CICLO DE REFRIGERAÇÃO ATUAL

Prévia do material em texto

1 
 
 
 
 
 
 
Professor Coordenador: 
 
Gilberto Ieno 
 
Professores da disciplina: 
 
Alfredo Alvin 
Cleber William Gomes 
Francisco Lameiras 
Gilberto Ieno 
Isabela Batista 
Hugo Lagreca 
José Luis Alves de Lima 
Mauricio Trielli 
Reinaldo Rossetti 
Rodrigo Bernardello 
Silvia Velázquez 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2 
 
6 - CICLO DE REFRIGERAÇÃO 
 
 
Teoria 
 
 Mostrar a relação entre a Segunda Lei da Termodinâmica e o ciclo de 
refrigeração ideal. Definir os coeficientes de eficácia da máquina de 
refrigeração e da bomba de calor. Rendimento do compressor e potência real. 
Carga térmica e condensador. Diagrama txs e pxh para fluidos refrigerantes. 
 
 
Exercícios 
 
 
Ex. 6.1 - Um ciclo de refrigeração tem uma carga térmica ( fluxo de calor do 
evaporador) de 3.192 kcal/h, funcionando com coeficiente de eficácia de 
1,52, calculado com a potência real do compressor. O rendimento do 
compressor é de 70 % e a entalpia teórica na sua saída é 42,35 kcal/kg. A 
vazão do fluido refrigerante é 200 kg/h. Pede-se: 
 
a) - Representar o diagrama p,h da instalação, incluindo o estado real na 
saída do compressor. Adotar o estado (1) na entrada da válvula de expansão 
com título zero e o estado (3) na saída do evaporador com título de 100%. 
b) - Calcular as entalpias na entrada e na saída do compressor real e indicar 
no diagrama p,h. 
c) - Calcular o fluxo de calor do condensador e o coeficiente de eficácia do 
sistema, funcionando como bomba de calor, utilizando a condição real do 
compressor. 
Resposta: 
h3 = 35kcal/kg h4R = 45,5 kcal/kg 
β’ = 2,52 QCD = 5.292 kcal/h 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
h 
p 
1 
3 
 
Ex. 6.2 - Um ciclo de refrigeração ideal funciona com um coeficiente de 
desempenho de 1,4 e o compressor tem a potência de 
1.000 kcal/h. O evaporador é utilizado para resfriar a água do ambiente de 
280C para 140C. O calor do condensador eleva a temperatura de uma outra 
quantidade de água de 280C para 400C. Em seguida, as duas quantidades de 
água são misturadas resultando uma única temperatura. Calcular as vazões de 
água e a temperatura final desta mistura. 
Ca = 1,0 kcal/kg/
0C 
Resposta: M1 = 100kg/h M2 = 200 kg/h tF = 31,3
0C 
 
 
Ex. 6.3 - Em um sistema de refrigeração ideal, a diferença entre os fluxos 
do condensador e do evaporador é 2.000 kcal/h. A entalpia na entrada do 
compressor é 35 kcal/kg e o vapor se encontra no estado saturado seco. 
Quando funciona em condições reais, o rendimento do compressor é 50%. 
Completar o diagrama p,h, indicando os valores de h3 , h4T e h4R 
O fluxo de fluido refrigerante é de 200 kg/h. 
Resposta: h3 = 35 kcal/kg h4T = 45 kcal/kg h4R = 55 kcal/kg 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ex. 6.4 - Uma máquina de refrigeração foi instalada dentro de uma sala e 
funciona com um fluido refrigerante cujas entalpias estão representadas na 
figura abaixo, na situação ideal. Quando se utiliza a entalpia real do 
compressor, o calor retirado do condensador é 25% maior que o calculado 
com a entalpia ideal. Pede-se: Representar o diagrama p,h e calcular o 
rendimento do compressor, sabendo que o fluxo de fluido refrigerante é de 
1000 kg/h. 
Resposta: ηCP = 52,6% 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
h 
p 
1 
h 
p 
4 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ex. 6.5 - Um ambiente onde se encontra uma máquina de refrigeração tem 
100m3 de ar atmosférico de calor específico c = 0,24 kcal/kg.0C. Verifica-se 
que o ar sofre um aquecimento de 0,52
0
C por segundo. A porta da geladeira foi 
aberta, e verificou-se que a taxa de aquecimento do ambiente foi reduzida 
para 0,22 
0
C por segundo. 
Calcule o coeficiente de eficácia do sistema de refrigeração. 
Adotar a densidade do ar = 1,0 kg/m3 
Resposta: β = 1,36 
 
 
Ex. 6.6 - Na instalação de refrigeração da figura, a potência ideal do 
compressor é 2400 kcal/h e a vazão de fluido refrigerante é 240 kg/h. 
a) - Representar a instalação no diagrama ( p,h ) abaixo e calcular o fluxo de 
calor real que sai através do condensador. O rendimento do compressor é 
ɳCP = 50%. 
b) - Calcular o coeficiente de eficácia da instalação de refrigeração na situação 
real e o coeficiente de eficácia da bomba de calor na situação ideal. 
Resposta: QCD = 13.200 kcal/h βR = 1,75 β’ = 4,5 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
46 
56 
20 
20 
2 
 AR 
 
