Aula 1 Sistemas de refrigeração por compressão a vapor

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1
2
Introdução
Máquinas Térmicas
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3
Máquinas Térmicas e o Segundo Princípio da 
Termodinâmica
Do ponto de vista da engenharia, talvez a 
aplicação mais importante dos conceitos 
deste capítulo seja a eficiência limitada das 
máquinas térmicas 
Um dispositivo muito útil para compreender 
a segunda lei da termodinâmica é a máquina 
térmica 
Uma máquina térmica é um dispositivo que 
converte energia interna em outras formas 
úteis de energia, tal como energia cinética 
A locomotiva a vapor obtém sua energia por 
meio da queima de madeira ou carvão
Locomotivas modernas utilizam óleo diesel 
em vez de madeira ou carvão
 
A energia gerada transforma água em vapor, 
que propulsiona a locomotiva 
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Máquina térmica
Em geral, uma máquina térmica faz com que alguma 
substância de trabalho realize processo(s) cíclico(s) 
durante os quais 
(1) calor é transferido de uma fonte a uma 
temperatura elevada 
(2) trabalho é feito pela máquina 
(3) calor é lançado pela máquina para uma 
fonte a uma temperatura mais baixa 
A máquina absorve calor Qq do reservatório quente, rejeita calor Qf para
o reservatório frio e realiza trabalho Wmáq
fq QQW −=máq
3
5
q
f
q
fq
q Q
Q
Q
QQ
Q
W
e −=
−
== 1máq
Rendimento da máquina térmica
0=−=∆ WQU máqlíq WWQ ==
Pelo Primeiro Princípio da termodinâmica
Área=Wmáq
0=∆U
“É impossível construir uma máquina 
térmica que, operando num ciclo, não 
produza nenhum efeito além da absorção de 
calor de um reservatório e da realização de 
uma quantidade igual de trabalho”
⇒
A formulação de Kelvin-Planck do 
Segundo Princípio da Termodinâmica
É impossível construir uma máquina que 
trabalhe com rendimento de 100%
6
Processos Reversíveis e Irreversíveis
Um processo reversível é aquele no qual o sistema pode retornar as suas 
condições iniciais pelo mesmo caminho e no qual cada ponto ao longo da 
trajetória é um estado de equilíbrio
Um processo que não satisfaça essas exigências é irreversível
A maioria dos processos naturais é irreversível
4
7
Se um processo real ocorrer muito lentamente, de tal forma que o sistema esteja 
sempre muito próximo do equilíbrio, esse processo pode ser considerado como 
reversível
Compressão isotérmica e reversível
Comprimir um gás muito lentamente ao deixar cair sobre o pistão sem 
atrito alguns grãos de areia 
Areia
Reservatório de calor
Cada grão de areia adicionado 
representa uma pequena mudança para 
um novo estado de equilíbrio 
O processo pode ser revertido pela 
lenta remoção dos grãos de areia do 
pistão
Exemplo
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Máquina de Carnot
Em 1824, um engenheiro francês chamado Sadi Carnot descreveu uma máquina 
teórica - Máquina de Carnot
http://www.cs.sbcc.net/~physics/flash/heatengines/Carnot%20cycle.html
(1) No processo A →→→→ B, o gás se expande 
isotermicamente quando em contato com 
um reservatório de calor a Tq
Ciclo de Carnot
A B
CD
(2) No processo B→→→→ C, o gás se expande 
adiabaticamente (Q = O)
(3) No processo C →→→→ D, o gás é 
comprimido isotermicamente durante o 
contato com o reservatório de calor a 
Tf< Tq
(4) No processo D →→→→ A, o gás é 
comprimido adiabaticamente
5
9
O trabalho líquido realizado Wmáq, é 
igual ao calor líquido recebido num 
ciclo. Observe que para o ciclo 
Diagrama PV para o ciclo de Carnot
fq QQ −
0=∆UNum ciclo
q
f
q
f
T
T
Q
Q
=
Carnot mostrou que Rendimento térmico da máquina de Carnot
q
f
C T
T
e −= 1
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Bombas de Calor e Refrigeradores
A bomba absorve o calor Qf
de um reservatório frio e 
rejeita o calor Qq para um 
reservatório quente. O 
trabalho realizado na bomba 
de calor é W
E se quisermos transferir calor do reservatório frio 
para o reservatório quente? 
