Compressores para Refrigeração e Climatização

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Disciplina : CCE0317 – Refrigeração e Climatização
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Curso : 841 - Engenharia Mecânica
6ª Aula
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COMPRESSORES
(continuação)
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Compressor 
alternativo
ideal
volume de gás
admitido = v3 – v1
volume de gás
espaço nocivo = vc
pressão de descarga
pressão de 
aspiração
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Rendimento volumétrico
O rendimento volumétrico é o parâmetro chave da interpretação do 
desempenho dos compressores alternativos para aplicações frigoríficas.
Dois tipos :
O rendimento volumétrico real : vr 
O de espaço nocivo : en
taxa de deslocamento é o volume “varrido” pelo pistão durante seu curso
Rendimento volumétrico real
(4.1)
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Rendimento volumétrico de espaço nocivo
massa cte. durante expansão do gás do espaço nocivo (en )
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Efeito da temperatura de evaporação sobre a vazão de refrigerante
(amônia)  = 4,0% ; tx.d = 0,146 m3/s
T cond. cte = 35º C
vazão do refrigerante (m)
hipótese : rendimento volumétrico 
exclusivamente pela expansão do 
gás no espaço nocivo
da definição de rendimento
volumétrico espaço nocivo (4.1)
vazão volumétrica
(4.7)
-59º C = Tevap = Tcond
 Pasp = Pa3
vazão
eficiência volumétrica
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Efeito da temperatura de evaporação sobre a capacidade de refrigeração
(amônia)  = 4,0% ; tx.d= 0,146 m3/s
T cond. cte = 35º C
efeito de refrigeração = incremento
de entalpia do refrigerante através do 
evaporador em cuja saída é admitido 
como vapor saturado (=h4 – h3)
o conhecimento do efeito da 
temperatura de evaporação ou da pressão de aspiração é muito 
importante para os engenheiros, 
uma vez que frequentemente
se defrontam com situações onde é 
necessário decidir que parâmetro deve ser afetado a fim de elevar a 
capacidade do sistema.
Tevap afeta pouco Erefr  Capacidade frigorífica (compressor ) é determinada pela vazão do 
 refrigerante que depende da temperatura de evaporação
capacidade de
 refrigeração
efeito de
 refrigeração
potência
trabalho de
compressão
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Efeito da temperatura de evaporação sobre a potência de compressão
potência de compressão =
(vazão) . ( trabalho de compressão)
(amônia)  = 4,0% ; d= 0,146 m3/s
T cond. cte = 35º C
Importante : 
seleção do compressor 
consumo de energia
Observar condições de partida do motor : Superdimensionar o compressor ou estrangular o gás na aspiração (válvula) ou desativar alguns cilindros
isoentrópico
Tcondensação  compressor não comprime o gás
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Efeito da temperatura de condensação sobre a vazão de refrigerante
e a capacidade de refrigeração
(amônia)  = 4,0% ; d= 0,146 m3/s
T evaporação= -40º C
Compressor ideal : 
compressão isoentrópica e 
rendimento volumétrico de 
ação exclusiva do espaço nocivo
vazão do refrig. deve acompanhar
o desempenho do rend. volumétrico :
uma vez que o volume específico do gás
de aspiração vaspiração, permanece 
constante em virtude da manutenção 
de uma mesma temperatura de 
evaporação
vazão
rendimento
volumétrico
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Efeito da temperatura de condensação sobre a vazão de refrigerante
e a capacidade de refrigeração
Ocorrências idênticas 
às do gráfico anterior
capacidade de
 refrigeração
efeito de
 refrigeração
trabalho de
compressão
potência
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Efeito da temperatura de condensação sobre a potência de compressão
(amônia)  = 4,0% ; 
tx.desl= 0,146 m3/s; 
Tevaporação= -40º C
W = 0 =  T condensação = T evaporação
potência de compressão =
(vazão) . ( trabalho de compressão)
o trabalho de compressão aumenta
continuamente com a temperatura
de condensação , a partir de um
valor nulo, quando aquela 
temperatura coincide com a 
de evaporação.
a curva de potência de compressão
deve apresentar um ponto de
máximo para uma temperatura
de condensação entre tais 
temperaturas limite.
