9. A Segunda Lei da Termodinmica II

Esta é uma pré-visualização de arquivo. Entre para ver o arquivo original

A Segunda Lei da Termodinâmica II
MEC-1507 
Sistemas Térmicos I
Luiz Guilherme Vieira Meira de Souza
Refrigeradores e Bombas de Calor
Sabe-se que a transferência de calor ocorre no sentido em que a temperatura é decrescente.
Esse processo de transferência de calor ocorre naturalmente sem a ajuda de qualquer dispositivo.
O processo inverso, contudo, não pode ocorrer espontaneamente.
Refrigeradores e Bombas de Calor
3
A transferência de calor de um meio a baixa temperatura para um meio a alta temperatura exige dispositivos especiais chamados de refrigeradores e bombas de calor.
Refrigeradores e Bombas de Calor
4
Refrigeradores e bombas de calor funcionam com um mesmo ciclo, porém, têm objetivos diferentes.
O objetivo de um refrigerador é manter o espaço refrigerado a uma temperatura baixa, removendo calor deste espaço.
Descarregar calor em um meio à temperatura mais alta é simplesmente uma parte necessária da operação e não uma finalidade.
Bombas de Calor
5
O objetivo de uma bomba de calor é manter o espaço aquecido a uma temperatura alta.
Absorver calor de um meio à temperatura mais baixa é simplesmente uma parte necessária da operação e não uma finalidade.
Para isso, a bomba de calor remove calor de uma fonte a baixa temperatura (água subterrânea ou ar frio) e fornece calor a um meio a alta temperatura (casa).
Bombas de Calor
6
Estes equipamentos, assim como as máquinas térmicas, são dispositivos cíclicos.
O fluido de trabalho utilizado no ciclo de refrigeração é chamado de refrigerante.
Refrigeradores e Bombas de Calor
7
O ciclo de refrigeração mais utilizado é o ciclo por compressão de vapor, que tem quatro componentes principais:
Compressor;
Condensador;
Válvula de expansão ou tubo capilar;
Evaporador.
Refrigeradores e Bombas de Calor
8
Refrigeradores e Bombas de Calor
9
Refrigeradores e Bombas de Calor
10
Refrigeradores e Bombas de Calor
11
O refrigerante entra no compressor na forma de vapor e é comprimido até a pressão do condensador.
O vapor deixa o compressor a uma temperatura relativamente alta e se resfria e condensa à medida que escoa pelo condensador, rejeitando calor para o meio circulante.
Refrigeradores e Bombas de Calor
12
Em seguida, o refrigerante entra em um tubo capilar (ou válvula de expansão), onde sua pressão e temperatura caem drasticamente devido ao efeito de estrangulamento.
Então o refrigerante com baixa temperatura entra no evaporador, onde se evapora ao retirar calor do espaço refrigerado.
O ciclo é concluído quando o refrigerante deixa o evaporador e torna a entrar no compressor.
Refrigeradores e Bombas de Calor
13
Em um refrigerador doméstico, o evaporador se encontra no compartimento do congelador, onde o calor do compartimento é removido pelo refrigerante.
O condensador, no qual o calor do refrigerante é dissipado para o ar da cozinha, se encontra posicionado na parte traseira do equipamento.
Refrigeradores e Bombas de Calor
14
Refrigeradores e Bombas de Calor
15
A figura ao lado traz uma representação esquemática de um refrigerador.
QL é a magnitude do calor removido do espaço refrigerado à temperatura TL;
QH é a magnitude do calor rejeitado para o ambiente quente à temperatura TH;
Wlíq,e é o trabalho líquido fornecido ao refrigerador.
Refrigeradores e Bombas de Calor
16
A figura ao lado traz uma representação esquemática de uma bomba de calor.
QL é a magnitude do calor removido do ambiente frio à temperatura TL;
QH é a magnitude do calor rejeitado para o espaço aquecido à temperatura TH;
Wlíq,e é o trabalho líquido fornecido à bomba de calor.
Refrigeradores e Bombas de Calor
17
Coeficiente de Performance
A eficiência de um refrigerador ou de uma bomba de calor é expressa em termos do coeficiente de performance (COP), representado por COPR e COPBC.
O objetivo de um refrigerador é remover calor (QL) do espaço refrigerado e o da bomba de calor é fornecer calor (QH) ao espaço aquecido.
Para atingir esse objetivo, é necessária a realização de trabalho Wlíq,e.
Coeficiente de Performance
19
Desta forma:
Coeficiente de Performance
20
Observa-se que o valor do COPR pode ser maior que a unidade.
Isto indica que a quantidade de calor removida do espaço refrigerado pode ser maior que o trabalho realizado.
Isto se contrapõe à eficiência térmica, que nunca pode ser maior que 1.
Devido a isto, criou-se o conceito de COP.
Coeficiente de Performance
21
A comparação entre as equações demonstradas anteriormente mostra que:
Essa relação indica que o COP da bomba de calor é sempre maior que 1, pois COPR é uma quantidade positiva.
Coeficiente de Performance
22
Pode-se concluir, então, que na pior da hipóteses a bomba de calor funcionará como um aquecedor à resistência elétrica (COPBC=1).
