(Aula 05) Capitulo 02 - Ciclos Mltiplos

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TMEC153 – Refrigeração & Climatização
Prof: Felipe R. Loyola
TMEC153 – REFRIGERAÇÃO E CLIMATIZAÇÃO
CAPÍTULO 03 – SISTEMAS DE COMPRESSÃO A VAPOR DE MÚLTIPLOS ESTÁGIOS
Prof. Felipe R. Loyola
Disciplina: Refrigeração e Climatização
1º Semestre de 2020
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3. Sistemas de Compressão a Vapor de Múltiplos Estágios
 O ciclo simples de compressão de vapor é o mais utilizado por
ser o mais adequado para a maioria das aplicações de
refrigeração. Tratam-se de sistemas simples, baratos,
confiáveis e com pouca manutenção.
 No entanto, para alguns tipos de aplicações busca-se uma
maior eficiência (em troca da simplicidade) e condições mais
específicas que as atendidas pelos ciclos simples.
 Os sistemas de múltiplos estágios visam a atender algumas
instalações que demandam temperaturas mais baixas que
aquelas atendidas pelas instalações de único estágio.
 Por exemplo, a indústria de laticínio (~-35°C), indústrias
químicas (~-100°C), liquefação de gás natural (~-161°C). Em
algumas instalações de bomba de calor, o condensador
também pode operar em temperaturas mais elevadas.
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3.1 Instalação com mais de 1 evaporador
 Em algumas aplicações, somente um compressor é utilizado para servir dois ou
mais evaporadores que requerem temperaturas diferentes
3.1.1 Câmaras frigoríficas com temperaturas próximas
 Quando as temperaturas das diversas câmaras são próximas pode-se utilizar o
esquema de um compressor servindo dois evaporadores com temperaturas
próximas
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3.1.2 Câmaras frigoríficas com temperaturas diferentes
 Nesse caso utiliza-se uma válvula reguladora (redutora) de pressão instalada após
o evaporador de maior temperatura.
 O efeito de refrigeração no evaporador de maior temperatura é maior do que no
sistema com temperaturas próximas. Entretanto, o sistema comprime o vapor em
uma região de maior superaquecimento, demandando mais trabalho por
quilograma de refrigerante.
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3.1.2 Câmaras frigoríficas com temperaturas diferentes
 Algumas aplicações requerem efeito
de refrigeração em mais do que uma
temperatura.
 Uma forma simples e econômica para
suprir essa necessidade é fazer a saída
de ambos os evaporadores
convergirem para um único
compressor. Assim, somente um
processo de compressão supre todo o
sistema.
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3.2. Instalações para obtenção de baixas temperaturas
 Quando a diferença entre as temperaturas da fonte quente e da fonte fria do ciclo de
refrigeração é muito elevada, a relação de compressão, Rc=pc/pe a ser vencida pelo
compressor atinge valores altos, acarretando em uma perda no rendimento volumétrico, η
e uma elevação da temperatura de descarga do compressor, provocando uma carbonização
do óleo, aumentando o perigo de explosão e tornando mais fácil o ataque das válvulas
(corrosão), além disso, a relação de compressão alta requer um compressor de grandes
dimensões, onde torna-se aconselhável o uso da compressão por estágios.
 Acrescenta-se ainda que o fato de que a compressão por estágios permite, por meio da
resfriamento intermediário, a redução do trabalho de compressão e, portanto, o aumento
de rendimento frigorífico da instalação.
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3.2. Instalações para obtenção de baixas temperaturas
 Assim, quando Rc > 9, a compressão deve ser feita em estágios e a partir das
condições ambientes, e dependendo do fluido refrigerante utilizado, como dados
práticos em função da temperatura de evaporação os números de estágios
recomendados são:
✓ Temperatura de evaporação > –35°C → 1 estágio de compressão;
✓ –70 °C < Temperatura de evaporação < –35°C → 2 estágios de compressão;
✓ Temperatura de evaporação < –70°C → 3 ou mais estágios de compressão.
