Ciclos de Refrigeração

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Termodinâmica
Ciclos de Refrigeração
Ciclo de refrigeração
✴A transferência de calor de compartimentos de baixa 
temperatura para outros a temperaturas maiores é chamada 
de refrigeração;
✴Equipamentos que produzem refrigeração são chamados de 
refrigeradores, que operam segundo um ciclo frigorífico;
✴O fluido de trabalho dos refrigeradores são os refrigerantes;
✴Os refrigeradores utilizados com o propósito de aquecer um 
espaço fazendo uso do calor de um reservatório mais frio, 
são denominados bombas de calor.
Refrigerador e bomba de calor
TL
TH
Ref.
QH
QL
Refrigerador:
Wliq
TL
TH
B.C.
QH
QL
Bomba de calor:
Wliq
MÁQUINAS TÉRMICAS
O que é Refrigerar?
RETIRAR CALOR
Ou seja, retirar calor de um sistema e levar
esse calor para outro sistema –
conservação da energia.
MÁQUINAS TÉRMICAS
MÁQUINAS TÉRMICAS
MÁQUINAS TÉRMICAS
Refrigerador
1. Compressor = aspira e 
comprime o vapor refrigerante;
2. Condensador = vapor 
refrigerante é condensado;
3. Tubo Capilar ou a Válvula de
Expansão = abaixa a pressão
do sistema
4. Evaporador = calor latente de 
vaporização é absorvido e 
enviado ao compressor, 
iniciando-se um novo ciclo.
MÁQUINAS TÉRMICAS
Refrigerador
ALTA 
PRESSÃO
BAIXA 
PRESSÃO
MÁQUINAS TÉRMICAS
O bom refrigerante é aquele que reúne o maior número
possível de boas qualidades, relativamente a um
determinado fim.
1.Condensar-se e evaporar-se a pressões moderadas; 
2.Ter elevado calor latente de vaporização;
3.Ser quimicamente estável;
4.Não ser corrosivo; inflamável; tóxico; 
5.Não deve atacar o óleo lubrificante;
MÁQUINAS TÉRMICAS
Fluidos Refrigerantes
Classe 1 = resfriam materiais por absorção do calor
latente  CFC’s, HCFC’s e os HFC’s;
Classe 2 = resfriam substâncias pela absorção de
seus calores sensíveis ar, salmoura de cloreto de
cálcio, salmoura de cloreto de sódio (sal comum) e
álcool;
Classe 3 = soluções que contêm vapores absorvidos
de agentes liquidificáveis ou meios refrigerantes 
água com amônia ou amoníaco.
Fluidos Refrigerantes Comuns
MÁQUINAS TÉRMICAS
Fluidos Refrigerantes
MÁQUINAS TÉRMICAS
Fluidos Refrigerantes
Alternativos
Protocolo de Montreal
Adesões a partir de 1987 e entrou em vigor em 1989.
Ele teve adesão de 150 países.
A principal meta foi acabar com o uso dos 15 tipos de 
CFC que eram as fontes de destruição do O3.
Potência Térmica
P = Potência Térmica
Q = Quantidade de Calor
∆t = Quantidade de tempo para elevar ou retirar.
Unidades: watt (W), cal/s; cal/min; kcal/min.
No Brasil, na área da refrigeração é muito comum se 
utilizar a unidade BTU / h.
MÁQUINAS TÉRMICAS
MÁQUINAS TÉRMICAS
Potência Térmica
No ramo da atividade Refrigeração para cálculo de
dimensionamento de aparelhos, instalações, etc., utiliza-se
a Tonelada de refrigeração (TR):
1 TR = 12.000 BTU
Para dimensionamento de um cômodo de uma casa normal
(altura do teto aproximadamente 3 metros, 1 TR tem
capacidade de refrigerar um cômodo de14 m2, gastando um
tempo aproximado de 1 hora para aclimatar todo o ambiente.