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Rendimento volumétrico real
= 4,0 %
8 cilindros
desloc.(D )= 114 mm = 0,114 m
curso do pistão= 90 mm = 0,09 m
rotação = 1.200 rpm = 20 rps
cortesia
 Vilter Manufacturing 
Corporation
Gráfico 4.10
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Exemplo : Rendimento volumétrico real
Determine o rendimento volumétrico real do compressor da tabela de desempenho de compressor de amônia para temperaturas de evaporação e condensação de -20º C e 25º C respectivamente.
da Tabela da Vilter : capacidade de refrigeração = 186,7 KW
vapor que deixa o evaporador saturado a -20º C : entalpia na saída = 1.437,7 kJ/kg
líquido que entra do dispositivo expansão, saturado : entalpia = 317,67 kJ/kg
volume específico do vapor que deixa o evaporador e entra no compressor 
= 0,623,7 litros / kg = 0,624 m³ / kg
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Rendimento volumétrico real
vazão volumétrica real :
Q = 0,167 . 0,624 = 0,104 m³/s
taxa de deslocamento volumétrico do compressor
8 cil . 20 rps . 0,089 m . ((3,1416. 0,114²)/4) = 0,146 m³/s 
rendimento volumétrico 
nr = 100 . (0,104 /0,146) = 71,2 % = 100 . Q / tx. desloc.
a relação entre as pressões de descarga e de aspiração (na tabela) são :
1.003 kPa/190,1 kPa = 5,27  o ponto está dentro da faixa coberta pelo 
				gráfico 4.10
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da tabela da Vilter :se obtém a capacidade de refrigeração de 290,1 kW 
e uma potência de compressão de 64,9 kW
assumindo que o refrigerante entra no compressor como vapor saturado a 
 -12º C potência de compressão isoentrópica.
nas tabelas de propriedades da amônia as seguintes entalpias :
vapor saturado a -12º C = 1.448,2 KJ/Kg
liquido saturado a 25º C = 317,7 KJ/Kg
o efeito de refrigeração = 1.448,2 – 317,7 = 1.131 kJ/kg
Determine a eficiência de compressão adiabática do compressor da tabela quando o mesmo opera entre as temperaturas de evaporação e de condensação de -12 C e 25º C respectivamente
Exemplo 4.2.
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25º C
290,1 kW = Cap refrig
64,9 kW = Pot compressão
-12º C
Tabela 4.1
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vazão do refrigerante : m = 290,1 kW / 1.131 kJ/kg = 0,257 kg/s
trabalho de compressão real : hr = 64,9 / 0,257 = 252,5, kJ/kg 
o trabalho de compressão isoentrópica hi , é determinado pelo diagrama a seguir; através da entalpia de descarga, acompanhando a linha isoentrópica que tem origem na linha de vapor saturado a -12º C até a pressão de 1.03 kPa, correspondente à temperatura de saturação de 25º C.
A entalpia do gás de descarga será de 1.635 kJ/kg e 
o trabalho de compressão isoentrópica será :
hi = h2 – h1 = 1635 – 1448,2 = 187 kJ/kg
capac. refrigeração
efeito de refrigeração = 1448,2 – 317,7
potência compressão
trab.compressão isoentrópico
hr = trab. compressão real
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Eficiência de compressão adiabática
Figura 4.11 - 
Variação da 
eficiência de 
compressão 
adiabática com a temperatura de evaporação para o compressor de 
amônia cujo 
desempenho foi 
apresentado na 
Tabela 4.1.
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Compressores de Palheta
Existem dois tipos básicos de compressores de palhetas: 
o de palhetas simples e o de múltiplas palhetas.
No compressor de palheta simples. 
A linha de centro do eixo de acionamento coincide com a do cilindro mas é excêntrica com relação ao rotor. 
De modo que este compressor apresenta um divisor atuado por mola, dividindo as câmaras de aspiração e descarga.
