Ciclos por Compress o de Vapor

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PME 2513PME 2513
RefrigeraRefrigeraçção Industrialão Industrial
e Comerciale Comercial
Ciclos de RefrigeraCiclos de Refrigeraçção por ão por 
Compressão de VaporCompressão de Vapor
TransparênciasTransparências
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Plano de AulaPlano de Aula
�� Revisão de ConceitosRevisão de Conceitos
� Termodinâmica
� Transferência de Calor
�� Sistemas de RefrigeraSistemas de Refrigeraççãoão
� Definições
� Ciclo por Compressão de Vapor
� processos
� ciclos ideais: ciclo de Carnot e ciclo padrão
� ciclos ideais x ciclo real
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Revisão de TermodinâmicaRevisão de Termodinâmica
�� SistemaSistema
� quantidade de 
matéria com massa e 
identidade fixas na 
qual concentramos 
nossa atenção
� massa não pode 
cruzar a fronteira
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Revisão de TermodinâmicaRevisão de Termodinâmica
�� Volume de controleVolume de controle
� região de interesse na qual concentramos 
nossa atenção
� massa pode cruzar
a superfície de 
controle
� vamos trabalhar
principalmente
com VC’s
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Revisão de TermodinâmicaRevisão de Termodinâmica
�� PropriedadePropriedade
� característica macroscópica de um VC
� propriedades extensivas x intensivas
� extensiva: valor para o todo é igual à soma das partes
� massa, volume, energia...
� intensiva: valores são independentes de dimensões ou 
extensões de um sistema ou volume de controle
� pressão, temperatura...
� propriedades específicas
� propriedades extensivas divididas pela massa ou volume
� massa específica, volume específico, energia específica...
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Revisão de TermodinâmicaRevisão de Termodinâmica
�� EstadoEstado
� condição de um volume de controle, descrita por suas 
propriedades
� para substâncias puras duas propriedades independentes 
definem o estado termodinâmico
� para misturas são necessárias n+1 propriedades independentes
� psicrometria ⇒ mistura ar-vapor (dois componentes
� três propriedades: pressão, TBS e TBU
�� EquilEquilííbrio Termodinâmicobrio Termodinâmico
� condição de balanço de forças e outras influências entre o 
volume de controle e o meio externo
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Revisão de TermodinâmicaRevisão de Termodinâmica
�� ProcessoProcesso
� caminho percorrido (sucessão de estados intermediários) por 
um sistema ou volume de controle em uma mudança de 
estado
� processo quase-estático
� processo ideal em que os estados
intermediários são estados de
equilíbrio termodinâmico
�� CicloCiclo
� seqüência de processos 
que começa e termina 
no mesmo estado
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Revisão de TermodinâmicaRevisão de Termodinâmica
�� AlgumasAlgumas definidefiniççõesões
�� SubtânciaSubtância purapura: substância uniforme e invariável na composição química
�� FaseFase: quantidade de matéria totalmente homogênea em
composição química e estrutura física
� sólida (gelo)
� líquida (água líquida)
� gasosa (vapor d’água)
�� MudanMudanççaa de de fasefase
� sólido-líquido
� solidificação/liquefação
� líquido-vapor
� evaporação/condensação
� sólido-vapor
� sublimação
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Revisão de TermodinâmicaRevisão de Termodinâmica
�� Algumas propriedadesAlgumas propriedades
�� pressãopressão
� força exercida sobre uma área
� unidade SI: Pa = N/m2 (Pa ou pascal)
� outras unidades:
� 1 bar = 105 Pa = 100 kPa = 0,1 MPa
� 1 atmosferapadrão = 760 mmHg = 14,696 psi =101.325 Pa
� 1 mmH2O = 9,8 Pa
=
F
p
A
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Revisão de TermodinâmicaRevisão de Termodinâmica
�� Algumas propriedadesAlgumas propriedades
�� pressãopressão
� cálculos termodinâmicos ⇒ pressões absolutaspressões absolutas
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Revisão de TermodinâmicaRevisão de Termodinâmica
�� Algumas propriedadesAlgumas propriedades
�� temperaturatemperatura
� noção familiar, porém definição rigorosa na 
termodinâmica clássica é complicada.
� sensação de quente/frio
� corpo quente em contato com corpo frio aquece esse último
� costuma-se definir Igualdade de TemperaturasIgualdade de Temperaturas
� “Se dois corpos estiverem em contato térmico, e não for 
observada variação de qualquer propriedade mensurável (por 
exemplo comprimento ou volume) em nenhum deles, diz-se então 
que eles estão em igualdade de temperatura”
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Revisão de TermodinâmicaRevisão de Termodinâmica