1
3
Unidades de Calor
Coeficientes de desempenho
Ciclo de refrigeração:
Bomba de calor:
Ciclo de refrigeração (Carnot):
Bomba de calor (Carnot):
Ciclo de refrigeração por 
compressão: Carnot
Condensador
Turbina
Evaporador
Calor
Calor
Compresso
r
WcWT
Ciclo de refrigeração por 
compressão
Fluido de trabalho: fluido refrigerante
Compressor
Condensador
Trabalh
o
Calor
Evaporador
Calor
Válvula
de 
expansã
o
Fluidos refrigerantes
CFC: clorofluorcarbonos, R11 e R12 
(diclorodifluormetano CCl2F2).
HCFC: hidroclorofluorcarbonos, R22. Vida 
média
HFC: Hidrofluorcarbonos (efeito estufa), R134a.
Blends de HCFCs e HFCs: R401a. 
Blends de HFCs: R404A e R410A.
Alguns fluidos: R410A, R290(propano), R610a(isobutano), 
R744(CO2), R117(amônia) e R729(ar).
Fluidos refrigerantes
O Protocolo de Montreal sobre substâncias que empobrecem a camada de ozônio é um 
tratado internacional em que os países signatários comprometem-se a substituir as 
substâncias que demonstrarem estar reagindo com o ozônio (O3) na parte superior da 
estratosfera. O tratado esteve aberto para adesões a partir de 16 de Setembro de 1987 e 
entrou em vigor em 1 de Janeiro de 1989. Ele teve adesão de 150 países e foi revisado em 
1990, 1992, 1995, 1997 e 1999. Devido à essa grande adesão mundial, Kofi Annan disse 
sobre ele: "Talvez seja o mais bem sucedido acordo internacional de todos os tempos…"
Em comemoração, a ONU declarou a data de 16 de Setembro como o Dia Internacional para 
a Preservação da Camada de Ozônio.
Protocolo de Montreal
Fluidos refrigerantes
http://www.equipecas.com.br/ 
s_produto.asp?id=11
`
ODP = Ozone Depletion Potential 
GWP = Global Warming Potential
* padrão para GWP
Fluido ODP GWP
R-12 Dichlorodifluoromethane 1.0 2400
R-22 Chlorodifluoromethane 0.05 1700
R-134a Tetrafluoroethane 0 1300
R-404A (44% R-125, 52% R-143a, R-134a) 0 3300
R-717 Ammonia - NH3 0 0
R-744 Carbon Dioxide - CO2 1*
Ciclo de refrigeração por 
compressão
Processo 1-2: compressão isentrópica do fluido refrigerante.
Processo 2-3: transferência de calor a pressão constante para o 
reservatório H.
Processo 3-4: expansão isentálpica.
Processo 4-1: transferência de calor a pressão constante do 
reservatório L.
Diagrama T-s: isentálpicas (H2O)
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:T-s_diagram.svg
Diagrama P-h: Mollier
12
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:T-s_diagram.svg
1
23
4
Análise do ciclo
Compressor:
Condensador:
Válvula de expansão:
Trocador de calor:
Processo
s constante
P constante
Δs > 0
P constante
Wc
1a Lei
c  m! h2W!  h1 
Q!
H  m! h2  h3
Bomba de calor
14
Aquecimento
válvula
compressor
ventilador
ventilador
externo
interno
válvula
Resfriamento
ventilador
ventilador
válvula
compressor
interno
externo válvula
líquido a alta pressão 
líq.+vapor a baixa pressão 
vapor a baixa pressão 
vapor a alta pressão
Sistemas de refrigeração em 
cascata
Menores temperaturas, maiores coeficientes de desempenho.