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No compressor
de múltiplas palhetas o rotor gira em torno do seu próprio eixo, que não coincide com o do cilindro. 
O rotor é provido de palhetas que se mantém permanentemente em contato com a superfície do cilindro pela força centrífuga.
Nestes compressores não há necessidade de válvulas de aspiração.
São utilizados principalmente em geladeiras, congeladores, condicionadores de ar, competindo com os compressores Alternativos.
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Compressores de Parafuso
No compressor de parafuso a compressão á obtida pelo engrenamento de 2 rotores conjugados, dispostos em um cilindro apropriado, equipado com orifício de entrada e saída. 
O rotor macho normalmente é o rotor de acionamento e consiste de uma série de ressaltos ao longo do seu comprimento que se engrenam com os sulcos helicoidais correspondentes, formado de modo semelhante no rotor fêmea, comprimindo o refrigerante. 
Na região de aspiração do compressor é produzido vácuo, induzindo a entrada do vapor de refrigerante.
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A utilização deste tipo de compressor se dá na faixa de 300 à 500 KW de refrigeração, normalmente para resfriamento da água.
O centro de capacidade é realizado pelo uso de uma válvula corrediça que é localizada na carcaça do compressor. 
Quando a válvula está aberta, ocorre um retardamento do início de compressão. 
A capacidade pode ser modulada até 10% da capacidade máxima.
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Compressores Centrífugos
No compressor centrífugo o fluido penetra pela abertura central do rotor e pela ação da força centrífuga desloca-se para a periferia. 
Assim, os pás imprimem uma grande velocidade ao gás e elevam sua pressão. 
O gás se dirige para o invólucro da pá ou voluta que converte a pressão dinâmica do vapor que sai do rotor em pressão estática.
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Os compressores centrífugos podem ser de um ou múltiplos estágios ou seja com um ou vários rotores.
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A eficiência de compressão adiabática dos compressores frigoríficos com capacidade de refrigeração acima de 500 KW.
Relação entre a velocidade periférica e a pressão: 
O momento torsor que o motor exerce sobre o gás é:
 T= m(v2.r2 - v1.r1)
T  momento torsor, N.m
m  vazão, Kg/s
v2  velocidade tangencial do refrigerante na m/s
r2  raio externo do rotor, m.
v1  velocidade tangencial do refrigerante na entrada do rotor (m/s)
r1 raio médio da seção de entrada do rotor, m.
Como o refrigerante entra no rotor na direção radial. V1=0
			T= m.v2.r2
A potência no eixo é o produto do momento torsor pela rotação.
			P= T.w= m.v2.r2.w
						P  potência em w
						w  rotação em, rad/s
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Lembrando : Momento Torsor 
Potência transmitida, diagrama de momento e ângulo de torção
P = T ω Onde
P: potência em watts.
T: torque em N m.
ω: rotação em radianos por segundo.
A Figura dá o exemplo de uma barra cilíndrica com aplicação de dois esforços de torção em locais distintos.
É suposto que a barra está engastada na extremidade C. 
Na parte inferior da figura são dados diagramas aproximados dos esforços de torção e ângulos de distorção ao longo do comprimento da barra.
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Em baixas rotações e velocidade periférica do rotor e a velocidade tangencial do refrigerante na saída do rotor são praticamente iguais, então:
			r2.w = v2
			P = m.v22
A potência ideal também pode ser dado pelo produto da vazão pelo trabalho de
compressão.
			P = m hi (1000)
 comparando as duas equações de potência temos :
			 v2 2 = 1000  hi
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Compressores Scroll
O conceito básico do compressor scroll (espiral) existe desde 1886, quando uma patente italiana foi requerida. 
Devido a problemas de estanqueidade, a aplicação do mesmo foi retardada. Hoje, a nova tecnologia de máquinas operadoras e processos de manufatura tornou possível a solução deste problema.