�� Algumas propriedadesAlgumas propriedades
�� temperaturatemperatura
�� Lei Zero da TermodinâmicaLei Zero da Termodinâmica
� “Quando dois corpos A e B têm igualdade 
de temperatura com um terceiro corpo C, 
então os corpos A e B tem igualdade de 
temperatura entre si”
� A Lei Zero é a base para o estabelecimento 
de escalas de temperatura
� relativas:
Celsius [°C] (SI) e Fahrenheit [°F] (I-P)
� absolutas:
Kelvin [K] (SI) e Rankine [R] (I-P)
° = ⋅ ° +
= ° +
 T( F) 1,8 T( C) 32 
 T(K) T( C) 273,15 
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Revisão de TermodinâmicaRevisão de Termodinâmica
�� Algumas propriedadesAlgumas propriedades
�� volume especvolume especííficofico
� volume ocupado por 
unidade de massa 
de uma substância
� unidade SI: m3/kg
�� massa especmassa especííficafica
� inverso do volume
específico
� unidade: kg/m3
=
V
v
m
ρ = m
V
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Revisão de TermodinâmicaRevisão de Termodinâmica
�� Algumas propriedadesAlgumas propriedades
�� ttíítulotulo
� relação entre a massa de vapor e a massa total de uma 
substância
� unidade: adimensional
� na condição de x = 0, temos um 
“llííquido saturadoquido saturado”
� de forma análoga, para x = 1
temos um “vapor saturadovapor saturado”
= =
+
v v
total l v
m m
x
m m m
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Revisão de TermodinâmicaRevisão de Termodinâmica
�� EnergiaEnergia
� conceito fundamental da física
� “capacidade que um corpo, uma substância ou um sistema 
físico têm de realizar trabalho”
� a energia pode ser:
� propriedade do sistema/volume de controle
� armazenada de diversas formas
� transferida entre sistemas e/ou volumes de controle
� convertida de uma forma para outra
�� aspecto importanteaspecto importante ⇒ a quantidade total de energia sea quantidade total de energia se
conserva em todas as transformaconserva em todas as transformaççõesões
transferênciastransferências (princ(princíípio de Lavoisier)pio de Lavoisier)
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Revisão de TermodinâmicaRevisão de Termodinâmica
�� Formas de Armazenamento de EnergiaFormas de Armazenamento de Energia
� Energia Cinética
� Energia Potencial
2
c
1
E mV
2
=
pE mgz=
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Revisão de TermodinâmicaRevisão de Termodinâmica
�� Formas de Armazenamento EnergiaFormas de Armazenamento Energia
� Energia interna (U)
� propriedade extensiva do sistema
� Engloba todas as outras formas de energias do sistema 
volume de controle 
c p
Energia Total = 
Energia Cinética + Energia Potencial + Energia Interna
E E E U= + +
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Revisão de TermodinâmicaRevisãode Termodinâmica
�� Formas de Formas de 
Transferência de EnergiaTransferência de Energia
�� TrabalhoTrabalho
� definição termodinâmica: 
“trabalho é feito por um sistema 
sobre sua vizinhança (ou vice-
versa) se o único efeito externo 
ao sistema puder ser a elevação 
de um peso”
�� CalorCalor
� transferência de energia 
induzida pela diferença de 
temperaturas entre o sistema e 
o meio circundante
� Joule, século XIX
Convenção de Sinais
Q>0 ⇒ do meio para o sistema 
Q<0 ⇒ do sistema para o meio
W>0 ⇒ realizado pelo sistema
W>0 ⇒ realizado sobre o sistema
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Revisão de TermodinâmicaRevisão de Termodinâmica
�� Primeira Lei da TermodinâmicaPrimeira Lei da Termodinâmica
� “Lei da conservação da energia”
� Forma geral:
− =
− = ∆
entra sai
e s
Energia Energia Variação de Energia
E E E
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Revisão de TermodinâmicaRevisão de Termodinâmica
�� Primeira Lei para Volumes de ControlePrimeira Lei para Volumes de Controle
� em volumes de controle, existe uma terceira 
forma de transferência de energia
� energia associada à entrada/saída de massa
� trabalho de fluxo
� Lei de Conservação da Massa
= −
Σ Σ
��������� ������� �������
� �
VC e s
somatório das somatório das
taxa de variação vazões que vazões que
de massa no VC entram no VC saem do VC
dm m m
dt
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Revisão de TermodinâmicaRevisão de Termodinâmica
�� Primeira Lei para Volumes de ControlePrimeira Lei para Volumes de Controle
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Revisão de TermodinâmicaRevisão de Termodinâmica
�� Primeira Lei para Volumes de ControlePrimeira Lei para Volumes de Controle
� hipótese: Regime permanente ⇒ δ()/δt = 0
( )fluxo
2 2
s e
s s s e e e
fluxo s s s e e e
Q W W
V V
m u z g m u z g
2 2
onde W m p v m p v
Σ − Σ + =
   