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3.2.1 Separador de Líquido (Expansão fracionada)
 É possível economizar na potência requerida
pelo compressor em um sistema de
refrigeração se uma parcela do vapor gerado
no processo de expansão (entre o condensador
e o evaporador) é comprimido novamente
antes de completar a expansão.
 Quando o fluido que passa por todo o sistema de refrigeração em
cascata é o mesmo, o trocador de calor entre estágios pode ser
trocado por um separador de líquido (chamada câmara flash) já que
possui melhores características de transferência de calor.
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3.2.1 Separador de Líquido (Expansão fracionada)
 Quando o líquido saturado é expandido
através da válvula de expansão, a fração de
vapor gerada aumenta progressivamente.
 O equipamento responsável por separar parte
do líquido do vapor, para que ele continue a se
expandir e “recomprimir” o vapor sem uma
expansão adicional é chamado de separador de
líquido.
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3.2.1 Separador de Líquido (Expansão fracionada)
 A expansão entre os pontos 6 e 7 ocorre através de
uma válvula que serve para manter um nível
constante no separador de líquido. Assim o
processo de compressão de alta pressão requer um
compressor com pressão de aspiração adequada.
Requerendo então dois compressores no sistema.
 A separação do refrigerante líquido do vapor ocorre
quando a velocidade do vapor ascendente no
reservatório é suficientemente baixa para que as
gotículas líquidas retornem ao tanque.
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3.2.1 Separador de Líquido (Expansão fracionada)
 Exemplo: Considere um sistema de refrigeração operando com dois
estágios de compressão de vapor com limites de pressão de 0,8 a 0,14 MPa .
O fluido refrigerante utilizado é o R-134a. O refrigerante deixa o
condensador como um líquido saturado e é estrangulado até um separado
de líquido (câmara flash) operando a 0,32 MPa. Parte do refrigerante
evapora durante o processo de mistura, e o vapor é misturado com o
refrigerante deixando o compressor do ciclo de menor pressão. A mistura
então é comprimida até chega a pressão de condensação pelo compressor
de alta pressão. O líquido na câmara flash é estrangulado até a pressão de
evaporação e então resfria o espaço refrigerado enquanto é vaporizado no
evaporador. Assumindo que o refrigerante deixa o evaporador como vapor
saturado e ambos os compressores são isentrópicos, pede-se: (a) a fração de
refrigerante que evapora enquanto é estrangulado até a câmara flash; (b) a
quantidade de calor removida do espaço refrigerado e o trabalho do
compressor por unidade de massa de refrigerante escoando através do
condensador; (c) o COP do sistema
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3.2.2 Expansão fracionada e resfriamento intermediário
 O resfriamento do refrigerante a uma pressão
intermediária acontece em instalações com dois
estágios de compressão e que visa reduzir o
superaquecimento do vapor que deixa o estágio de
baixa pressão.
 Tal resfriamento reduz o trabalho de compressão
por quilograma de vapor de refrigerante.
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3.2.2 Expansão fracionada e resfriamento intermediário
 O resfriamento intermediário posto em um sistema
de refrigeração através de um trocador de calor
resfriado a água (com pouca utilidade para
refrigerantes) ou através da utilização do próprio
refrigerante.
 No caso da utilização do refrigerante, o refrigerante
líquido advindo do condensador é utilizado para o
resfriamento. O vapor vindo do compressor de
baixa pressão borbulha através do resfriador
intermediário e sai dele como vapor saturado.
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3.2.2 Expansão fracionada e resfriamento intermediário
 É possível achar uma pressão ótima na qual o
resfriamento intermediário deve ocorrer na
compressão a ar. Essa pressão é dada pela média
geométrica entre a pressão de sucção do
compressor no estágio de baixa e a descarga do
compressor no estágio de alta (𝑝𝑖 = 𝑝𝑒𝑝𝑐).
