3 - ST - Slides - Unidade 3 - Introdução aos Sistemas de Refrigeração

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Universidade Federal de Ouro Preto
DEMEC - Departamento de Engenharia Mecânica
Escola de Minas - Campus Universitário Morro do Cruzeiro
Introdução a Sistemas de Refrigeração
Proponente: Dr. Edson Alves Figueira Júnior
Um fluido refrigerante (ou simplesmente um refrigerante) pode ser um líquido
ou um gás, com função de transferência de calor de um sistema para outro. A
transferência de energia pode acontecer mediante troca de calor latente
(evaporação, condensação) e/ou mediante troca de calor sensível
(aquecimento, arrefecimento).
Amônia
R22 - HFC
R134a - HFC
R600a
Fluidos Refrigerantes
Fluidos Refrigerantes
DANFOSS, 2020 - https://assets.danfoss.com/documents/157093/AD224586434178en-000803.pdf
https://theengineeringmindset.com/thermostatic-expansion-
valves-work/
https://theengineeringmindset.com/thermostatic-expansion-valves-work/
 Refrigeradores
Sistemas de Refrigeração
 Bombas de calor
Sistemas de Refrigeração
𝐶𝑂𝑃𝑅 =
𝑆𝑎í𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑗𝑎𝑑𝑎
𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑠á𝑟𝑖𝑎
=
𝐸𝑓𝑒𝑖𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑠𝑓𝑟𝑖𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜
𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑙ℎ𝑜
=
𝑄𝐿
𝑊𝑙𝑖𝑞,𝑒𝑛𝑡
𝐶𝑂𝑃𝐵𝐶 =
𝑆𝑎í𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑗𝑎𝑑𝑎
𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑠á𝑟𝑖𝑎
=
𝐸𝑓𝑒𝑖𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑞𝑢𝑒𝑐𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜
𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑙ℎ𝑜
=
𝑄𝐻
𝑊𝑙𝑖𝑞,𝑒𝑛𝑡
𝐶𝑂𝑃𝐵𝐶 = 𝐶𝑂𝑃𝑅 + 1
Sistemas de Refrigeração
 Ciclo de Carnot Reverso
É o ciclo de refrigeração mais
eficiente que opera entre dois níveis
especificados de temperatura
COP aumenta com a 
redução de ∆T
Sistemas de Refrigeração
𝐶𝑂𝑃𝑅,𝐶𝑎𝑟𝑛𝑜𝑡 =
1
ൗ
𝑇𝐻
𝑇𝐿
− 1
Refrigeradores
Máquinas térmicas que transferem calor de um meio de baixa temperatura para 
um meio de alta temperatura.
1-2: Compressão isentrópica no compressor
2-3: Rejeição de calor a pressão constante 
em um condensador
3-4: Estrangulamento em um dispositivo de 
expansão
4-1: Absorção de calor a pressão constante 
em um evaporador
Sistemas de Refrigeração
o COP melhora de 2 a 4% para cada ℃ de elevação da temperatura de
evaporação ou para cada ℃ de diminuição da temperatura de
condensação.
Sistemas de Refrigeração
Sistemas de Refrigeração
Ciclo ideal de Refrigeração
Sistemas de Refrigeração
Sistemas de Refrigeração
Fórmulas: Ciclo ideal de Refrigeração
𝐶𝑂𝑃 =
𝑞𝐿
𝑤𝑙𝑖𝑞,𝑒𝑛𝑡
=
𝑞𝐿
𝑤𝑒𝑛𝑡
=
ℎ1 − ℎ4
ℎ2 − ℎ1
Coeficiente de performance
𝑞𝐿 = ℎ1 − ℎ4
Evaporadora
𝑤𝑒𝑛𝑡 = ℎ2 − ℎ1
Compressor
𝑞𝐻 = ℎ2 − ℎ3
Condensadora
ℎ3 = ℎ4
Válvula de expansão
𝑞𝐻 = 𝑞𝐿 + 𝑤𝑒𝑛𝑡
COP > 1
remoção de calor do espaço refrigerado
trabalho fornecida ao compressor 
rejeição de calor para o ambiente 
A
p
lic
an
d
o
 a
 p
ri
m
ei
ra
 L
ei
 d
a 
Te
rm
o
d
in
âm
ic
a 
p
ar
a 
o
s 
d
is
p
o
si
ti
vo
s
Condensadora
 Rejeitar o calor recebido pelo refrigerante durante sua passagem no
evaporador, onde retira calor de um meio qualquer e o calor recebido
pelo refrigerante durante o trabalho de compressão, para uma fonte
fria.
• desuperaquecimento,
• condensação e
• subresfriamento.
Sistemas de Refrigeração
Válvula de expansão
• Tubos capilares de pequeno diâmetro são utilizados como dispositivo de expansão.