= + + − + +   
   
   
⇒ = −
∑ ∑
∑ ∑
� � �
� �
� � �
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Revisão de TermodinâmicaRevisão de Termodinâmica
�� Primeira Lei para Volumes de ControlePrimeira Lei para Volumes de Controle
� Entalpia específica:
h u pv= +
2 2
s e
s s s e e e
Q W
V V
m h z g m h z g
2 2
Σ − Σ =
   
= + + − + +   
   
   
∑ ∑
� �
� �
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Revisão de TermodinâmicaRevisão de Termodinâmica
�� Segunda Lei da TermodinâmicaSegunda Lei da Termodinâmica
� Conhecimento empírico: determinados processos só ocorrem 
em determinado sentido
� xícara de café
� Como a primeira lei não impõe restrições ao sentido, a 
segunda lei foi estabelecida para “determinar” o sentido 
possível
� Importância para esse curso
� ciclos termodinâmicos de máximo desempenho teórico
� Ciclos de Carnot
� propriedade termodinâmica
� entropia específica
� processos isoentrópicos (adiabáticos reversíveis)
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Revisão de TermodinâmicaRevisão de Termodinâmica
�� Tabelas e Diagramas TermodinâmicosTabelas e Diagramas Termodinâmicos
� utilizados para determinar as propriedades de uma 
substância em um determinado estado em função do 
conhecimento de duas outras propriedades
�� Diagramas mais comunsDiagramas mais comuns
� Temperatura-entropia (T-s) ⇒ ciclos motores
� pressão-entalpia (p-h) ⇒ ciclos de refrigeração
(compressão de vapor)
� entalpia-concentração ⇒ ciclos de refrigeração
(absorção)
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�� Tabelas e Diagramas TermodinâmicosTabelas e Diagramas Termodinâmicos
� Diagrama T-s
Revisão de TermodinâmicaRevisão de Termodinâmica
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Revisão de TermodinâmicaRevisão de Termodinâmica
�� Ciclos TermodinâmicosCiclos Termodinâmicos
� retomando definição
� seqüência de processos que começa e termina no mesmo 
estado
� Se aplicarmos a 1ª. lei para todo o ciclo, considerando que o 
estado inicial e final serão os mesmos, teremos:
Q W 0
Q W
Σ − Σ =
Σ = Σ
� �
� �
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Revisão de TermodinâmicaRevisão de Termodinâmica
�� Ciclos Motores e de RefrigeraCiclos Motores e de Refrigeraççãoão
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Revisão de Revisão de 
Transferência de CalorTransferência de Calor
�� Relembrando:Relembrando:
� Calor é uma das formas em que a energia pode ser transferida 
do (para o) volume de controle para o (do) meio externo
� associada a um diferencial de temperatura entre o VC e o meio
�� TermodinâmicaTermodinâmica
� preocupa-se com a quantidade total transferida
� não se interessa no “como” ela ocorre (mecanismos)
�� Transferência de CalorTransferência de Calor
� preocupa-se com os mecanismos de transferência
� estabelece equações para quantificar as taxas de transferência
� “leis fenomenológicas”
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Revisão de Revisão de 
Transferência de CalorTransferência de Calor
�� Mecanismos de Mecanismos de 
