Problemas de refrigeração (1)

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DO MARANHÃO 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA E PRODUÇÃO 
CONTROLE TÉRMICO DE AMBIENTES 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Prof. M.Sc. Valdirson P. Mendes 
 
 
 
CONTROLE TÉRMICO DE AMBIENTES 
DEMECP 2 
1. REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE GÁS 
 
1.1) - Para o ciclo padrão de refrigeração a ar, como mostra a figura, admitir que tanto a 
compressão como a expansão sejam processos isentrópicos. 
Determinar: 
a) coeficiente de efeito frigorífico 
b) rendimento do ciclo 
c) volume deslocado por TR 
d) efeito frigorífico volumétrico. 
 
q
q
40ºC 7,5 kgf/cm
1,5 kgf/cm
- 25ºC
compressor expansor
2
2
C
E 
 
 
 
1.2) - Um trocador de calor é incorporado ao ciclo padrão a ar do problema anterior, como 
mostra a figura. Admitir que tanto a compressão como a expansão fosse processos isentrópicos. 
Determinar: 
a) coeficiente de efeito frigorífico 
b) rendimento do ciclo 
c) volume deslocado por TR 
d) efeito frigorífico volumétrico. 
q
q
40ºC 7,5 kgf/cm
1,5 kgf/cm
- 25ºC
compressor expansor
30ºC
2
2
C
E 
 
 
CONTROLE TÉRMICO DE AMBIENTES 
DEMECP 3 
1.3) - Repetir o problema anterior admitindo um rendimento adiabático, para o compressor e 
para o expansor, de 80%. 
 
 
 
 
2. REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE VAPOR 
 
2.1) - Um ciclo de refrigeração por compressão de vapor ideal opera em regime permanente 
usando R - 134a como fluido de trabalho. O vapor saturado entra no compressor a -10°C e o líquido 
saturado deixa o condensador a 28°C. A vazão mássica é 5 kg/min. 
Determine: 
a) a potência do compressor, em kW. 
b) a capacidade frigorífica, em TR. 
c) o coeficiente de desempenho. 
 
 
2.2) - Um ciclo de refrigeração por compressão de vapor ideal opera em regime permanente 
usando R - 134a como fluido de trabalho. O vapor saturado entra no compressor a 1,6 bar e o 
líquido saturado deixa o condensador a 9 bar. A vazão mássica é 5 kg/min. 
Determine: 
a) a potência do compressor, em kW. 
b) a capacidade frigorífica, em TR. 
c) o coeficiente de desempenho. 
 
 
2.3) - Modifique o ciclo do problema anterior, para que o compressor possua uma eficiência 
isentrópica de 80%, e considere que a temperatura do líquido na saída do condensador é de 32ºC. 
 Para esse ciclo modificado, determine: 
a) a potência de acionamento do compressor, em kW. 
b) a capacidade frigorífica, em TR. 
c) o coeficiente de desempenho. 
 
 
2.4) - No projeto de um refrigerador, o ciclo proposto prevê a utilização de refrigerante R-
12, que é admitido no compressor como vapor superaquecido a 0,18 MPa e -10ºC, sendo 
descarregado a 0,7 MPa e 50ºC. O refrigerante é então resfriado no condensador até 24ºC e 0,65 
MPa, sendo posteriormente expandido até 0,15 MPa. A carga térmica de projeto do refrigerador é 
de 6,0 kW. Despreze a perda de carga e a transferência de calor nas linhas de conexão entre os 
elementos do refrigerador. 
a) Esboce em um diagrama Temperatura-Entropia o ciclo proposto, indicando sua posição 
relativa à curva de saturação, com base no esquema apresentado na figura abaixo. 
b) Calcule a vazão mássica, em kg/s, de refrigerante necessária para atender à carga térmica 
de projeto. 
c) Calcule a potência requerida pelo compressor, em kW, e analise a necessidade de se 
utilizar o superaquecimento do refrigerante admitido no compressor. 
d) Estuda-se o uso do refrigerante R-134 como forma de adequar o equipamento à legislação 
ambiental de outros países e possibilitar a sua exportação. Explique os efeitos ambientais de 
refrigerantes halogenados, como o R-12. 
 
