Módulo 9 Ciclo de Refrigeração por Cascata e Multiestágio

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CICLOS DE REFRIGERAÇÃO DE 
VAPOR EM CASCATA E 
MULTIESTÁGIO
ENERGIA TÉRMICA
As variações no ciclo básico de compressão do vapor 
são usadas para aumentar o desempenho ou para uso 
em aplicações especiais.
Duas variações serão objeto de estudo:
•Ciclo em cascata
•Compressão multiestágio com inter-resfriamento
Os ciclos em cascata são arranjos para a refrigeração 
utilizando a combinação de ciclos chamados cascata.
Esse modelo de ciclo opera em menores temperaturas 
e com maiores coeficientes de desempenho.
CICLO EM CASCATA
Dois ciclos de refrigeração 
organizados em série através de um 
trocador de calor contracorrente 
que os une: A e B 
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)
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.
ciclo de BAIXA 
temperatura (B)
ciclo de ALTA 
temperatura (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.
• 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.
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.
Trata-se de um sistema de potência a gás.
Inter-resfriamento
• permite economia da potência de acionamento 
necessária para o compressor
COMPRESSÃO MULTIESTÁGIO COM INTER-
RESFRIAMENTO
Câmara de 
separação
Tocador de calor 
de contato direto
Inter-resfriamento
• Obtido através do trocador 
de calor de contato direto
Câmara de 
separação
Tocador de calor 
de contato direto
Inter-resfriamento
Vapor saturado a uma temperatura 
relativamente baixa (3) entra no 
trocador de calor e se mistura 
com o refrigerante a temperatura 
mais alta (2) → forma uma única 
corrente (9) que é comprimida no 
2º estágio até a pressão no 
condensador (4)
Câmara de 
separação
Tocador de calor 
de contato direto
Inter-resfriamento
- Menor Wcompressao (1→2) e de 
(9→4)
Tfluido refrigerante (4) < Túnico estágio de compressão
Câmara de 
separação
Tocador de calor 
de contato direto
Câmara de separação
O fluido refrigerante que sai do 
condensador (5) se expande 
pela válvula, entra na câmara de 
separação (6) como uma 
mistura de duas fases e com 
título (x)
Câmara de 
separação
Tocador de calor 
de contato direto
Câmara de separação
Ocorre separação dos 
componentes líquido e vapor
• Vapor saturado é direcionado 
ao inter-resfriamento
• Líquido saturado se exapande
através de uma válvula de 
expansão
EXEMPLO 1
Considere um ciclo de refrigeração por compressão operando em regime 
permanente com arranjo do tipo cascata. O refrigerante R22 é o fluido de 
trabalho para o ciclo de alta temperatura e o R134a é o fluido de 
trabalho para o ciclo de baixa temperatura. O refrigerante R134a entra 
no compressor a -30 C e é comprimido isentropicamente até 4 bar. 
Líquido saturado a 4 bar deixa o trocador de calor intermediário e entra 
na válvula de expansão. O fluido refrigerante R22 entra no compressor 
como vapor saturado (abaixo da temperatura de condensação do 
refrigerante R134a). O refrigerante R22 é comprimido isentropicamente
até 12 bar. A capacidade frigorífica desse sistema é 10 TR (toneladas 
frigoríficas). Determine (a) potência de acionamento de cada compressor, 
(b) coeficiente de desempenho global do ciclo
Considerações:
��
��
� 1 − ��
�� �
ℎ� − ℎ�
ℎ� − ℎ�
� 0,285
T(oC) P(bar) h(kJ/kg) S(kJ/kgK)
1 -30 0,85 229,14 0,9433
2 4 0,9433
3 4
4 12
5 46,3 12 115,76
6 8,93 4 115,76
7 8,93 4 62,0
8 -30 62,0
9 8,93 4 252,3
�� �
ℎ� − ℎ�
ℎ� − ℎ�
� 0,285
T(oC) P(bar) h(kJ/kg) S(kJ/kgK)
1 -30 0,85 229,14 0,9433
2 -17,8 4 260,6 0,9433
3 4
4 12
5 46,3 12 115,76
6 8,93 4 115,76
7 8,93 4 62,0
8 -30 62,0
9 8,93 4 252,3
Ponto 3 (junção das correntes) –
aplica-se então o balanço de massa 
e energia
ℎ� � 1 − �� ℎ� � ��ℎ�
ℎ� � 1 − 0,285 260,62
 !
 "
� 0,285 252,3
 !
 "
ℎ� � 258,27
 !
 "
�� �
ℎ� − ℎ�
ℎ� − ℎ�
� 0,285
T(oC) P(bar) h(kJ/kg) S(kJ/kgK)
1 -30 0,85 229,14 0,9433
2 -17,8 4 260,6 0,9433
3 4 258,27 0,9352
4 55,2 12 281,7 0,9352
5 46,3 12 115,76
6 8,93 4 115,76
7 8,93 4 62,0
8 -30 62,0
9 8,93 4 252,3
	
� � �� ℎ� − ℎ�
(a) Potência de acionamento de cada 
compressor, em kW
	
� � � ℎ% − ℎ�
Será necessário desenvolver os cálculos 
dos fluxos de massa
�&� � �� ℎ� − ℎ'
�� �
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ℎ� − ℎ'
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224,14 � 62 !/,"
211 !/�-.
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600
�� � 0,21 "/0
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� 1 � �� �� �
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1 � �� 
� 0,293kg/s→
	
� � �� ℎ� � ℎ�
	
� � � ℎ% � ℎ�
Nesse momento procederemos aos 
cálculos da potência de acionamento de 
cada compressor
(b) Coeficiente de desempenho global
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