Módulo 6 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 multiestágio com resfriamento 
utilizando o refrigerante R134a como fluido de trabalho. O refrigerante 
R134a entra no compressor a -30 C e é comprimido isentropicamente até 
4 bar no primeiro estágio de compressão. Líquido saturado a 4 bar deixa 
o trocador de calor intermediário e é comprimido isentropicamente até 
12 bar no segundo estágio de compressão. 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: a relação entre as vazões mássicas é dada pela equação:
��
��
� 1 − ��
�� �
�� − ��
�� − ��
� 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
�� �
�� − ��
�� − ��
� 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
�� � 1 − �� �� � ����
�� � 1 − 0,285 260,62
 !
 "
� 0,285 252,3
 !
 "
�� � 258,27
 !
 "
�� �
�� − ��
�� − ��
� 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
	
� � �� �� − ��
(a) Potência de acionamento de cada 
compressor, em kW
	
� � � �% − ��
Será necessário desenvolver os cálculos 
dos fluxos de massa
�&� � �� �� − �'
�� �
�&�
�� − �'
�
10()
229,14 − 62 !/-"
211 !/�./
1()
	
1	�./
601
�� � 0,21 "/1
��
��
� 1 − �� �� �
��
1 − �� 
� 0,293kg/s→
	
� � �� �� − ��
	
� � � �% − ��
Nesse momento procederemos aos 
cálculos da potência de acionamento de 
cada compressor
	
� � 0,21
 "
1
260,6 − 229,14
 !
 "
	
� � 6,6 	
	
� � 0,293
 "
1
281,7 − 258,3
 !
 "
	
� � 6,9 	
(b) Coeficiente de desempenho global
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�
� �
10() 
56,6 � 6,96
 !
 "
 
211 !/�./
1()
	
1	�./
601
� � 3,03