transferênciatransferência
�� ConduConduççãoão
� mecanismo de 
transferência de calor que 
ocorre através de um sólido 
ou líquido em repouso em 
função do gradiente de 
temperaturas
� interações entre as 
partículas do meio
� transferência ocorre no 
sentido da diminuição da 
temperatura
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Revisão de Revisão de 
Transferência de CalorTransferência de Calor
�� ConduConduççãoão
�� EquaEquaçção da conduão da conduçção ão 
(Lei de Fourier) unidimensional(Lei de Fourier) unidimensional
� em regime permanente:
x
dT
q k
dx
′′ = −
2 1
x
T T
q k
L
−
′′ = −
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Revisão de Revisão de 
Transferência de CalorTransferência de Calor
�� ConduConduççãoão
�� Condutividade TCondutividade Téérmica krmica k
� propriedade de transporte
� característica do material
� unidade: W/m.k
� altos valores de k ⇒ material é bom condutor de calor
� ex: metais
� alumínio: k = 237 W/m.k @ 300K
� cobre: k = 401 W/m.k @ 300K
� baixos valores de k ⇒ material é isolante térmico
� exemplos:
� borracha vulcanizada: k = 0,13-0,16 W/m.k
� poliuretano: k = 0,023-0,026 W/m.K
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Revisão de Revisão de 
Transferência de CalorTransferência de Calor
�� Mecanismos de transferênciaMecanismos de transferência
�� ConvecConvecççãoão
� mecanismo de transferência de calor que ocorre entre uma superfície 
e um fluido em movimento em função do ∆T
� dois tipos (natureza):
� convecção forçada
� fluido é movimentado por um
agente externo (por exemplo
um ventilador ou bomba)
� convecção natural
� diferença de temperatura gera
gradiente de densidade que
movimenta o fluido
(força de empuxo)
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Revisão de Revisão de 
Transferência de CalorTransferência de Calor
�� Mecanismos de transferênciaMecanismos de transferência
�� ConvecConvecççãoão
� escoamento do fluido sobre a superfície gera uma camada 
limite térmica (análoga à camada limite hidrodinâmica)
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Revisão de Revisão de 
Transferência de CalorTransferência de Calor
�� ConvecConvecççãoão
�� EquaEquaçção da convecão da convecçção (Lei do resfriamento de Newton)ão (Lei do resfriamentode Newton)
�� hh: coeficiente de transferência 
de calor por convecção
(coeficiente de película)
� propriedade de transporte
� depende:
� fluido
� escoamento
� unidade: W/m2.K
( )sq h T T∞′′ = −
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Revisão de Revisão de 
Transferência de CalorTransferência de Calor
�� ConvecConvecççãoão
�� Coeficiente hCoeficiente h
� determinação: correlações empíricas / semi-empíricas
� exemplo: escoamento interno em tubos (convecção forçada)
� De forma análoga existem correlações para convecção natural 
e escoamentos externos
( )
( )
( )
( )
( )
D
D s
0,8 n
D D
hD
Nu 4, 36 q cte
kescoamento laminar
Nu 3,66 T cte
Nu 0,023Re Pr Dittus-Boelter
escoamento turbulento com : n 0, 3 resfriamento do fluido
 n 0, 4 aquecimento