 
A partir da última década, o compressor scroll passou a participar das linhas de produção seriada sendo instalado em condicionadores de ar e resfriadores de líquido
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O compressor scroll oferece muitos benefícios aos usuários de sistemas de ar condicionado:
em média é 5% a 10% mais eficiente que um compressor recíproco de igual capacidade;
não possui válvulas. sendo extremamente resistente a golpes de liquido;
possui 64% menos partes móveis que um compressor recíproco de igual capacidade;
operação extremamente suave e silenciosa, comparável à de um compressor centrífugo;
baixa variação de torque, o que propicia um aumento na vida útil do motor, reduzindo a sua vibração;
o resfriamento do motor feito pelo refrigerante na forma gasosa resulta em baixa temperatura dos enrolamentos do motor, o que aumenta a sua eficiência e confiabilidade.
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O compressor scroll utiliza duas peças em forma de espiral para realizar o trabalho da compressão do gás
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As espirais estão acasaladas face a face. A espiral superior é a espiral fixa onde está a abertura de descarga do gás. 
A espiral inferior é a espiral acionada pelo motor (fig. 3).
A sucção do refrigerante na forma gasosa acontece na orla externa do conjunto da espiral e a descarga acontece através da abertura existente no centro da espiral estacionária.
4
Notar que a borda superior das espirais é ajustada com selos que correm sobre a superfície da espiral oposta.
Eles atuam de forma semelhante aos anéis do pistão de um compressor alternativo, lacrando o refrigerante na forma gasosa. entre as superfícies em contato.
O centro do mancal do eixo da espiral e o centro do eixo do motor do conjunto de acionamento têm um recuo. Este recuo permite um movimento excêntrico ou orbitante para a espiral conduzida (fig. 4).
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Mostra que a rotação do eixo do motor causa na espiral um movimento orbital - não circular – ao redor do centro do eixo (fig. 5).
O movimento orbital faz com que o par de scrolls forme bolsas de refrigerante na forma gasosa. Como este movimento é contínuo, o movimento relativo entre a espiral orbitante e a espiral fixa faz com que as bolsas se desloquem para a abertura de descarga situada no centro do conjunto, com um decréscimo constante de volume (fig. 6).
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COP – Coeficiente de Desempenho (Coeficient Of Performance)
Um ciclo de refrigeração pode ser analisado em termos de sua eficiência 
energética através do coeficiente de performance (COP), uma grandeza adimem­sional. 
Figura 6.1 - Ilustração 
de um ciclo de compressão mecânica
Onde QE é a potência de refrigeração (kW) e Wc é a potência de com­pressão (kW) e podem ser calculados conforme os pontos inseridos no diagrama pressão versus entalpia ilustrado na figura 6.1.
(6.1)
COP é comumente utilizado par avaliar a relação entre a capacidade de 
refrigeraçào obtida e o trabalho gasto para tanto, podendo se definido como:
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Exemplo de aplicação do COP
Considere um sistema de refrigeração padrão operando com fluido refrigerante R134a, com temperatura de condensação de 42°C e temperatura de evaporação de -12°C. 
Calcular o Coeficiente de Performance do sistema. 
Considere para a solução deste problema a sequência de pontos indicada na figura 6.2.
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Solução
É conveniente iniciarmos a solução de problema montando uma tabela que 
resuma as principais propriedades do fluido ao longo do ciclo de refrigeração. 
O preenchimento da tabela permite sistematizar o cálculo do COP Inicialmente, devemos
traçar o diagrama pressão versus entalpia referente a este sistema, con­forme figura 6.2. 
Para traçado do diagrama pressão versus entalpia e da tabela para 
solução do problema apresentado, utiliza-se informações sobre as propriedades termodinâmicas do Fluido R134a.
 
Essas informações podem ser encontradas na Internet ou em livros. 
É muito importante que o profissional da refrigeração utilize a Internet, para buscar informações sobre novos fluidos e especificações técnicas dos novos equipamentos.
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Nas tabelas e diagrama de propriedades termodinâmicas, é possível saber 
quais as pressões de alta (linha de condensação) e de baixa (linha de evapora­ção). 