Como esta não é a direção natural do fluxo, temos 
que realizar trabalho para fazer com que isso ocorra 
utilizando dispositivos como as bombas de calor e 
refrigeradores
W
Qq
==
 bomba a sobre realizado trabalho
quente ioreservatór o para sferidocalor tran
 CDD
Coeficiente de desempenho da bomba de calor
Bomba de calor
6
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É a máquina térmica de ciclo de Carnot funcionando ao 
contrário
Bomba de calor ideal
O coeficiente de máximo desempenho da bomba de calor
CDDCarnot (bomba de calor) = 
fq
q
 - TT
T
Refrigerador
CDD (refrigerador) = 
W
Q f
CDDCarnot (refrigerador) = 
fq
f
fq
f
TT
T
QQ
Q
−
=
−
O coeficiente de máximo desempenho do refrigerador 
Coeficiente de desempenho do refrigerador
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Os processos reais seguem um sentido preferencial
É o Segundo Princípio da Termodinâmica que determina as direções
em que ocorrem os fenômenos naturais.
Enunciado de Clausius da segunda Lei da 
Termodinâmica:
“O calor não flui espontaneamente de um corpo frio para 
um corpo quente” 
Formulação alternativa do segundo princípio da termodinâmica
Bomba de calor impossível
É impossível existir uma bomba de calor ou frigorífico 
(refrigerador) que absorve calor de um reservatório frio e 
transfere uma quantidade de calor equivalente para um 
reservatório quente sem a realização de trabalho. Isso viola 
a formulação do Segundo Princípio da Termodinâmica.
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Entropia
A variável de estado relacionada com o Segundo Princípio da Termodinâmica, é a 
entropia S
A ideia de entropia surgiu no seguimento de uma função criada pelo físico 
alemão Rudolf Clausius (1822-1888). Expressou a entropia em escala 
macroscópica pela primeira vez em 1865
q
q
f
f
T
Q
T
Q
=
q
f
q
f
T
T
Q
Q
=A partir da equação que descreve a máquina de Carnot
T
dQdS r=
Se dQr for o calor transferido quando o sistema segue uma trajetória reversível 
entre dois estados, a variação da entropia, independentemente da trajetória real 
seguida, é igual a 
Os sistemas isolados tendem à desordem e a entropia é uma medida dessa 
desordem
Obteve a relação a razão Q/T tem um significado especial 
∫=∆
f
i
r
T
dQSintegro dS
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Em 1887 Boltzmann definiu a entropia dum ponto de vista microscópico
Baixa entropia Alta entropia
WkS B ln≡
W é o número de microestados 
possíveis para o sistema 
Outra maneira de enunciar o segundo princípio da 
termodinâmica
Entropia e o Segundo Princípio da Termodinâmica
“A entropia do Universo aumenta em todos os processos 
naturais”
Exemplo de Microestados - posições que 
uma molécula pode ocupar no volume
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RefrigeraRefrigeraççãoão
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ConceitoConceito
�Refrigeração é um processo que consiste em 
retirar de um determinado ambiente, uma 
quantidade de calor, baixando sua temperatura. 
�Uma máquina térmica de refrigeração trabalha 
em um ciclo a exemplo de uma máquina 
térmica motora. 
�Os diagramas abaixo mostram esta 
comparação:
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ConceitoConceito
Ciclo de Refrigeração ou Ar Condicionado
Ciclo Motor
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ConceitoConceito
• Onde para o motor há geração de trabalho (W) no ciclo. 
• Já para um refrigerador há necessidade de fornecimento de 
trabalho (W) no ciclo. 
• Ambas as máquinas possuem um saldo do fluxo de calor sendo no 
refrigerador [(Q2) Qf → Qq (Q1)]: da fonte fria (T menor) para a 
fonte quente (T maior), representado pelo trabalho W. 