• O tubo capilar é usado em uma vasta gama de equipamentos, desde o refrigerador
doméstico à bomba de calor.
• É um tubo de diâmetro muito pequeno, com comprimento cuidadosamente medido,
que produz uma queda de pressão predeterminada no sistema. O capilar não possui
partes móveis.
Sistemas de Refrigeração
Válvula de expansão
Sistemas de Refrigeração
Exercício: Ciclo ideal de Refrigeração
1) Um refrigerador utiliza R-134a como fluido de
trabalho e opera em um ciclo de refrigeração por
compressão de vapor entre 0,14 MPa e 0,8 MPa. Se
a vazão mássica do refrigerante é for de 0,05 kg/s,
determine a taxa de remoção de calor do espaço
refrigerado ሶ𝑄𝐿 , a potência fornecida ao
compressor ሶ𝑊𝑒𝑛𝑡 , a taxa de rejeição de calor para
o ambiente ( ሶ𝑄𝐻) e o COP.
0,14 MPa 
0,8 MPa
Sistemas de Refrigeração
 Rendimento isentrópico de: 
Compressores
Definida como a razão entre o
trabalho considerando o processo
isentrópico e o trabalho resultante
do processo real.
ENTROPIA
 Rendimento isentrópico de: 
Compressores
𝜂𝐶 =
𝑇𝑟𝑎𝑏𝑎𝑙ℎ𝑜 𝑖𝑠𝑒𝑛𝑡𝑟ó𝑝𝑖𝑐𝑜
𝑇𝑟𝑎𝑏𝑎𝑙ℎ𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑙
=
𝑤𝑠
𝑤𝑟
𝜂𝐶 =
𝑤𝑠
𝑤𝑟
=
ℎ2𝑠 − ℎ1
ℎ2𝑟 − ℎ1
𝜂𝐶 ≈ 0,8 − 09
ENTROPIA
Exemplo 2: Um refrigerador utiliza R-134a como fluido de trabalho e opera em
um ciclo de refrigeração por compressão de vapor entre 0,12 MPa e 0,7 MPa.
Se a vazão mássica do refrigerante é for de 0,05 kg/s. Mostre o ciclo T – s e
determine a taxa de remoção de calor do espaço refrigerado ሶ𝑄𝐿 , a potência
fornecida ao compressor ሶ𝑊𝑒𝑛𝑡 , a taxa de rejeição de calor para o ambiente
( ሶ𝑄𝐻) e o COP.
Determine a temperatura para o estado 2r considerando o rendimento
isentrópico do compressor de 0,9.
 Difere do ciclo ideal devido as irreversibilidades
• Atrito do fluido
• Transferência de calor
Ciclo real de refrigeração
 Estado 1
• O fluido deve entrar no compressor
como vapor saturado, entretanto não
é possível controlar o estado do
refrigerante de maneira precisa, por
isso o refrigerante entra no
compressor levemente
superaquecido.
Consequência: vapor superaquecido possui
maior volume especifico, logo o
compressor irá demandar mais trabalho
para comprimir o refrigerante
Ciclo real de refrigeração
 Processo 1 – 2
Aumenta a entropia devido as
irreversibilidades do compressor
 Processo 1 – 3
Processo isentrópico (ideal)
 Processo 1 – 2’
Processo desejável, possível de ser
realizado, resfriando o fluido no
compressor.
Ciclo real de refrigeração
 Estado 4
• O fluido deve sair do condensador
como líquido saturado.
Processo 4 – 5 :
Sub-resfriamento do refrigerante
Ciclo real de refrigeração
 Desprezando as perdas de carga e a transferência de calor nas tubulações
Ciclo real de refrigeração
 Baixa perda de carga, as tubulações
possuem baixo comprimento equivalente
 Utiliza-se isolantes nas tubulações.
Exemplo 3: R134a entra no compressor de
um refrigerador como vapor superaquecido
a 0,14 MPa e -10 ℃, a uma taxa de 0,05
kg/s, e sai a 0,8 MPa e 50 ℃. O refrigerante
é resfriado no condensador até 26 ℃ e 0,72
MPa e é estrangulado até 0,15 MPa.
Desprezando a transferência de calor e a
perda de carga nas linhas determina a taxa
de remoção de calor do espaço refrigerado,
a potência do compressor, eficiência
isentrópica do compressor e o COP.
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Aplicações do frio
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https://carrierdobrasil.com.br/modelo/downloads/meu-negocio/17/aquaforce-30xw
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 ÇENGEL, Yunus A.; BOLES, Michael A. Termodinâmica. AMGH Editora, 
2013. 1018 p.
 VAN WYLEN, G. J.; SONNTAG, R. E.; BORGNAKKE, C. Fundamentos da 
Termodinâmica. São Paulo: Blücher, 2013, 730 p.
 www.theengineeringmindset.com 
Referências