Módulo 5 Ciclos de Refrigeração de Carnot

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CICLOS DE REFRIGERAÇÃO 
DE CARNOT
ENERGIA TÉRMICA
• Caracterizado pela inverso do Ciclo de Carnot de 
potência de Carnot 
• Caracterizado pela circulação contínua de um fluido 
refrigerante através de uma série de componentes.
• Todos os processos são internamente reversíveis
• Composto de 4 processos internamente reversíveis
→ Compressão adiabática
→ Rejeição de calor à T e P ctes
→ Expansão adiabática
→ Adição de calor a T e P ctes
CICLO DE REFRIGERAÇÃO DE CARNOT
adição de 
calor P=cte
adição de 
calor P=cte O refrigerante entra no evaporador (4) 
como uma mistura de duas fases: L + V
No evaporador parte do refrigerante muda de líquido para vapor em função da 
Transferência de calor
T e P se mantém constantes ao longo de todo o processo 4→1
CICLO DE REFRIGERAÇÃO DE CARNOT
compressão 
isentrópica
compressão 
isentrópica
adição de 
calor P=cte
adição de 
calor P=cte Etapa seguinte: fluido refrigerante é 
comprimido adiabáticamente 1→2 (vapor 
saturado)
CICLO DE REFRIGERAÇÃO DE CARNOT
Durante o processo a temperatura muda de TH para Tc e a pressão também aumenta
compressão 
isentrópica
rejeição de calor P=cte
(vapor → liq. sat)
rejeição de calor 
P=cte (vapor →
liq. sat)
compressão 
isentrópica
adição de 
calor P=cte
adição de 
calor P=cte No condensador o fluido refrigerante muda 
de vapor saturado para líquido saturado em 
função da transferência de calor
CICLO DE REFRIGERAÇÃO DE CARNOT
T e P se mantém constantes ao longo de todo o processo 2→3
compressão 
isentrópica
rejeição de calor P=cte
(vapor → liq. sat)
rejeição de calor 
P=cte (vapor →
liq. sat)
compressão 
isentrópica
adição de 
calor P=cte
adição de 
calor P=cte O refrigerante volta ao estado de entrada 
do evaporador através da expansão 
adiabática por uma turbina
CICLO DE REFRIGERAÇÃO DE CARNOT
3→4 ocorre diminuição da temperatura e pressão.
CICLO DE REFRIGERAÇÃO DE CARNOT
Ciclo de Refrigeração:
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��	1 � 2 � 3 � 4 � 1
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CICLO DE REFRIGERAÇÃO DE CARNOT
Bomba de calor:
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SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO POR 
COMPRESSÃO DO VAPOR
Sistemas de refrigeração 
mais comumente usados 
atualmente
3 processos reversíveis
1 processo Irreversível
(3 →4)
CICLO IDEAL COM COMPRESSÃO DE CARNOT
adição de 
calor P=cte
adição de 
calor P=cte
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&
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Qentra é a capacidade frigorífica
SI → kW
Sistema Inglês: BTU/h
1 tonelada frigorífica (TR) 
=200BTU/min ~ 211kJ/min
Passagem do refrigerante pelo evaporador
CICLO IDEAL COM COMPRESSÃO DE CARNOT
compressão 
isentrópicacompressão 
isentrópica
Refrigerante que deixa o evaporador é 
comprimido até uma P e T mais 
elevados (1 → 2s)
	
&
� '* � '(
Wentra/m é a taxa da potência de 
alimentação por unidade de massa de 
refrigerante
CICLO IDEAL COM COMPRESSÃO DE CARNOT
rejeição de calor P=cte
(vapor → liq. sat)
rejeição de calor 
P=cte (vapor →
liq. sat)
Passagem do refrigerante 
pelo condensador
����
&
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CICLO IDEAL COM COMPRESSÃO DE CARNOT
expansão 
na válvula a 
h=cte
expansão na 
válvula a h=cte
Passagem do refrigerante 
pela válvula de expansão
(processo de estrangulamento)
'+ � ')
Coeficiente de desempenho:
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'( � ') 
'* � '( 
CICLO IDEAL COM COMPRESSÃO DE CARNOT
EXEMPLO 1
Refrigerante R134a é o fluido de trabalho em um ciclo ideal de 
compressão de vapor que se comunica termicamente com uma 
região fria a 0 oC e com uma região quente a 26oC. Vapor saturado 
entra no compressor a 0 oC e líquido saturado deixa o evaporador a 
26oC. A vazão mássica do fluido refrigerante é 0,08kg/s. Determine:
(a) Potência do compressor, em kW
(b) Capacidade calorífica, em TR
(c) Coeficiente de desempenho 
Estado T
(oC)
P
(bar)
h
(kJ/Kg)
s
(kJ/Kg K)
1 0 247,23 0,9190
2s 6,85 264,70 0,9190
3 26 85,75
4 0 85,75
	
 � & '* �" � '(
(a) Potência do compressor, em kW
Estado T
(oC)
P
(bar)
h
(kJ/Kg)
s
(kJ/Kg K)
1 0 247,23 0,9190
2s 6,85 264,70 0,9190
3 26 6,85 85,75
4 0 85,75
	
 �
0,0801
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264,7 � 247,23
04
01 
	
 � 1,40	
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(b) Capacidade calorífica, em TR
Estado T
(oC)
P
(bar)
h
(kJ/Kg)
s
(kJ/Kg K)
1 0 247,23 0,9190
2s 6,85 264,70 0,9190
3 26 85,75
4 0 85,75
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0,0801
!
247,7 � 85,75
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01 
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(c) Coeficiente de desempenho
Estado T
(oC)
P
(bar)
h
(kJ/Kg)
s
(kJ/Kg K)
1 0 247,23 0,9190
2s 6,85 264,70 0,9190
3 26 85,75
4 0 85,75
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'* � '( 
� �
247,23 � 85,75
264,70 � 247,23
� 9,24
EXEMPLO 2
Considere um sistema de refrigeração resfriando a uma taxa de 
300 kJ/min em um ciclo ideal de vaporização- compressão com 
refrigerante R-134a. O refrigerante entra no compressor como 
vapor saturado a 140 kPa e é comprimido a 800 kPa. Mostre o ciclo 
em um diagrama T-s (com as linhas de saturação). Determine:
(a) o título do refrigerante na saída da válvula de expansão;
(b) o coeficiente de performance (COP) 
(c) a potência fornecida ao compressor.
Considerações:
- Regime permanente
- Compressão isentrópica no compressor
- Variações de energia cinética e 
potencial desprezíveis
P1 = 0.14 MPa x1 = 1.0
P2 = 0.8 MPa, s2 = s1 
P3 = 0.8 MPa
x3 = 0 
h4 = h3 (válvula 
de expansão)
EXEMPLO 3
Considerações:
- Regime permanente
- Compressão real no compressor
- Variações de energia cinética e 
potencial desprezíveis
Refrigerante R134a é o fluido de trabalho em um ciclo de 
compressão. Vapor saturado entra no compressor a -10 oC. Líquido 
saturado sai do condensador a pressão de 9 bar. Considere o fato 
de o compressor ter eficiência de 80%. Admita que a temperatura 
do líquido que deixa o condensador é 30oC. Determine:
(a) Potência do compressor, em kW
(b) Capacidade calorífica, em TR
(c) Coeficiente de desempenho 
(d) Taxa de destruição de exergia para To=298K
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