6. Ciclos Reais de Refrigeração - Faculdade Pitagoras de Jundiaí

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Faculdade Pitágoras de Jundiaí
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Graduação 1º semestre de 2014
Curso: Engenharia Mecânica
Disciplina: Refrigeração, Ar Condicionado e Ventilação
Prof. Ricardo Boulos Elias
Jundiaí, 21 de maio de 2014
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Sumário
Introdução
Ciclo de Carnot de Refrigeração
Desvios do ciclo de Carnot
Exigências de temperatura para o fluido refrigerante
Compressão úmida x Compressão seca
Expansão térmica
Ciclo de Refrigeração Ideal por Compressão de Vapor
Ciclo de Refrigeração Real por Compressão de Vapor
Bibliografia
Sistemas de Refrigeração a Vapor
Ciclos reais de refrigeração
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Sistemas de refrigeração a vapor
Introdução
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Refrigeração:
Retirada de calor de uma substância ou ambiente que se encontra a uma temperatura inferior à do meio que a circunda;
Como se processa:
A transferência de calor é efetuada através da evaporação de um refrigerante líquido a baixa temperatura e baixa pressão; 
Para que o processo possa ser contínuo, a máquina térmica deve operar de maneira cíclica em circuito fechado.
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Segunda Lei da Termodinâmica:
O fluxo de calor tende espontaneamente a ir do nível de temperatura mais alto para o mais baixo. 
Colocando-se uma máquina térmica funcionando segundo um ciclo termodinâmico entre esses dois níveis de temperatura, pode-se obter trabalho mecânico.
Inversamente, 
Para se induzir um fluxo de calor de forma contínua, do nível mais baixo de temperatura para o mais alto, utilizando uma máquina térmica, torna-se necessário adicionar trabalho.
Sistemas de refrigeração a vapor
Introdução
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O Coeficiente de Desempenho (β):
Conceito baseado na razão entre:
Representa a eficácia de um ciclo de refrigeração:
Sistemas de refrigeração a vapor
Introdução
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Modelo teórico de referência para ciclos reais de refrigeração;
É composto de processos completamente reversíveis;
Compressão adiabática (1-2);
Rejeição isotérmica de calor (2-3);
Expansão adiabática (3-4) e; 
Absorção isotérmica de calor (4-1).
Transferência de calor em processos reversíveis:
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Sistemas de refrigeração a vapor Ciclo de Carnot de Refrigeração
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Nenhum ciclo frigorífico possui uma eficácia mais elevada que o ciclo de Carnot operando entre as mesmas temperaturas;
Todos os ciclos frigoríficos reversíveis operando entre as mesmas temperaturas possuem o mesmo coeficiente de eficácia.
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Refrigeração
Trabalho líquido
Sistemas de refrigeração a vapor Ciclo de Carnot de Refrigeração
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1 – Exigências de temperatura do refrigerante:
Trocas de calor entre o refrigerante e as regiões quente (2’-3’) e fria (4’-1’) não são reversíveis; 
Mudanças nas temperaturas do fluido reduzem o COP;
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A temperatura do refrigerante no condensador deve estar acima da temperatura da região quente
A temperatura do refrigerante no evaporador deve estar abaixo da temperatura da região fria
Sistemas de refrigeração a vapor Desvios do Ciclo de Carnot de Refrigeração
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2 – Compressão úmida x Compressão seca
Na compressão úmida (1’-2’) as gotículas de líquido da mistura bifásica (ponto 1’) causam problemas de erosão, lavagem do óleo lubrificante e acúmulo no cilindro trazem danos às válvulas e ao cabeçote do compressor real;
Na compressão seca (1-2), evita-se tal problema e ainda eleva-se a temperatura do fluido acima da temperatura de condensação.
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Compressão úmida (1’-2’)
Compressão seca (1-2)
Superaquecimento
Sistemas de refrigeração a vapor Desvios do Ciclo de Carnot de Refrigeração
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3 – Expansão térmica:
Uma turbina para realizar o processo de expansão (3’-4’) apresentaria algumas dificuldades:
O trabalho de expansão seria pequeno comparado com o de compressão.
O custo de uma turbina para o processo de expansão é elevado, não se justificando seu uso sob o ponto de vista econômico. 
A turbina é substituída por uma válvula de expansão para melhoria funcional e redução dos custos de instalação.
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Sistemas de refrigeração a vapor Desvios do Ciclo de Carnot de Refrigeração
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Avaliação do Sistema de Refrigeração por Compressão de Vapor:
Hipóteses:
Regime estacionário
Variações na Energia Potencial e Cinética Desprezíveis
Sistemas de refrigeração a vapor
Ciclo de Refrigeração Ideal por Compressão de Vapor
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Processos:
1-2s: Compressão adiabática reversível (isentrópica) desde o estado de vapor saturado até a pressão do condensador;
2s-3: Transferência de calor do refrigerante à medida em que ele escoa a pressão constante através do condensador;
3-4: Expansão irreversível à entalpia constante desde o estado de líquido saturado até a pressão de evaporação;
4-1: Transferência de calor para o refrigerante à medida em que ele escoa a pressão constante através de um evaporador.
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Sistemas de refrigeração a vapor
Ciclo de Refrigeração Ideal por Compressão de Vapor
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Ciclo Real de Refrigeração:
As transferências de calor entre o refrigerante e as regiões quente e fria não são reversíveis; 
Há um aumento na entropia específica durante a compressão adiabática irreversível;
Atritos geram perda de carga durante o escoamento do fluido refrigerante;
Condição de superaquecimento na saída do evaporador;
Condição de sub-resfriamento na saída do condensador;
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Sistemas de refrigeração a vapor
Ciclo de Refrigeração Real por Compressão de Vapor
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Bibliografia:
American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineers, ASHRAE Fundamentals Handbook, 1997;
Dossat, R. J., Princípios de Refrigeração, Editora Hemus, 1980;
Jones, W. P., Engenharia de Ar Condicionado, Editora Campus, 1983;
Kuehn, T. H.; Ramsey, J. W.; Threlkeld, J. L., Thermal Environmental Engineering, 3rd Edition, Prentice Hall, 1998;
Moran, J. M., Shapiro, H. N., Munson, B. R., DeWitt, D. P., Introdução à Engenharia de Sistemas Térmicos, LTC Editora, 1ª Edição, 2005;
Van Wylen, G. J., Sonntag, R. E., Fundamentos da Termodinâmica Clássica, 2ª Edição, Edgard Blücher, 1976.
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Sistemas de refrigeração a vapor
Ciclo de Refrigeração Real por Compressão de Vapor
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