 5 C com o ĺıquido do condensador a 30 C. A compressão é isentrópica para os casos a seguir. (a) Calcule o COP do sistema sem trocador de calor; (b) Calcule o COP com trocador de calor; (c) Qual a capacidade de refrigeração do sistema sem trocador de calor se o compressor bombeia 12L/s, referidos ao estado do vapor na aspiração do compressor? (d) Qual a capacidade de refrigeração do sistema com trocador de calor se para um compressor com a mesma capacidade do item anterior? 44/47

Bombas de Calor 45/47

Bombas de Calor Bombas de calor possuem a função de aquecer determinado ambiente, retirando calor de um ambiente mais frio; Esses sistemas são iguais aos sistemas de refrigeração, tendo como diferença apenas que o calor cedido pelo condensador é o objetivo desejado; 45/47

Bombas de Calor As bombas de calor funcionam segundo o ciclo de compressão de vapor, e podem ser analisadas da mnesma forma que refrigeradores; Como a energia útil agora é o calor cedido pelo condensador, o COP das bombas de calor são calculadas da seguinte forma, γ = h 2 h 1 h 2 h 3 (10) 46/47

Bombas de Calor 47/47