• Nomenclatura utilizada � q = da fonte quente; f = da fonte fria
• Quanto melhor for tratado o fluxo de calor (Q), melhor será a 
eficiência do refrigerador, e é dada pela equação:
 )Q– Q(
Q
 
fq
f
=ε
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ConceitoConceito
Mas, como é feita a troca de calor?
CONDUÇÃO – os metais são melhor condutores de calor que os 
líquidos e os gases;
CONVECÃO – consiste em um movimento (natural ou forçado) 
motivado pela diferença de densidade - o mais denso e frio desce e 
o menos denso e quente sobe – nos sólidos nãoé possível acontecer 
isso.
RADIAÇÃO – é a propagação de uma onda de calor (como a do sol). 
Qualquer fonte quente emite onda de calor que se propaga melhor 
quanto menos resistência ou obstáculo tiver em seu caminho. Como 
as ondas de energia, pode ser refletida ou absorvida. 
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ConceitoConceito
Ciclos de Refrigeração
•Refrigeração por compressão:
•É aquela onde o fluido refrigerante é vaporizado e 
condensado alternadamente, sendo a compressão 
realizada na fase de vapor. 
•Refrigeração em cascata:
•É a refrigeração que utiliza mais de um ciclo.
•Refrigeração a gás:
•O fluido refrigerante permanece na fase gasosa durante todo o 
ciclo.
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21
ConceitoConceito
Ciclos de Refrigeração
•Refrigeração por absorção:
•Os sistemas de refrigeração por absorção de vapores são ciclos de 
refrigeração operados a calor, onde um fluido secundário ou 
absorvente na fase líquida é responsável por absorver o fluido 
primário ou refrigerante, na forma de vapor. 
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ConceitoConceito
Ciclos de Refrigeração
•Refrigeração termoelétrica:
•É aquela onde refrigeração é produzida através da passagem de corrente elétrica
através de dois materiais dissimilares.
•O processo de obtenção de temperaturas abaixo do ambiente é baseado no efeito 
Peltier. Um par termoelétrico ao ser percorrido por uma corrente elétrica contínua, 
apresenta uma junção quente e uma junção fria.
•Os pares termoelétricos utilizados em refrigeração são constituídos de um metal 
(Cobre) e um semicondutor (Telureto de Bismuto).
•A quantidade de calor absorvida na junção fria de um par termoelétrico é entretanto 
muito pequena, de modo que para que se tenha uma capacidade de refrigeração 
utilizável é necessário combinar vários pares termoelétricos formando um módulo 
termoelétrico.
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23
ConceitoConceito
Principio de Funcionamento
• O gás refrigerante sai do compressor 
no estado de vapor, a alta pressão e 
alta temperatura em direção ao 
condensador que tem a função de 
dissipar o calor (perder calor – Qq para 
fora das fronteiras do sistema). 
• Ao perder calor à pressão constante, 
o gás condensa (muda de fase) e 
segue em direção à válvula de 
expansão ou capilar. 
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ConceitoConceito
Principio de Funcionamento
• Lá chegando, a pressão do gás 
liquefeito é baixada novamente assim 
como a temperatura. 
• À medida que o gás ainda liquefeito 
(vapor de gás) caminha pelo evaporador 
que se encontra dentro do ambiente a 
ser refrigerado, absorve calor deste e 
evapora (mudança de fase). 
•Neste momento, o gás novamente 
retorna a seu estado natural e é sugado 
para dentro do compressor, iniciando um 
novo ciclo.
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ConceitoConceito
Principio de Funcionamento
26
ConceitoConceito
Principio de Funcionamento
Coeficiente de Performance – COP
(Ou eficiência de uma máquina de 
refrigeração - ε) �
COP refrigerador = Q2/W = 
Q2/(Q1 - Q2 )
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ConceitoConceito
Principio de Funcionamento
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ConceitoConceito
Partes Constituintes
• CONDENSADOR:
•É um trocador de calor que efetua a troca térmica entre o 
refrigerante e a vizinhança utilizando água ou ar (vizinho). 