CONTROLE TÉRMICO DE AMBIENTES 
DEMECP 4 
CONDENSADOR
EVAPORADOR
1
2
23
3
4
4 1
COMPRESSOR
DISPOSITIVO
DE
EXPANSÃO
QE
QC
Pm
 
 
 
2.5) - No projeto de um refrigerador, o ciclo proposto prevê a utilização de refrigerante R-
12, que é admitido no compressor como vapor superaquecido a 1,6 bar e 4ºC, sendo descarregado a 
12 bar e 115ºC. O refrigerante entra no condensador com 11,8 bar e 105ºC onde é então resfriado 
no condensador até 38ºC e 11,6 bar, sendo posteriormente expandido até 2 bar. Em seguida o 
refrigerante deixa o evaporador a -7ºC e 1,8 bar. A potência do compressor é 2,5 HP. A capacidade 
do compressor é 100 kg/h. As transferências de calor nas linhas de conexão entre os elementos do 
condicionador são desprezadas. 
 a) Esboce em um diagrama Ph o ciclo proposto, indicando sua posição relativa à curva de 
saturação, com base no esquema apresentado na figura abaixo. 
 b) Calor transferido pelo compressor, em W. 
 c) Calor transferido pelo R-12 no condensador, em kW. 
 d) Capacidade de refrigeração, em BTU/h. 
 e) Eficiência de compressão. 
 f) Coeficiente de performance. 
CONDENSADOR
EVAPORADOR
1’
2
2’3
3
4
4 1
COMPRESSOR
DISPOSITIVO
DE
EXPANSÃO
QE
QC
Pm
 
CONTROLE TÉRMICO DE AMBIENTES 
DEMECP 5 
2.6) - Um sistema de refrigeração por compressão a vapor com uma capacidade frigorífica 
de 10 TR admite, na entrada do compressor, o R - 134a na forma de vapor superaquecido a 15°C, 4 
bar, enquanto na saída têm-se 12 bar. O processo de compressão pode ser modelado por 
 
pv1 01, constante:= 
 
Na saída do condensador a pressão é 11,6 bar e a temperatura é 44°C. O condensador é 
resfriado a água, que entra 20°C e sai a 30°C. A transferência de calor no exterior do condensador 
pode ser desprezada. Determine 
 a) a vazão mássica do refrigerante, em kg/s. 
 b) a potência de acionamento e a transferência de calor no compressor, ambas em W. 
 c) coeficiente de desempenho. 
 d) a vazão mássica da água de resfriamento, em kg/s. 
 
 
2.7) - Para uma instalação que utiliza R - 717 como fluido refrigerante e que tem uma 
capacidade de refrigeração de 30.000 Btu/h, prevê um ciclo conforme esquema mostrado abaixo. 
Considerar o superaquecimento útil e o rendimento adiabático de 80%. Determinar: 
 a) efeito frigorífico 
 b) potência mecânica 
c) calor total rejeitado 
 
C
C
o nd
en sa
d
or
Ev
a
p
or
a
d
or
1 2’
2’
3
3’
3’
4’
1
1’
4’
1 - g
g
 
 
 
 
2.8) Uma instalação frigorífica, conforme figura, que utiliza R – 717 como fluido 
refrigerante, supondo compressão isentrópica e título igual a 1 na admissão do compressor, 
apresenta as seguintes características: 
Carga térmica• QT 12000kcal
h
:=
Temperatura da câmara• tcamara 0C:=
Temperatura da água entrando no condensador• teágua 28C:=
Variação de temperatura entre câmara e evaporador: • ∆tce 5C:=
Variação de temperatura entre o R -717 condensando•
e da água saindo do condensador 
∆tca 7C:=
Vazão por TR utilizada para a condensação 3 gpm (galões por minuto) • V1 3gpm:= gpm 
CONTROLE TÉRMICO DE AMBIENTESDEMECP 6 
CÂMARA
 
 
 
 
CONTROLE TÉRMICO DE AMBIENTES 
DEMECP 7 
Determinar : 
a) Temperatura de descarga 
b) Coeficiente de performance 
c) Calor rejeitado no condensador 
d) Relação entre calor no condensador e carga térmica da câmara 
e) Trabalho gasto no compressor (compressão teórica) 
f) Mudando-se a bomba de água de condensação, a vazão passa a ser de 5 gpm por TR, nesse 
caso qual o novo valor do COP e a nova potência absorvida pelo compressor? 
g) Sem as considerações do ítem e, para se obter na câmara a temperatura de -20C, com a mesma 
carga térmica, quais os novos valores do COP e da potência do compressor? 
 