O preenchimento da tabela começa através dos itens mais conhecidos, 
tais como temperaturas dos pontos :
ponto 1 (-12°C), pois o processo de evaporação ocorre a temperatura constante e o ponto está na linha de vapor saturado seco, 
ponto 3 (42°C); pois a condensação ocorre à temperatura constante e o ponto está na linha de liquido saturado) e 
ponto 4 (-12°C) porque o ponto está sobre uma isoterma na região de saturação. 
Já o ponto 2 está sobre uma linha isoentrópica partindo de 1 e sobre uma isobárica na pressão de condensação.
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Com essa tabela preenchida podemos obter as entalpias no ponto , 3 e 4. 
Conforme a figura 6.2, o ponto 1 está no estado de vapor saturado seco na temperatura de -12°C e pressão de evaporação. 
Logo a entalpia do ponto 1 pode ser obtida da tabela de propriedades como sendo hvapor para a temperatura de -12°C. 
Esse valor é de 391,7 kJ/kg. 
Já a entalpia do ponto 3 pode ser obtida observando que no diagrama pressão versus entalpia, o ponto 3 está no estado de líquido saturado (sobre a curva de saturação) sendo que seu valor pode ser lido da tabela 6.2, na coluna de hlíquido para 42°C. 
Esse valor é de 259,6 kJ/kg. 
Como o processo de expansão é considerado isoentálpico, temos, então, a entalpia do ponto 4 como sendo igual a do ponto 3.
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Na tabela 6.2, podemos obter informações apenas da região da saturação. 
Já no ponto 2, saída do compressor, o fluido encontra-se superaquecido. 
Logo, é possível encontrar a entalpia do ponto 2 por meio gráfico no 
diagrama pressão versus entalpia. 
Há possibilidade de uso de programas tais como E.E.S. e Refprop para obtenção exata dessas informações. 
Mas para fins prá­ticos o uso do diagrama pressão versus entalpia é suficiente.
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Para obter a entalpia do ponto 2, indica-se, na figura 6.2, o ponto 1 
na temperatura de -12°C e traça-se uma isoentrópica partindo deste ponto 
até encontrar a linha horizontal da pressão de condensação. 
Neste encontro tem-se o ponto 2. 
A entalpia pode ser obtida lendo-se o valor diretamente na extremidade horizontal do diagrama. 
Nesse exemplo, o valor da entalpia do ponto 2, conforme ilustrado na figura 6.3 é de aproximadamente 430 k] jkg.
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Stoecker e Jabardo – pag. 360
sv = 1,746 kJ/kgºC
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Onde as grandezas hl e hv correspondem à entalpia do líquido saturado e do vapor saturado, respectivamente, ou seja, sobre a curva de saturação. 
hl (PJ é a entalpia do líquido na pressão de evaporação). 
Nesse caso, o valor do título é de 0,36 ou 36%, ou seja, no evaporador, o fluido refrigerante entra com cerca de 36% de fluido no estado de vapor e com 64% no estado líquido.
Já a grandeza entropia específica do ponto 4 pode ser calculada por:
 s4 = s1(PE) + x4[ sv(PE) – s1(PE)]
Logo tem-se que a entropia do ponto 4 é :
 s4 = 0,9407 + 0,36 {1,7456 – 0,9407} – 1,23 kJ / kg ºC
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Pode-se ainda calcular o COP do sistema através dos valores das entalpias encontradas na tabela 6.3, aplicados na equação 6.1.
Pode-se observar, também, que o fluxo de massa não foi necessário para 
solucionar esta equação, uma vez que este termo aparece no numerador e no denominador da equação. 
O coeficiente de performance tem a função de verificar o quanto o sistema é eficiente quando comparado com um ciclo de compressão ideal, conhecido como ciclo de Carnot. 
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Carnot estabeleceu que nenhum siste­ma, operando entre duas temperaturas diferentes, terá um COP superior ao definido pela equação 6.7, onde as temperaturas devem ser em Kelvin.
No exemplo, com temperatura de evaporação de -12ºC e de condensação de +42ºC, o COP de Carnot é calculado em 4,84.