Fornecerá para o ar da casa a mesma quantidade de energia que o compressor consome.
Coeficiente de Performance
23
Na realidade, porém, parte do QL pode ser perdida para o ar do lado externo através da tubulação e de outros dispositivos.
Assim, se o ar externo estiver muito frio, o COP pode cair abaixo de 1.
Quando isto acontece, os sistemas alternam para o modo de aquecimento à resistência.
Atualmente, a maioria das bombas de calor em operação tem um COP médio sazonal entre 2 e 3.
Coeficiente de Performance
24
24
A maioria das bombas de calor existentes utiliza o ar frio externo como fonte de calor durante o inverno. 
São chamadas de bombas de calor de fonte no ar.
O COP dessas bombas de calor normalmente é de aproximadamente 3.
Coeficiente de Performance
25
Esses equipamentos não são apropriados para climas muito frios.
Sua eficiência é bastante reduzida quando a temperatura do ar é menor que a do ponto de congelamento da água.
Coeficiente de Performance
26
Isto ocorre porque nessa condição a água presente no ar congela sobre as serpentinas do evaporador, diminuindo a área de troca térmica do refrigerante com o ar.
Coeficiente de Performance
27
Para essas situações, é possível utilizar as bombas de calor geotérmicas “fonte no solo”), que utilizam o solo como fonte de calor.
Esse tipo de bomba de calor exige tubulações enterradas no solo, a uma profundidade de 1 a 2 metros.
A instalação dessas bombas de calor é mais cara, mas elas são mais eficientes (até 45% mais eficientes que as bombas de aquecimento de “fonte no ar”). 
Coeficiente de Performance
28
Coeficiente de Performance
29
Coeficiente de Performance
30
Aparelhos de condicionamento de ar (ou aparelhos de ar-condicionado) são basicamente refrigeradores cujo espaço refrigerado é uma sala ou um edifício, em vez de compartimentos para armazenar alimentos. 
Um desses aparelhos típicos resfria uma sala removendo o calor do ar ambiente e descarregando-o no lado de fora.
Coeficiente de Performance
31
A maioria dos condicionadores de ar possui um COP entre 2,3 e 3,5.
Não é econômico refrigerar a uma temperatura mais baixa que a necessária.
QL se torna maior.
Coeficiente de Performance
32
O COP de um refrigerador diminui com a redução dos requisitos de refrigeração (temperatura de refrigeração).
2,6-3,0 – salas de corte e preparação;
2,3-2,6 – armazenamento de carnes, laticínios e produtos agrícolas;
1,2-1,5 – para alimentos congelados;
1,0-1,2 – para unidades de sorvetes.
Coeficiente de Performance
33
O COP de um refrigerador também diminui com o aumento da temperatura do meio disponível para rejeição de calor.
QH se torna menor.
Coeficiente de Performance
34
Sistemas de condicionamento de ar equipados com controles apropriados e uma válvula inversora funcionam como condicionadores de ar no verão e como bombas de calor no inverno.
http://www.clubedaeletronica.com.br/Anima/A_refrigera/Refrigera%2014.swf
Coeficiente de Performance
35
Exercícios
O compartimento de alimentos de um refrigerador é mantido a 4°C por meio da remoção de calor a uma taxa de 360 kJ/min. 
Se a energia necessária for
fornecida ao refrigerador a uma taxa de 2 kW, determine:
a) o coeficiente de performance do refrigerador;
b) a taxa com a qual o calor é rejeitado na cozinha em que está instalado o refrigerador.
37
Exercício 1
Uma bomba de calor é utilizada para atender às necessidade de aquecimento de uma casa, mantendo-a a 20°C. 
Nos dias em que a temperatura externa cai para -2°C, estima-se uma perda de calor da casa a uma taxa de 80.000 kJ/h.
Considerando que a bomba de calor nessas condições tem um COP de 2,5, determine:
a) a potência consumida pela bomba de calor;
b) a taxa com que o calor é removido do ar frio externo.
38
Exercício 2
Enunciado de Clausius
O enunciado de Clausius está relacionado aos refrigeradores e bombas de calor:
“É impossível construir um dispositivo que funcione em um ciclo e não produza qualquer outro efeito que não seja a transferência de calor de um corpo com temperatura mais baixa para um corpo com temperatura mais alta”.
40
Enunciado de Clausius
41
Enunciado de Clausius
Calor não se transfere por conta própria de um meio mais frio para um mais quente.
O enunciado de Clausius não sugere a impossibilidade de construção de um dispositivo cíclico que transfira calor de um meio frio para um meio mais quente.
É exatamente isso o que faz um refrigerador doméstico convencional.
42
Enunciado de Clausius
O enunciado simplesmente estabelece que o refrigerador não pode funcionar, a menos que seu compressor seja acionado por uma fonte externa de energia.
43
Enunciado de Clausius
Dessa forma, o efeito líquido no ambiente envolve o consumo de alguma energia na forma de trabalho, além de transferir calor de um corpo mais frio para um corpo mais quente. 
Ou seja, ele modifica o ambiente.
44
Enunciado de Clausius