•Quando usa o ar para retirar o calor do refrigerante, 
normalmente o faz usando ventiladores que aumentam a troca 
térmica (por exemplo – radiador dos automóveis). 
•Quando a água é usada, vários sistemas podem ser utilizados 
sendo que o mais comum na refrigeração é a torre de 
resfriamento.
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29
ConceitoConceito
•CONDENSADOR:
Partes Constituintes
30
ConceitoConceito
• EVAPORADOR:
•É um trocador de calor utilizado para retirar (absorver) calor do
ambiente a ser refrigerado. 
•Normalmente é utilizado um radiador com o ar forçado por 
ventilador. 
•Estando o evaporador muito mais frio que o ambiente, este 
cede calor, baixando sua temperatura. 
•Por convecção (o ar mais quente sobe e o mais frio desce) o 
ambiente vai sendo refrigerado.
Partes Constituintes
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31
ConceitoConceito
•EVAPORADOR:
Partes Constituintes
32
ConceitoConceito
•VÁLVULA DE EXPANSÃO:
Partes Constituintes
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33
ConceitoConceito
Partes Constituintes
•COMPRESSORES:
Alternativo; 
Scroll; 
Centrifugo; 
Diafragma. 
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ConceitoConceito
Gases Refrigerantes
• Amônia (NH3):
•Possui cheiro irritante, é empregado em sistemas de absorção 
na refrigeração industrial.
• Gás carbônico (CO2):
•É o gás expelido pelos nossos pulmões. 
•Devido a seu ponto de ebulição extremamente baixo, necessita 
de alta pressão na compressão.
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35
ConceitoConceito
Gases Refrigerantes
• Freon® 12 e 22:
•É um gás a base de cloro-fluor-carbono (CFC) e que muito se 
aproxima do refrigerante ideal, porém, agride a camada de ozônio 
se liberado na atmosfera. 
• O mais utilizado até hoje é o R22 apesar de já existir protocolo 
internacional (1985 Convenção de Viena e 1987 Protocolo de 
Montreal – jan./2010 Fim da produção de CFC’s em paises como o 
Brasil) para substituição gradual do Freon® por outros gases menos 
agressivos à atmosfera como os HCFC e R404A, R507 e R134A da 
DuPont.
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ConceitoConceito
Gases Refrigerantes
376216163Entalpia vaporização a 25 ºC [kJ/kg]
58107124Pressão vapor a 25 ºC [kPa]
60013701470Densidade a 25 ºC [kg/m3]
3.654.074.01Pressão Critica [MPa]
408374388Temperatura Crítica [K]
261.5246.6243.2Temperatura ebulição [K]
0.0580.1020.121Massa molar [kg/mol]
Iso-butano, 
(CH3)3CH
1,1,1,2-Tetrafluoro-etano, 
CF3CH2F
Dicloro-difluoro-
metano, CCl2F2
Nome, fórmula
R600aR134aR12Refrigerante
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ConceitoConceito
Gases Refrigerantes
Refrigeração
Climatização
Congelação
Refrigeração por absorção
- 30ºC
- 40ºC
- 46ºC
- 33ºC
Fréon 12 (R12)
Fréon 22 (R22)
Fréon 502 (R502)
Amoníaco
AplicaçãoT
vaporização
Substância
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ConceitoConceito
Mas a geladeira, como funciona?
• Ao expandirmos um gás, a pressão 
diminui e com isso sua temperatura 
também. 
• Em um tubo fino que passa dentro da 
geladeira, um gás é colocado, assim ele se 
expande e baixa sua pressão. 
• O gás tira o calor do interior da geladeira 
e um compressor, que está atrás dela, 
comprime o gás que se encontra numa 
câmara.
20
39
ConceitoConceito
Mas a geladeira, como funciona?
• Atrás da geladeira há uma tubulação, por 
onde passa o gás que está saindo dela, ele 
libera o calor para a atmosfera, e assim 
começa o processo todo outra vez. 
• Elas são máquinas térmicas que transferem 
calor de um sistema em menor temperatura 
para o meio exterior, que se encontra a uma 
temperatura mais elevada. 
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UnidadesUnidades
• O que é BTU?