′′= =

 =

=

=

=
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Revisão de Revisão de 
Transferência de CalorTransferência de Calor
�� Modos de transferênciaModos de transferência
�� RadiaRadiaçção Tão Téérmicarmica
� energia emitida por um corpo que se encontra numa tempera-
tura absoluta não-nula, na forma de ondas eletromagnéticas
� Lei de Stefan-Boltzmann
onde: σ = cte. de Stefan-Boltzmann 
(5,67.10-8W/m2K4);
ε =emissividade da superfície 
(0 ↔ 1,0)
4E T= εσ
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Revisão de Revisão de 
Transferência de CalorTransferência de Calor
�� RadiaRadiaçção Tão Téérmicarmica
�� Emissividade Emissividade εε
� propriedade superficial do corpo
� depende do material e do acabamento da superfície.
� corpo negro
� radiador ideal ⇒ ε = 1,0
� corpo cinzento
� superfície difusa ideal ⇒ ε = α, onde α é a absortividade
da superfície
� vale também para corpo negro
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Revisão de Revisão de 
Transferência de CalorTransferência de Calor
�� Mecanismos de transferênciaMecanismos de transferência
�� Transferência de calorTransferência de calor
por radiapor radiaçção entre ão entre 
um corpo e a vizinhanum corpo e a vizinhanççaa
�� Analogia com convecAnalogia com convecçção:ão:
coeficiente de transferência de calor por radiacoeficiente de transferência de calor por radiaççãoão
( )4 4rad s vizq T T′′ = εσ −
( )
( ) ( )
rad rad s viz
2 2
rad s viz s viz
q h T T ,onde
h T T T T
′′ = −
≡ εσ + −
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Revisão de Revisão de 
Transferência de CalorTransferência de Calor
�� BalanBalançço de Energia em uma superfo de Energia em uma superfííciecie
� considerando VC com:
� massa desprezível
� volume desprezível
ent sai
cond conv rad
E E
q q q
=
′′ ′′ ′′∴ = +
� �
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Sistemas de refrigeraSistemas de refrigeraççãoão
�� Manter uma região fria com Manter uma região fria com 
uma temperatura menor que a uma temperatura menor que a 
do meio circundantedo meio circundante
� retirar calor de um espaço ou 
material
� rejeitá-lo para o meio externo
� “resultado líquido”: 
transferência de calor no 
sentido contrário a ∂T
�� Conseguido por uma mConseguido por uma mááquina quina 
ttéérmica rmica àà custa do custa do 
fornecimento de energiafornecimento de energia
� calor ou trabalho
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Ciclos de refrigeraCiclos de refrigeraççãoão
�� Sistemas de refrigeraSistemas de refrigeraçção baseiamão baseiam--se em ciclos se em ciclos 
termodinâmicostermodinâmicos
� série de processos termodinâmicos que resultam no 
efeito útil desejado: a retirada de calor desse 
espaço e na sua rejeição para o meio externo
�� Principais ciclosPrincipais ciclos
� por Compressão de Vapor
� fornecimento de energia na forma de trabalho de eixo
� por Absorção
� fornecimento de energia na forma de calor
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Ciclos de refrigeraCiclos de refrigeraççãoão
�� Outros ciclosOutros ciclos
� por Compressão de Ar
� trabalho de eixo
� por Efeito Termoelétrico
� corrente elétrica
� por Efeito Termomagnético
� campo magnético
� por Efeito Termoacústico
� pressão sonora
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Algumas definiAlgumas definiççõesões
�� Capacidade de refrigeraCapacidade de refrigeraçção,ão, � LQ
taxa de energia na forma de 
calor que um equipamento de 
refrigeração é capaz de retirar 
do espaço a ser refrigerado
Unidades:Unidades:
quilowatt (kW),
tonelada de refrigeração (TR, 1 TR = 3.520 W)
quilocaloria por hora (kcal/h, 1 kcal/h = 1,16 W) 
british thermal unit per hour (BTU/h, 1 BTU/h = 0,293 W)
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Algumas definiAlgumas definiççõesões
�� Energia de Acionamento, Energia de Acionamento, �� ciclo cicloW ou Q
taxa de energia na forma de trabalho (Wciclo) ou calor (Qciclo)
que deve ser fornecida ao equipamento de refrigeração para sua 
operação
As unidades utilizadas são as mesmas que para a
capacidade de refrigeração
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Algumas definiAlgumas definiççõesões
�� Taxa deTaxa de
rejeirejeiçção ão 
de calor,de calor, � HQ
≅ +� ��H ciclo LQ W Q
taxa de energia na forma 
de calor que será
rejeitada pelo 
equipamento de 
refrigeração para o meio 
externo, expressa nas 
mesmas unidades 
anteriores
AproximaAproximaçção ão 
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Algumas definiAlgumas definiççõesões
�� Coeficiente de EficCoeficiente de Eficáácia, COP ou cia, COP ou ββ
� medida da eficácia do sistema de 
refrigeração em obter seu efeito útil (a 
