Módulo 4 - Ciclo de Refrigeração Multiestágio (parte A)

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21/03/2019
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CICLO DE REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO 
MULTIESTÁGIO
As variações no ciclo básico de compressão do vapor são usadas 
para aumentar o desempenho ou para uso em aplicações 
especiais.
O sistema de um estágio de compressão mecânica visto até 
agora, é adequado para operar quando as relações entre as 
temperaturas do condensador e do evaporador são 
relativamente pequenas, entre 50 e 60 °C. 
Na prática inúmeras aplicações exigem diferenciais de 
temperaturas maiores, como por exemplo:
• Sistemas para congelamento de alimentos, operando 
com temperaturas de vaporização entre -30 a -40 °C; 
• Aplicações na indústria química, com temperaturas de 
vaporização em torno de -100 °C; 
• Liquefação de gás natural, com TE na faixa de -160 °C;
• Aplicações de bomba de calor, com temperatura de 
condensação próxima de 70 °C. 
Em casos como esses em que a diferença entre as 
temperaturas de condensação e evaporação é muito 
elevada o sistema torna-se ineficiente.
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condensador
evaporador
Redução da capacidade de refrigeração
As perdas no processo de estrangulamento aumentam
As perdas pelo 
superaquecimento 
aumentam
A temperatura na 
descarga no 
compressor 
aumenta
O título do 
refrigerante na 
entrada do 
evaporador aumenta
PROBLEMAS (sistemas com apenas 1 compressor)
O volume específico na entrada do compressor aumenta, com redução 
do rendimento volumétrico do compressor
Problemas de resfriamento e de lubrificação do compressor
A relação entre as 
pressões também 
aumenta
condensador
evaporador
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Compressor:
• elevação da temperatura de descarga → responsável pela carbonização 
do óleo e corrosão das válvulas, diminuindo a vida útil do compressor
condensador
evaporador
• efeito de 
refrigeração 
diminui
• trabalho de 
compressão 
aumenta
Solução: utilização 
de sistemas de 
compressão com 
múltiplos estágios
Sistemas de compressão com múltiplos estágios
Implica no aumento do custo inicial da instalação quando comparado com 
um sistema de um único estágio. 
Requer menor potência (devido à refrigeração intermediária) do que um 
único compressor
Economia na potência justifica o custo do equipamento extra
Classificação:
I. Ciclo em cascata utilizando dois ou mais circuitos com diferentes 
refrigerantes
II. Sistemas de múltiplos compressores (múltiplos estágios) com um 
único refrigerante; 
III. Sistemas combinados;
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Compressores distintos, utilizando um compressor de baixa pressão e 
um compressor de alta pressão. 
Utilizado apenas 1 compressor realizando as 2 funções: parte dos cilindros 
é utilizada no estágio de baixa pressão e o restante para o estágio de alta 
pressão
A análise do sistema de compressão com múltiplos estágios permite o 
estudo do resfriamento intermediário: reduzir a temperatura do 
vapor na saída de um estágio antes de ser aspirado pelo compressor do 
estágio seguinte – Subresfriamento (estudado na aula anterior)
I – SISTEMA EM CASCATA
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Dois ciclos de refrigeração 
organizados em série através de um 
trocador de calor contracorrente 
que os une: A e B 
ciclo de BAIXA 
temperatura (B)
ciclo de ALTA 
temperatura (A)
ciclo de BAIXA 
temperatura (B)
ciclo de ALTA 
temperatura (A)
trocador de calor contracorrente: a 
energia rejeitada durante a 
condensação do ciclo de baixa 
temperatura (B) é usada para 
evaporar o fluido refrigerante no ciclo 
de alta temperatura (A)
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ciclo de BAIXA 
temperatura (B)
ciclo de ALTA 
temperatura (A)
trocador de calor contracorrente: 
serve como condensador para o 
ciclo B e evaporador para o ciclo A.
Seleção do fluido 
refrigerante
Ciclo B - o fluido 
refrigerante a ser 
selecionado para o ciclo B 
deve possuir uma relação 
entre a T e Psaturação de tal 
forma que permita a 
refrigeração em uma 
temperatura 
relativamente baixa sem 
que a pressão 
excessivamente baixa no 
evaporador.
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Seleção do fluido 
refrigerante
Ciclo A - o fluido 
refrigerante a ser 
selecionado para o ciclo A 
deve possuir 
características de 
saturação que permitam a 
condensação à 
temperatura desejada na 
ausência de pressão 
excessivamente alta no 
condensador.
𝛽 =
𝑄𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎
𝑊𝑐𝐴 +𝑊𝑐𝐵
ciclo de BAIXA 
temperatura (B)
ciclo de ALTA 
temperatura (A)
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Vazão mássica do fluido refrigerante dos ciclos A e B 
normalmente são diferentes, mas são relacionadas pelos 
balanços de massa e energia no trocador de calor em 
contracorrente.
Ciclos em cascata: podem operar com 3 ou mais ciclos 
individuais.
EXEMPLO 1
Um sistema de refrigeração por 
compressão a vapor opera com o 
arranjo cascata (Figura). O refrigerante 
R22 opera no ciclo de alta 
temperatura e o refrigerante R134A é 
usado no de baixa temperatura. 
O refrigerante R134a entra no 
compressor como vapor saturado a -
30oF e é comprimido isentropicamete
até 50 lbf/in2. Líquido saturado a 50 
lbf/in2 deixa o trocador de calor 
intermediário e entra na válvula de 
expansão. 
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O refrigerante R22 entra no 
compressor como vapor saturado a 
5oF abaixo da temperatura de 
condensação do refrigerante R134a 
no trocador de calor intermediário. 
Ele é então comprimido 
isentrópicamente até 250 lbf/in2. A 
seguir, líquido saturado entra na 
válvula de expansão a 250lbf/in2. A 
capacidade frigorífica do sistema em 
cascata é 20TR. Determine: 
a. Potência De acionamento de 
cada compressor em BTU/min
b. Coeficiente de desempenho 
global
Dados: 1TR=200BTU/min
Ponto Temperatura 
(oF)
Pressão 
(lbf/in2)
h 
(BTU/lb)
s 
(BTU/lb oR)
1 -30 97,32 0,2266
2 50 111,34 0,2266
3 40,27 50 24,14 0,0523
4 24,14 0,0563
5 T5=T3 -5
oF=35,27 107,8 0,22095
6 250 120,51 0,22095
7 250 43,46
8 43,46 0,09088
Tabela de dados termodinâmicos