• As iniciais querem dizer: Brithish Thermal Unit (Unidade Térmica 
Britânica). 
• Trata-se da unidade de medida utilizada para refrigeração e que 
corresponde à capacidade de refrigeração que o condicionador de ar deve 
demandar para garantir o conforto do seu ambiente.
• O que é TR?
• É uma unidade de medida para carga térmica comumente utilizada para 
equipamentos a partir de 60.000 BTU/h. 
• Quer dizer Tonelada de Refrigeração. 1 TR = 12.000 BTU/h.
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Conceitos Fundamentais
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•••• Propriedades termodinâmicas
•••• Estado termodinâmico
•••• Processo
•••• Ciclo
•••• Substância Pura
•••• Temperatura de saturação
•••• Líquido Saturado
•••• Líquido Sub-resfriado
•••• Título (x) 
•••• Vapor Saturado
•••• Vapor Superaquecido
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Definições
•••• Propriedades termodinâmicas
São características macroscópicas de um sistema, como: 
volume, massa, temperatura, pressão etc.
•••• Estado termodinâmico
Pode ser entendido como sendo a condição em que se 
encontra a substância, sendo caracterizado pelas suas 
propriedades.
•••• Processo
É uma mudança de estado de um sistema. O processo 
representa qualquermudança nas propriedades da 
substância.
•••• Ciclo
É um processo, ou mais especificamente uma série de 
processos, onde o estado inicial e o estado final do 
sistema (substância) coincidem.
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P
RECIPIENTE
Líquido
Definições
•••• Substância Pura
É qualquer substância que tenha composição química 
invariável e homogênea. Ela pode existir em mais de uma 
fase (sólida, líquida e gasosa), mas a sua composição 
química é a mesma em qualquer das fases.
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45
Definições
Estados de uma Substância Pura
Líquido
P
T
Líquido Subresfriado
T < TSAT
Líquido Saturado
T = TSAT
Título x = 0
P
Líquido
Vapor Úmido
T = TSAT
0 < x < 1
Líquido
Vapor
P
Vapor 
Saturado
P
Vapor Saturado
T = TSAT
x = 1
Vapor 
Superaq.
P
Vapor Superaquecido
T > TSAT
Gás
T >>>> TSAT
Gás
P
Líquido
P
T
Líquido Subresfriado
T < TSAT
Líquido
P
LíquidoLíquido
PPP
TT
Líquido Subresfriado
T < TSAT
Líquido Saturado
T = TSAT
Título x = 0
P
Líquido
Líquido Saturado
T = TSAT
Título x = 0
P
Líquido
PP
Líquido
Vapor Úmido
T = TSAT
0 < x < 1
Líquido
Vapor
P
Vapor Úmido
T = TSAT
0 < x < 1
Líquido
Vapor
P
LíquidoLíquido
Vapor
P
VaporVapor
PP
Vapor 
Saturado
P
Vapor Saturado
T = TSAT
x = 1
Vapor 
Saturado
P
Vapor 
Saturado
P
Vapor Saturado
T = TSAT
x = 1
Vapor 
Superaq.
P
Vapor Superaquecido
T > TSAT
Vapor 
Superaq.
P
Vapor 
Superaq.
P
Vapor Superaquecido
T > TSAT
Gás
T >>>> TSAT
Gás
P
Gás
T >>>> TSAT
Gás
P
Gás
P
Gás
P
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Definições
•••• Substância Pura
•••• Temperatura de saturação
•••• Líquido Saturado
•••• Líquido Sub-resfriado
•••• Título (x) 
•••• Vapor Saturado
•••• Vapor Superaquecido
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Propriedades Termodinâmicas de uma Substância
•••• Energia Interna (u)
É a energia que a matéria possui devido ao movimento e/ou forças 
intermoleculares. Esta forma de energia pode ser decomposta em duas 
partes:
-Energia cinética interna ⇒⇒⇒⇒ relacionada à velocidade das 
moléculas;
-Energia potencial interna ⇒⇒⇒⇒ relacionada às forças de atração entre 
as moléculas.