Comparando o COP calculado em 3,45 com o COP máximo possível pode-se dizer que a eficiência do sistema é de 71,3%.
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Exemplo 
Dados de catálogo para um compressor de 4 cilindros, operando com refrigerante 22 a 35 rps, indicam uma capacidade de refrigeração de 110 kW e potência de 15 kW para uma temperatura de evaporação de 7º C e uma temperatura de condensação de 45º C. 
O desempenho é baseado em 5º C de sub-resfriamento do líquido e 8º C de superaquecimento do gás de aspiração no compressor. 
O diâmetro do cilindro é de 70 mm e o percurso é de 60 mm.
Calcule : 
a eficiência volumétrica do espaço nocivo, se a fração deste 
 espaço é de 5,0 %;
b) a eficiência volumétrica efetiva;
a eficiência de compressão.
Dados para cálculo : para 7º C	 e para 45º C
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Solução 
O estado do valor na aspiração do compressor é de 15º C (7º + 8º C) superaquecido a uma pressão correspondente a uma temperatura de 5º C (pressão de 583,6 KPa), os valores das propriedades termodinâmicas são : 
Tab. A.6a - Refrigerante R-22 saturado - livro Stoecker /Jabardo pag. 331 – para 7º C
p =
621,0
kPa
hv=
407,8
kJ/kg
vv=
37,98
litros/kg
sv=
1,7419
kJ/kKg.K
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As propriedades do refrigerante após uma compressão isoentrópica até uma temperatura de condensação de 45º C 
(pressão de 1.942 KPa), são : 
	p = 	1.728	 	kPa
	hv = 	417,3 		kJ/kg
	vv = 	13,28 		litros/kg
	sv = 	1,6931		kJ/kg.K
A entalpia do líquido que entra no evaporador à temperatura de 40º C é de 249,7 kJ/kg
Tab. A.6a - Refrigerante R-22 saturado - livro Stoecker /Jabardo pag. 332 – para 45º C
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Refrigerante : R-22
Compressor : 
nº de cilindros 		=	4
rotação 			=	35 rps
Potência			= 	15 kW
Capacidaderefrigeração 		=	110 kW
Diâmetro cilindro			=	70 mm = 0,07 m
Deslocamento cilindro		=	60 mm = 0,06 m
Tevaporação			=	7º C
Tcondensação			=	45º C	
Tsub-resfriamento			=	5º C
Tsuperaquecimentoaspiração 		=	8º C
Entalpia do líquido na entrada do evaporador à 
				T = 45 – 5= 40º C 
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Trocador de calor 
a baixa 
temperatura
1
compressor
3
2
Trocador de calor 
a alta temperatura
condensador
evaporador
4
Tev = 5º C
 (h1)
Tcond = 47º C
 (h4)
Tasp = 13º C
Tsub-resfr = 3º C
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a) eficiência volumétrica do espaço nocivo
 
	fração do espaço nocivo = 5,0 %
 
	vn = 100 – m(ve  vc -1) = 100- 5,0(37,9813,28 – 1) 					= 90,70 = 91,0 %
taxa de deslocamento do compressor
	nºcil x rot x A x percurso = 4 x 35 x ((3,1416 x 			0,07²)  4) x 0,06 = 0,03232 m³s =
											= 32,32 litros l s
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eficiência de compressão
P = m . W  W = P  m  W = 15 / 0,698 = 21,49 kJkg
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Um catálogo mostra uma capacidade de refrigeraçao de 115 kW para um compressor hermético
de quatro cilindros, rotação de 29 rps e operando com refrigerante 22 às temperaturas de evaporação e condensação de -40C e 400C. 
Nesse ponto de operação, o motor, cuja eficiência é de 90%, exige 34,5 kW. O diâmetro do cilindro é de 87 mm e o deslocamento do êmbolo é de 70 mm entre pontos mortos. Os dados de desempenho são baseados em 80C de subresfriamento do líquido que deixa o condensador. 
Determine :
a eficiência volumétrica efetiva
a eficiência de compressão.
forte candidato a AV1 ou AV2
do livro de Stoecker e Jones