 
 
3. REFRIGERAÇÃO COM MÚLTIPLAS COMPRESSÃO 
 
3.1) Para a instalação frigorífica abaixo que utiliza R - 717 como fluido refrigerante , com 
uma potência frigorífica de 350 kW, com temperatura de condensação de 35C e temperatura de 
evaporação de - 30C , com subresfriamento intermediário de 5C. 
Calcular: 
 a) efeito frigorífico 
 b) efeito calorífico 
 c) efeitos mecânicos 
d) potências mecânicas 
 
 
 
CB
SL SL
4"
1 - g
g
3'4'
3 = 3'
21'2'1 - g1
CA
1 2
 
 
 
 
3.2) Para a instalação frigorífica abaixo que utiliza R -717 como fluido refrigerante, com as 
temperatura e as potências frigoríficas fornecidas, calcular: 
 a) efeitos frigoríficos 
 b) efeito calorífico 
 c) efeitos mecânicos 
 d) coeficiente de performance 
 e) potências mecânicas 
Dados :Tc = 35ºC, Ti = -15ºC, Te = -30ºC 
CONTROLE TÉRMICO DE AMBIENTES 
DEMECP 8 
T
CB
SL SL
4"
1 - g
g
3'4'
3 = 3'
21'2'1 - g - g1
1 - g - g
T
T
CA
E
1
2
i
2
2
2
C
 
 
 
 
 
 
4. COMPRESSORES 
 
 
4.1) Dados de catálogo para um compressor de seis cilindros, operando com R-22 a 29 rps, 
indicam uma capacidade de refrigeração de 96,4 kW e potencia de 28,9 kW para uma Te = 5ºC e 
uma Tc = 50ºC. O desempenho é baseado em 3ºC de subresfriamento do líquido e 8ºC de 
superaquecimento do gás de aspiração no compressor. O diâmetro do cilindro é de 67 mm e o 
percurso é de 57 mm. 
Calcule: 
a) A eficiência volumétrica de espaço nocivo se a fração é 4,8%. 
b) A eficiência efetiva. 
c) A eficiência de compressão. 
 
 
4.2) Calcule a velocidade periférica do rotor para comprimir vapores dos seguintes 
refrigerantes desde a condição de vapor saturado a 10ºC até a pressão correspondente a uma Tc = 
30ºC: (a) R-11 e (b) R-717. 
 
 
4.3) Um compressor de amônia com 5% de fração de espaço nocivo e uma taxa de 
deslocamento de 80 L/s, opera a uma Tc = 40ºC. Admitindo a eficiência volumétrica de espaço 
nocivo, determine a vazão de refrigerante para as Te de -10ºC e 10ºC. 
 
 
4.4) Um catálogo mostra uma capacidade de refrigeração de 115 kW para um compressor 
hermético de quatro cilindros, rotação de 29 rps e operando com R - 22 às temperaturas de 
evaporação e condensação de -4ºCe 40ºC. 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 8ºC de subresfriamento do líquido 
que deixa o condensador. Determine 
a) a eficiência volumétrica efetiva e 
b) a eficiência de compressão. 
 
 
CONTROLE TÉRMICO DE AMBIENTES 
DEMECP 9 
4.5) Um compressor com taxa de deslocamento de 60 L/s opera em um sistema de 
refrigeração que mantém a Tc constante de 30ºC, com R-22. Calcule e faça um gráfico da potência 
para as Te de -20, -10, 0, 10 e 20ºC. Use as eficiências volumétricas efetivas da Figura abaixo e os 
seguintes trabalhos de compressão isentrópica para as cinco Te 39,9; 30,2; 21,5; 13,7 e 6,5 kJ/kg, 
respectivamente. 
 
 
 
 
4.6) Um condicionador de ar de automóvel, trabalhando com R-12, apresenta um 
condicionador total de ar do condensador, de modo que a pressão de condensação se eleva até que a 
eficiência volumétrica caia até zero. Extrapole a curva de eficiência volumétrica da fig. do exercício 
anterior até zero e estime a máxima pressão de descarga, admitindo que a temperatura de 
evaporação seja de 0ºC. 
 