•••• Entalpia (h)
•••• Entropia (s)
Esta propriedade termodinâmica representa, segundo alguns autores, 
uma medida da desordem molecular da substância ou, segundo outros, a 
medida da probabilidade de ocorrência de um dado estado da 
substância. 
•••• Volume Específico v = V / m
vpuh +=
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Equações de Estado
•••• Relação matemática que correlaciona:
Pressão , Temperatura e Volume Específico
(Sistema em equilíbrio termodinâmico.)
•••• Equação dos Gases Ideais
•••• Refrigerantes compostos de hidrocarbonetos fluorados
Pv RT=
25
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Tabelas de Propriedades Termodinâmicas dos Fluidos 
Frigoríficos
50
Tabelas de Propriedades Termodinâmicas dos Fluidos 
Frigoríficos
Na região de Líquido + vapor pode-se determinar as 
propriedades dos fluidos conhecendo-se o título (x), através 
das seguintes equações:
( )l v lu u x u u= + −
( )l v lv v x v v= + −
( )l v lh h x h h= + −
( )l v ls s s s s= + −
26
51
Tabelas de Propriedades Termodinâmicas dos Fluidos 
Frigoríficos
52
Diagramas de MOLLIER para Fluidos Refrigerantes
Temperatura
Pressão
En
ta
lp
ia
Tí
tu
lo
En
tro
pi
a
Volum
e espe
cífico
27
53
Sistema Fechado
Primeira Lei da Termodinâmica
(Princípio da conservação de energia)
Sistema Aberto
(Volume de controle)
54
Primeira Lei da Termodinâmica
vc
ent sai
EE E
t
∆
= +
∆∑ ∑
& &
2
c
VE m
2
= pE mgz= h u p v= +
2 2
ent sai
V VQ m h g z m h g z W
2 2
   
+ + + = + + +   
   
   
∑ ∑ ∑ ∑& && &
TrabalhoCalorEntalpiaEnergia Potencial
Energia 
Cinética
Q& W&
28
55
Calor Sensível x Calor Latente
• Calor Sensível: associado à variação de temperatura
TcmQ psen ∆= &&
cp da água líquida ≅≅≅≅ 4,20 kJ/kg.ºC (1,0 kcal/kg.ºC)
• Calor Latente: associado à mudança de fase
latlat hmQ && =
Líquido-vapor => Calor latente de vaporização 
água ≅≅≅≅ 2500 kJ/kg (600 kcal/kg)
Líquido-Sólido => Calor latente de solidificação
água ≅≅≅≅ 340 kJ/kg (80 kcal/kg)
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Ciclos de Refrigeração por 
Compressão de Vapor
29
57
Ciclos de Refrigeração por Compressão de Vapor
O objetivo de um sistema de refrigeração é o de manter uma região fria com uma 
temperatura inferior àquela de suas vizinhanças. Em geral, isso é feito com sistemas 
de refrigeração a vapor.
Analisando Sistemas de Refrigeração por Compressão de Vapor
1- À medida que o refrigerante passa pelo 
evaporador, a transferência de calor do espaço 
refrigerado resulta na evaporação do 
refrigerante. A taxa de transferência de calor 
por unidade de massa de refrigeração é:
41 hh
m
Qent
−=
&
&
também, é chamada de 
capacidade frigorífica
No SI - kW; No Sistema Inglês: Btu/h
Outra unidade para a capacidade frigorífica é a 
tonelada de refrigeração = 200 Btu/min=211 kJ/min.
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2- O refrigerante que deixa o evaporador é
comprimido pelo compressor até uma pressão e 
uma temperatura relativamente altas. Então a 
potência de alimentação por unidade de massa 
do compressor é:
Ciclos de Refrigeração por Compressão de Vapor
Analisando Sistemas de Refrigeração por Compressão de Vapor
12 hh
m
Wc
−=
&
&
3- O refrigerante passa pelo condensador, onde 
se condensa e ocorre uma transferência de calor 
do refrigerante para as vizinhanças que estão 
mais frias. Então, a taxa de transferência de calor 
por unidade de massa de refrigerante é:
32 hh
m
Qsai
−=
&
&
30
59
4- O refrigerante no estado 3 entra na válvula de 
expansão e se expande até a pressão do 
evaporador. Esse processo é modelado como um 
processo de estrangulamento, para o qual h4 = h3. 