 Porém, para o refrigerante isso não é
necessariamente verdade, pois não há uma
consideração ao refrigerante adicional sendo
comprimido pelo compressor de alta.
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3.2.3 Ciclo Cascata
 Trata-se de ciclos simples de refrigeração de
compressão de vapor que interagem através da
troca de calor entre o evaporador do ciclo de maior
pressão e o condensador do ciclo de menor
pressão.
 Pode-se utilizar refrigerantes iguais (atentando-se
aos limites de operação) ou diferentes nos ciclos.
 Esse esquema é utilizado quando a diferença das
temperaturas atinge altos valores.
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3.2.3 Ciclo Cascata
 Para tanto, por se buscar essa grande diferença de
temperatura, deve-se prestar atenção à temperatura de
solidificação do fluido refrigerante.
 Para o ciclo de alta pressão, utiliza-se um fluido cuja
temperatura crítica é elevada e cria essa diferença de
temperatura entre o meio e a temperatura intermediária.
Esta temperatura serve como fonte quente do ciclo de
refrigeração do segundo fluido que possui elevadas pressões
de saturação em baixas temperaturas.
 Um benefício desse ciclo é evitar a migração de óleo entre os
compressores.
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3.2.3 Ciclo Cascata
 Pode-se colocar como exemplo de um sistema em
cascata um ciclo que opera com R-12 ou R-22 no
circuito de alta pressão e R-13 no sistema de baixa
pressão.
R-12 R-13
Temperatura
(°C)
Pressão de 
saturação (kPa)
Volume específico 
do vapor (m³/kg)
Pressão de 
saturação (kPa)
Volume específico 
do vapor (m³/kg)
-70 12,42 1,146 180,9 0,08488
25 651,6 0,02686 3560 0,002915
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3.2.3 Ciclo Cascata
 Para um sistema que opera a -70°C, utilizar R-12
implica em uma pressão de evaporação inferior à
atmosférica. Porém, com o R-13 no circuito de baixa
pressão, permitiria a operação com uma pressão de
evaporação superior à atmosférica.
 A capacidade volumétrica para o compressor de baixa
(com R-13) deveria ser equivalente a 1/14 do
compressor de R-12
R-12 R-13
Temperatura
(°C)
Pressão de 
saturação (kPa)
Volume específico 
do vapor (m³/kg)
Pressão de 
saturação (kPa)
Volume específico 
do vapor (m³/kg)
-70 12,42 1,146 180,9 0,08488
25 651,6 0,02686 3560 0,002915
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3.2.3 Ciclo Cascata
ሶmA h1 − h4 = ሶmB h8 − h5 →
ሶmA
ሶmB
=
h8 − h5
h1 − h4
COPR,cascada =
ሶQL
Wnet,in
=
ሶmB h7 − h6
ሶmA h2 − h1 + ሶmB h8 − h7
 Os ciclos em cascata
aumentam o COP de um
sistema de refrigeração
 Alguns sistemas podem
utilizar de três a quatro
estágios em cascata
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3.2.3 Ciclo Cascata
 Exemplo: Considere um ciclo cascata de refrigeração operando em
dois estágios entre os limites de pressão de 0,8 e 0,14 MPa. Cada
estágio opera com um ciclo ideal de compressão de vapor com o
refrigerante R-134a como fluido de trabalho. A rejeição de calor do
ciclo de baixa pressão para o ciclo de alta pressão acontece através
de um trocador de calor de contra-corrente adiabático, em que
ambas as correntes estão a 0,32 MPa. (Na prática, o fluido de
trabalho do ciclo de baixa pressão encontra-se com uma pressão
maior e temperatura para uma troca de calor efetiva).
 Se a vazão mássica de refrigerante no ciclo de alta pressão é de
0,05 kg/s, determine: (a) a vazão mássica de refrigerante no ciclo de
baixa pressão; (b) a taxa de calor removido do espaço refrigerado e
a potência requerida pelos compressores; (c) o COP do ciclo cascata