 
4.7) Determinar a taxa de deslocamento máxima de um compressor de duas palhetas, cujos 
cilindros e rotor apresentam diâmetro de 190 mm e 170 mm. O cilindro tem um comprimento de 80 
mm. A rotação é de 29 rps. 
 
 
4.8) Um compressor centrífugo de dois estágios, operando a 60 rps, deve comprimir R-11 
desde uma Te de 4ºC até uma Tc de 35ºC. Qual deve ser o diâmetro dos rotores, admitindo que eles 
sejam iguais? 
 
 
4.9) Um compressor centrífugo, operando a 60 rps, deve comprimir R-717 desde uma Te de 
4ºC até uma Tc de 35ºC. Quantos estágios podem ser utilizados e qual deve ser o diâmetro dos 
rotores, admitindo que eles sejam iguais? 
 
 
 
 
CONTROLE TÉRMICO DE AMBIENTES 
DEMECP 10 
RESPOSTAS 
 
1. REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE GÁS. 
1.1. (a) 1,7; (b) 45%; (c) 0,034 m³/s; (d) 104,2 kJ/kg 
1.2. (a) 1,7; (b) 30%; (c) 0,027 m³/s; (d) 132,6 kJ/kg 
1.3. (a) 0,45; (b) 7,8%; (c) 0,04 m³/s; (d) 88,16 kJ/k 
 
2. REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE VAPOR 
2.1. (a) 2,208 kW; (b) 3,632 TR; (c) 5,8 
2.2. (a) 3 kW; (b) 3,3 TR; (c) 3,86 
2.3. (a) 3,75 kW; (b) 3,4 TR; (c) 3,2 
2.4. (a) 
4
1
2
3
T
s 
 
 (b) 0,049 kg/s; (c) 1,66 m³/s. O superaquecimento é utilizado para evitar que refrigerante na 
fase líquida seja admitido no compressor, mesmo que em pequenas quantidades. A admissão de 
líquido pelo compressor pode causar falhas mecânicas como quebra de válvulas e erosão em 
pás, assim como promover a diluição do óleo de lubrificação; (d) Destruição da camada de 
Ozônio. Efeito estufa - Aquecimento Global. 
 
2.5. (a) 
h
P (bar)
12,0
11,8
11,6
2,0
1,8
1,6
115ºC
105ºC
38ºC
4ºC
-7ºC
2’
3
4 1 1’
 
 
CONTROLE TÉRMICO DE AMBIENTES 
DEMECP 11 
 (b) 85,75 W; (c) 4,92 kW; (d) 10751 BTU/h; (e) 0,91; (f) 1,77. 
2.6. (a) 0,024 kg/s; (b) 0,557 kW, 11,91 W; (c) 6,3; (d) 0,097 kg/s. 
2.7. (a) 1088,7 kJ/kg; (b) 2,92 kW; (c) 11,79 kW. 
2.8. (a) 99,14C; (b) 5,12; (c) 16,68 kW; (d) 0,84; (e) 2,72 kW; (f) 5,34; 2,63 kW; (g) 2,88; 4,84 
kW. 
 
3. REFRIGERAÇÃO COM MÚLTIPLAS COMPRESSÃO 
3.1. (a) 943,94 kJ/kg; (b) 1255,6 kJ/kg; (c) 159,7 kJ/kg, 151,9 kJ/kg; (d) 59,2 kW, 56,3 kW. 
3.2. 
 
4. COMPRESSORES 
4.1. (a) 90,1%; (b) 77,3%; (c) 68%. 
4.2. (a) 113,14 m/s; (b) 296,65 m/s. 
4.3. 0,37 kg/s. 
4.4. (a) 77,50%; (b) 70,85%. 
4.5. Potências 
Pmi
23.035
28.841
29.557
27.784
18.198
⎛⎜⎜⎜⎜⎜⎝
⎞
⎟⎟⎟
⎠
:=
 
 Gráfico 
Potência x Temperatura de Evaporação
15
17
19
21
23
25
27
29
31
33
35
-25 -15 -5 5 15 25
Temperatura de evaporação [ºC]
Po
tê
nc
ia
 [k
W
]
 
 
 
4.6. 5,31 x 103 kPa. 
4.7. 21,88 L/s. 
4.8. 0,71 m. 
4.9. Seis estágios, 1 m.