retirada da capacidade de refrigeração) a 
partir do insumo energético utilizado.
=
� �
� �
L L
ciclo ciclo
Q Q
COP ou 
W Q
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Ciclo por compressão de vaporCiclo por compressão de vapor
�� tecnologia de tecnologia de 
refrigerarefrigeraçção mais ão mais 
utilizada atualmenteutilizada atualmente
�� ciclo bciclo báásicosico
� dois trocadores de calor
� evaporador
� condensador
� compressor
� dispositivo de expansão
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Ciclo por compressãoCiclo por compressão
de vaporde vapor
�� Processos Processos 
termodinâmicostermodinâmicos
� compressão
� vapor de fluido 
refrigerante numa 
condição de baixa 
pressão é comprimido 
até uma condição de 
alta pressão e 
temperatura
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Ciclo por compressãoCiclo por compressão
de vaporde vapor
�� Processos Processos 
termodinâmicostermodinâmicos
� condensação
� o vapor a alta 
pressão 
e temperatura rejeita 
calor para o meio 
externo, 
condensando-se 
durante o processo
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Ciclo por compressãoCiclo por compressão
de vaporde vapor
�� Processos Processos 
termodinâmicostermodinâmicos
� expansão
� o líquido condensado a 
alta pressão passa 
através do dispositivo 
de expansão. Nesse o 
processo a sua pressão 
se reduz e ele vaporiza 
parcialmente, formando 
uma mistura líquido-
vapor a baixa pressão e 
temperatura.
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Ciclo por compressãoCiclo por compressão
de vaporde vapor
�� Processos Processos 
termodinâmicostermodinâmicos
� evaporação
� a mistura líquido-vapor 
a baixa pressão e 
temperatura retira calor 
do espaço refrigerado, 
vaporizando-se 
completamenteno 
processo. Esse vapor 
retorna ao compressor, 
fechando o ciclo.
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Ciclo de CarnotCiclo de Carnot
�� Ciclo de refrigeraCiclo de refrigeraçção idealão ideal
� 2ª lei da termodinâmica
⇒ ciclo de máxima 
eficiência possível
� utilizado para
análises qualitativas
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Ciclo de CarnotCiclo de Carnot
�� Processos ideais Processos ideais 
(revers(reversííveis)veis)
� 1-2: compressão 
adiabática reversível 
� 2-3: rejeição de calor 
isotérmica reversível
� 3-4: expansão 
adiabática reversível
� 4-1: retirada de calor 
isotérmica reversível
T
1
23
4
s3 = s4 s1 = s2
T2 = T3
T1 = T4
s
cW�
LQ�
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Ciclo de CarnotCiclo de Carnot
�� Qualquer substância pura pode, a princQualquer substância pura pode, a princíípio, pio, 
ser utilizadaser utilizada
� região de satura-
ção: mudanças de 
fase são processos 
de troca de calor 
isotérmicos
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AvaliaAvaliaçção do desempenhoão do desempenho
�� Coeficiente de EficCoeficiente de Eficááciacia
(temperaturas absolutas [K])(temperaturas absolutas [K])
�
ciclo de
carnot
L L
H Lliq
Q T
COP ou =
T TW
β =
−
�
�
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AvaliaAvaliaçção do desempenhoão do desempenho
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AvaliaAvaliaçção do desempenhoão do desempenho
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Ciclo padrão de refrigeraCiclo padrão de refrigeraçção ão 
por compressão de vaporpor compressão de vapor
�� Ciclos reais se afastam do ciclo de CarnotCiclos reais se afastam do ciclo de Carnot
� trocas de calor não são reversíveis
� utilização de turbinas não é viável
� dificuldade de controle da turbina e de acoplamento ao 
compressor
� custo não compensa em relação ao trabalho produzido
� compressão úmida pode causar problemas ao 
compressor
� lubrificação deficiente
� erosão de válvulas
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Ciclo padrãoCiclo padrão
�� Ciclo padrão de refrigeraCiclo padrão de refrigeraççãoão
� ciclo idealizado
� admite-se que os processos sejam internamente 
reversíveis
� substituição da turbina por válvula ou outro 
dispositivo que provoque a redução de pressão 
necessária
� processo de estrangulamento adiabático
� vaporização completa do fluido refrigerante no 
evaporador
� compressão seca para evitar problemas operacionais
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Ciclo padrãoCiclo padrão
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AvaliaAvaliaçção de desempenhoão de desempenho
�� Trocas de calor e trabalho avaliadas a Trocas de calor e trabalho avaliadas a 
partir da 1a. Lei da Termodinâmicapartir da 1a. Lei da Termodinâmica
(Equa(Equaçção da Conservaão da Conservaçção da Energia ão da Energia 
em Regime Permanente)em Regime Permanente)
   