Condensador 
Evaporador 
 
 
 
 
 
 
Compressor 
1 
WC
P 
QE 
QC
D 
3 
4 
h 
p 
55 
 
 real 
20 
20 
2 
Condensador 
Evaporador 
 
 
 
 
 
 
Compressor 
1 
WC
P 
QE 
QC
D 
3 
4 
5 
 
Ex. 6.7 - A figura representa o condensador e o evaporador de uma 
máquina de refrigeração de um laboratório, na qual, durante uma hora, o 
sistema troca calor com a água do tanque, provocando um aquecimento de 
120C. O tanque tem 2.400 litros de água, cujo calor específico é 1,0 kcal/kg.0C 
e massa específica é 1,0 kg/litro. Admitir que o sistema seja isolado, sem 
perda de calor para o ambiente. 
Pede-se: 
a) - Calcular a potência teórica do compressor, sabendo que seu rendimento é 
60%. 1 kW = 860 kcal/h 
b) - Conhecendo o calor do evaporador QE = 46.080 kcal/h, calcular a vazão 
de fluido refrigerante que circula na instalação e a entalpia ideal na saída do 
compressor. Dados: h1 = h2 = 20 kca/kg h3 = 55 kcal/kg ηCP = 60% 
Resposta: 
WCP = 20 kW ( teórica ) 
MR = 1.316,6 kg/h 
h4T = 68,1 kcal/kg 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ex. 6.8 - A figura representa uma instalação de refrigeração de um 
laboratório, na qual, durante uma hora, o evaporador e o condensador trocam 
calor com a água do tanque. O tanque tem 1200 litros de água, cujo calor 
específico é 1,0 kcal/kg.0C e a massa específica é 1,0 kg/litro A potência 
teórica do compressor é de 48 kW e seu rendimento é de 60%. 
Pede-se: 
a) - Calcular a variação de temperatura da água. 1 kW = 860 kcal/h 
b) - O sistema é utilizado para o resfriamento de um fluxo de ar deverá sofrer 
uma variação de 150C em 30 minutos. Calcular: 
b1) - Vazão de fluido refrigerante. 
b2) - Massa de ar do ambiente. 
β = 2,3 ( utilizando as condições reais ) 
Dados: h1 = h2= 20 kca/kg h3 = 55 kcal/kg ηCP = 60% 
CPAR = 0,24 kcal/kg.
0C 1 kW = 860 kcal/h 
Resposta: 
Δt = 57,3
0C 
MR = 4.521 kg/h 
MAR = 21.998 kg/h 
 
 
 
 
2 
4 1 
3 
Evaporador 
 
 
 
 
 
 
QE 
Condensador 
QCD 
2 
4 1 
3 
Evaporador 
 
 
QE 
Condensador 
QCD 
6 
 
Ex. 6.9 - Uma máquina de refrigeração destina-se ao resfriamento do ar de 
uma sala, utilizando um compressor de potência de 2,778 kW, medida no 
seu eixo. O calor do condensador é utilizado para o aquecimento de uma 
piscina que contém 20.000 litros de água. Pede-se: 
a) - Calcular a entalpia na saída do compressor em condições reais e 
desenhar o diagrama da instalação indicando todas as entalpias. 
h3 = 460 kJ/kg h4 = 490 kJ/kg (ideal) x1 = 0,0 x3 = 1,0 ηCP = 60% 
b) - Calcular a massa de ar refrigerada por hora, entre 400C e 150C, 
conhecendo o calor específico do ar CPar = 1,1 kJ/kg.
0C e o coeficiente de 
eficácia do sistema de refrigeração: β = 3,3. 
c) - Calcular o tempo ( horas ) necessário para aquecer a piscina em 5
0
C, 
conhecendo o calorespecífico da água Ca = 4,3 kJ/kg.
0C e a sua 
densidade ρ = 1,0 kg/litro. 
Resposta: h2R = 510 kJ/kg mAR = 1.200 kg tempo: 10 horas 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ex. 6.10 - Uma máquina de refrigeração foi instalada em uma fábrica de 
gelo que utiliza o calor do condensador para o aquecimento do ar ambiente. 
São conhecidos o fluxo de refrigerante que circula no sistema, 
MR 2000 kg/h e as entalpias ideais em kcal/kg, representadas na figura. 
Pede-se: 
a) – Representar o diagrama p,h e calcular a entalpia real na saída do 
compressor e o seu rendimento, sabendo que a sua potência real é 
23,26 kW. 1 kW = 860 kcal/h 
b) - Calcular a massa de gelo produzido por hora, sabendo que o sistema 
utiliza a água a 300C, e o gelo é produzido a 00C e sua temperatura 
reduzida para – 200C 
Dados: Calor específico da água líquida Ca = 1,0 kcal/kg.
0C 
Calor específico do gelo: Cg = 0,5 kcal/kg.
0C 
Calor latente de formação do gelo: CL = 80 kcal/kg. 
c) - Calcular o tempo ( horas ) necessário para aquecer 120.000 kg de ar em 
400C, conhecendo seu calor específico: Car = 0,24 kcal /kg.
0C. Utilizar a 
entalpia real no estado 4. 
 