quente
compressor
compressor
quente
válvula
válvula
evaporador
condensador
evaporador
condensador
trocador
calor
Sistema de refrigeração com 
multi-compressão
Exercícios
1) Considere um ciclo de refrigeração operando entre os
limites de pressão de 0,8 e 0,14MPa. Cada estágio opera
segundo um ciclo de refrigeração por compressão ideal com
R134a como fluido de trabalho. A rejeição de calor do ciclo
inferior ocorre em um trocador de calor contracorrente em
que ambas as correntes entram a 0,32MPa (na prática o
fluido do ciclo inferior entra no trocador de calor a uma
pressão e temperatura maiores para uma efetiva
transferência de calor). Se a vazão mássica no ciclo superior
é de 0,05kg/s, determine (a) a vazão mássica no ciclo
inferior, (b) a taxa de transferência de calor do espaço
refrigerado e a potência fornecida aos compressores e (c) o
coeficiente de desempenho do ciclo em cascata.
Exercícios
Solução
Hipóteses:
1.Regime permanente;
2.Variações de energia cinética e potencial desprezíveis; 
3.Compressores adiabáticos reversíveis;
4.Trocador de calor adiabático (ambiente); 
5.Válvulas de expansão isentálpica;
5.Perdas de carga desprezíveis (menos nas válvulas).
Exercícios
Estado h / (kJ/kg) s / (kJ/kgK) x
1 239,16
2 255,93
3 55,16
4 55,16
5 251,88
6 270,92
7 95,47
8 95,47
Preencha os demais campos a título de exercício!
Exercícios
(a) 1a Lei para o trocador de calor:
mAh8 + mBh2 = mAh5 + mBh3
mB = 0,039kg/s
quente
compressor
compressor
quente
válvula
válvula
evaporador
condensador
evaporador
condensador
trocador
calor
Exercícios
(b) 1a Lei para o evaporador B e para os compressores:
QL = mB(h1 –h4)
QL = 7,18kW
Wc = Wc,A + Wc,B = mA(h5 – h6) + mB(h1 – h2)
Wc = –1,61kW
quente
compressor
compressor
quente
válvula
válvula
evaporador
condensador
evaporador
condensador
trocador
calor
Exercícios
(c) Coeficiente de desempenhoQL
β = = 4,47
Wc
Considerando um único ciclo (sem a cascata) o coeficiente de 
desempenho seria de 3,97!
Exercícios
2) Considere um ciclo de refrigeração operando entre os
limites de pressão de 0,8 e 0,14MPa. O fluido refrigerante
R134a deixa o condensador como líquido saturado, passa
pela válvula e entra na câmara a 0,32MPa. Parte evapora
durante o processo e esse vapor é misturado com o
refrigerante que deixa o compressor de baixa pressão. A
mistura é comprimida no compressor de alta. O líquido da
câmara passa por uma válvula e entra no evaporador.
deixando-o como vapor saturado Determine (a) a fração de
refrigerante que evapora na câmara (b) o calor removido do
espaço refrigerado e o trabalho fornecido aos compressores
por unidade de massa e (c) o coeficiente de desempenho do
ciclo.
Exercícios
Solução
Hipóteses:
1.Regime permanente;
2.Variações de energia cinética e potencial desprezíveis; 
3.Compressores adiabáticos reversíveis;
4.Câmara adiabática;
5.Válvulas de expansão isentálpica;
5.Perdas de carga desprezíveis (menos nas válvulas).
Exercícios
Estado h / (kJ/kg) s / (kJ/kgK) x
1 239,16
2 255,93
3 255,88
4 274,48
5 95,47
6 95,47
7 55,16
8 55,16
9 255,1
Preencha os demais campos a título de exercício!
Exercícios
(a) A fração é igual ao título na câmara, determinado a partir de h6
x6 = 0,2049
Exercícios
(b) Determinados pela aplicação da 1a Lei
qL = (1 – x6) (h1 – h8)
qL = 146,3kJ/kg
wc = (1 – x6) (h1 – h2) + (h9 – h4)
c/ h9 = (1 – x6)h2 + x6 h3 
wc = –32,7kJ/kg
Exercícios
(c) Coeficiente de desempenho
QL
β = = 4,46
Wc
Compare com o valor do ciclo anterior 4,46!