+ + + = + + +   
   
   
� �� �
2 2
ent sai
ent ent ent sai sai sai
V V
m h z g Q m h z g W
2 2
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AvaliaAvaliaçção de desempenhoão de desempenho
�� ConsiderandoConsiderando
� VC com uma entrada e uma saída
� ∆Ec e ∆Ep desprezíveis
( )sai entQ W m h h− = −� � �
 
+ + + = 
 
 
 
= + + + 
 
 
��
��
2
ent
ent ent ent
2
sai
sai sai sai
V
m h z g Q
2
V
m h z g W
2
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AvaliaAvaliaçção de desempenhoão de desempenho
�� compressor compressor ⇒⇒
�� condensador condensador ⇒⇒
�� disp. expansão disp. expansão ⇒⇒
�� evaporadorevaporador ⇒⇒
( )c 2 1W m h h− = −� �
( )H 3 2Q m h h= −� �
( )4 3 4 30 m h h h h= − ⇒ =�
( )L 1 4Q m h h= −� �
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AvaliaAvaliaçção de desempenhoão de desempenho
�� Coeficiente de EficCoeficiente de Eficáácia do Ciclo Padrãocia do Ciclo Padrão
� semelhante (mas não igual) ao Ciclo de 
Carnot
L 1 4
2 1liq
Q h h
COP
h hW
−
= =
−
�
�
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Diagrama pressãoDiagrama pressão--entalpia (pentalpia (p--h)h)
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Diagrama pressãoDiagrama pressão--entalpia (pentalpia (p--h)h)
llííquido subquido sub--
resfriadoresfriado
região de região de 
saturasaturaççãoão
ponto crponto crííticotico
vapor vapor 
superaquecidosuperaquecido
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Diagrama pressãoDiagrama pressão--entalpia (pentalpia (p--h)h)
T = cte vapor vapor 
superaquecidosuperaquecido
llííquido subquido sub--
resfriadoresfriado
região de região de 
saturasaturaççãoão
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Diagrama pressãoDiagrama pressão--entalpia (pentalpia (p--h)h)
T = cte
s = cte
vapor vapor 
superaquecidosuperaquecido
llííquido subquido sub--
resfriadoresfriado
região de região de 
saturasaturaççãoão
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Diagrama pressãoDiagrama pressão--entalpia (pentalpia (p--h)h)
T = cte
s = cte
v = cte
vapor vapor 
superaquecidosuperaquecido
llííquido subquido sub--
resfriadoresfriado
região de região de 
saturasaturaççãoão
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Diagrama pressãoDiagrama pressão--entalpia (pentalpia (p--h)h)
T = cte
s = cte
v = cte
vapor vapor 
superaquecidosuperaquecido
llííquido subquido sub--
resfriadoresfriado
região de região de 
saturasaturaççãoão
x = cte
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Ciclo padrão x diagrama pCiclo padrão x diagrama p--hh
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ExemploExemplo
�� ““ChillerChiller”” para resfriar para resfriar áágua de 12 a 7gua de 12 a 7ººCC
� aproximar por ciclo padrão com:
� Tevaporação = 3ºC
� Tcondensação = 40ºC
� capacidade 500 kW
� avaliar COP, vazão de refrigerante necessária 
e potência consumida para R-134a e R-22
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Exemplo Exemplo –– RR--134a134a