2 
 Piscina 
 Ar 
Condensador 
Evaporador 
 
 
 
 
 
 
Compressor 
1 
WC
P 
QE 
QC
D 
3 
4 
h 
p 
7 
 
Resposta: 
h2R = 52 kcal/kg ηCP = 60% 
mg = 3.000 kg 
tempo: 20h 34 min 12 s 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ex. 6.11 - Uma instalação de refrigeração opera em uma fábrica de gelo 
que funciona 12 horas por dia, produzindo 5.000 Kg de gelo a – 100C. A 
instalação utiliza a água do ambiente que se encontra a 200C, tanto na 
produção do gelo, quanto no condensador. Neste, a temperatura da água sofre 
um aquecimento de 250C, devido ao calor retirado do fluido refrigerante. Este 
entra na válvula de expansão no estado líquido saturado na pressão de 20 
Kgf/cm2 e sai dela na temperatura de -200C. Depois de passar pelo evaporador, 
ele entra no compressor no estado de vapor saturado. 
Pede-se: 
a) - Representar o ciclo de refrigeração no diagrama p,h e calcular a entalpia 
e a temperatura em cada ponto, na situação ideal. Resposta: 
h1 = 300 kJ/kg t1 = 68
0C h2 = 300 kJ/kg t2 = -10
0C 
h3 = 392 kJ/kg t3 = -10
0C h4T = 440 kJ/kg t4 T = 75
0C 
h4R = 452 kJ/kg t4R = 85
0
C 
 
b) - Utilizando o conceito de rendimento do compressor, calcular a entalpia e 
a temperatura real na sua saída. ηcp = 80% 
Resposta: h4R = 452 kJ/kg t4R = 85
0C 
 
c) - Desenhar a instalação, representando todas as temperaturas conhecidas. 
 
d) - Calcular a carga térmica do sistema de refrigeração, sendo conhecidos: 
Ca = 1,0 Kcal/Kg.
0C ( calor sensível da água ) 
Cg = 0,5 Kcal/Kg.
0C ( calor sensível do gelo ) 
CL = 80 Kcal/K ( calor latente de formação do gelo ) 
Adotar: 1 kW = 860 kcal/h 
Resposta: 50,75 kW 
 
e) - Calcular a vazão de fluido refrigerante que circula na instalação. 
Resposta: MR = 0,55 kg/s 
 
f) - Calcular a potência real do compressor. 
Resposta: WCP = 33 kW 
 
g) - Calcular o fluxo de calor utilizado no resfriamento e condensação do fluido 
refrigerante. 
Resposta: QE = 83,6 kW 
42 
48 
24 
24 
2 
 AR 
 GELO 
Condensador 
Evaporador 
 
 
 
 
 
 
Compressor 
1 
WC
P 
QE 
QC
D 
3
3 
4 
8 
 
h) - O condensador utiliza água para provocar o resfriamento e a 
condensação do fluido refrigerante. Calcular a vazão de água ( litro/s), sabendo 
que sua temperatura sofr um acréscimo de 200C. 
Resposta: Vazão = 0,8 L/s 
 
i) - Calcular os coeficientes de eficácia da máquina de refrigeração e da 
bomba de calor. 
Resposta: β = 1,537 β’ = 2,537 
 
 
Ex. 6.12 - Um sistema de resfriamento deverá ser utilizado para retirar o 
calor do ar atmosférico, utilizando a pressão de 2,0 MPa no condensador, e 
de 0,3 Mpa no evaporador. Admitindo-se que na saída do condensador o fluido 
refrigerante esteja no estado líquido saturado e que na saída do evaporador 
ele esteja no estado de vapor saturado, pede-se: 
a) - Calcular a entalpia teórica em cada ponto. 
Resposta: 
h1 = h2 = 300 kJ/kg h3 = 400 kJ/kg h4T = 440 kJ/kg 
 
b) - Calcular a vazão de fluido refrigerante que deverá circular no sistema, 
para resfriar 600 kg de ar atmosférico em 150C, durante meia hora, sabendo 
que o calor específico do ar é Cp = 1,1 kJ/kg.
0C 
Resposta: MR = 0,055 kg/s 
 
c) - A potência do compressor cujo rendimento é de 70%. 
Resposta: 3,14 kW 
 
d) - Fluxo de calor retirado pelo condensador, utilizando a entalpia real na 
saída do compressor. 
Resposta: 8,64 kW 
 
e) - Coeficiente de eficácia do sistema de refrigeração. 
Resposta: β = 1,75