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Exemplo Exemplo --
comparacomparaçção de valoresão de valores
81,5 kW82,1 kW
3,20 kg/s3,47 kg/s
6,1326,093COP
RR--2222RR--134a134a
m�
W�
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Exemplo Exemplo --
comparacomparaçção de valoresão de valores
�� ConclusãoConclusão
� para a aplicação em questão, o uso do 
R-22 seria mais interessante em termos 
energéticos
� na prática é o fluido atualmente utilizado em 
“chillers” por compressão de vapor.
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Ciclo realCiclo real
�� NãoNão--idealidades do ciclo realidealidades do ciclo real
� perda de carga nos trocadores de calor
� trocas de calor não isotérmicas
� irreversibilidades na compressão
� processo não é isoentrópico
� ocorre perda de carga nas válvulas
� expansão não isoentálpica
�� Medidas de seguranMedidas de seguranççaa
� subresfriamento na entrada do disp. expansão
� superaquecimento na entrada do compressor
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Ciclo realCiclo real
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Ciclo realCiclo real
�� Efeito do Efeito do ∆∆TTsubsub e e ∆∆TTsupsup
� os dois aumentam a capacidade de 
refrigeração
� ∆Tsup aumenta o trabalho de compressão
� efeito sobre o COP vai depender do fluido 
refrigerante
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Ciclo realCiclo real
�� Efeito das nãoEfeito das não--idealidadesidealidades
� aumentam trabalho de compressão
� reduzem capacidade de refrigeração
�� Efeito negativo das nãoEfeito negativo das não--idealidades idealidades 
supera o efeito positivo do supera o efeito positivo do ∆∆TTsubsub e e ∆∆TTsupsup
� Resultado líquido: redureduçção do COP em ão do COP em 
relarelaçção aos ciclos de Carnot e Padrãoão aos ciclos de Carnot e Padrão
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Ciclo realCiclo real
�� AvaliaAvaliaçção de desempenhoão de desempenho
� igual ao ciclo padrão
� 1ª. Lei da Termodinâmica
� “trabalho” maior em definir os estados e 
propriedades termodinâmicas
� disponibilidade de dados
� perda de carga no evaporador/condensador
� eficiência do compressor
� etc.
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Ciclo RealCiclo Real
�� Exemplo: efeitos do Exemplo: efeitos do ∆∆TTsubsub e e ∆∆TTsupsup
� Repetir exemplo do ciclo padrão considerando 
∆Tsub = 3 ºC e ∆Tsup = 8 ºC
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Exemplo Exemplo --
efeitos do efeitos do ∆∆TTsubsub e e ∆∆TTsupsup
6,2446,307COP “real”
6,1326,093COP padrão
RR--2222RR--134a134a
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ConclusãoConclusão
�� Revisão de ConceitosRevisão de Conceitos
� Termodinâmica
� Transferência de Calor
�� Sistemas de RefrigeraSistemas de Refrigeraççãoão
� Definições
� Ciclo por Compressão de Vapor
� processos
� ciclos ideais: ciclo de Carnot e ciclo padrão
� ciclos ideais x ciclo real