A pressão do refrigerante decresce na expansão 
adiabática irreversível, e há um correspondente 
aumento na entropia específica. O refrigerante 
sai da válvula no estado 4 como uma mistura de 
duas fases líquido-vapor.
Ciclos de Refrigeração por Compressão de Vapor
Analisando Sistemas de Refrigeração por Compressão de Vapor
O coeficiente de desempenho do sistema de 
compressão de vapor é:
12
41
hh
hh
mW
mQ
c
ent
−
−
==
&&
&&β
60
Se as irreversibilidades no evaporador e no condensador forem ignoradas, não existe 
queda de pressão por atrito e o refrigerante escoa com pressão constante ao longo 
dos dois trocadores de calor. Se a compressão ocorrer sem irreversibilidades e a 
transferência de calor perdida para as vizinhanças for também ignorada, o processo 
de compressão será isentrópico. Abaixo segue esse ciclo:
Ciclos de Refrigeração por Compressão de Vapor
Analisando Sistemas de Refrigeração por Compressão de Vapor
Processo 1-2s: compressão isentrópica do 
refrigerante do estado 1 até a pressão do 
condensador no estado 2s;
Processo 2s-3: transferência de calor do refrigerante, 
à medida que ele escoa com pressão constante ao 
longo do condensador. O refrigerante sai como 
líquido no estado 3;
Processo 3-4: processo de estrangulamento do estado 
3 até uma mistura de duas fases líquido-vapor em 4;
Processo 4-1: transferência de calor para o 
refrigerante, à medida que ele escoa com pressão 
constante ao longo do evaporador para completar o 
ciclo.
31
61
Dispositivo de 
Expansão
Evaporador
Condensador
Compressor
QC
QO
WC
Sistema de Refrigeração por 
Compressão de Vapor
62
Porta
Ar Externo
Dispositivo de 
Expansão
Evaporador
Condensador
Compressor
32
63
Porta
Dispositivo
de Expansão
Evaporador
Condensador
Compressor
WC
Bomba
64
Ar
Externo
VentiladorDispositivo
de Expansão
Evaporador
Condensador
Compressor
WC
33
65
Ciclo de Refrigeração por Compressão de Vapor
66
Ciclo Teórico de Refrigeração por Compressão de Vapor
34
67
Ciclo Real de Refrigeração por Compressão de Vapor 
68
Balanço de Energia para o Ciclo
Aplicação da Primeira lei da Termodinâmica para cada 
Componente do Sistema
2 2
ent sai
V VQ m h g z m h g z W
2 2
   
+ + + = + + +   
   
   
∑ ∑ ∑ ∑& && &
35
69
Balanço de Energia para o Ciclo
Evaporador
o f 1 4Q m (h h )= −= −= −= −&&&& &&&&
70
Compressor c f 2 1W m (h h )= −= −= −= −&&&& &&&&
Balanço de Energia para o Ciclo
36
71
Condensador c f 2 3Q m (h h )= −= −= −= −&&&& &&&&
Balanço de Energia para o Ciclo
72
Dispositivo de Expansão 3 4h h====
Balanço de Energia para o Ciclo
37
73
Evaporador...........................
Compressor..........................
Condensador........................
Dispositivo de Expansão.....
o f 1 4Q m (h h )= −= −= −= −&&&& &&&&
c f 2 1W m (h h )= −= −= −= −&&&& &&&&
c f 2 3Q m (h h )= −= −= −= −&&&& &&&&
3 4h h====
RESUMO:
Balanço de Energia para o Ciclo
74
Coeficiente de Performance do Ciclo - COP
Evaporador...........................
Compressor..........................
Condensador........................
Dispositivo de Expansão.....
o f 1 4Q m (h h )= −= −= −= −&&&& &&&&
c f 2 1W m (h h )= −= −= −= −&&&& &&&&
c f 2 3Q m (h h )= −= −= −= −&&&& &&&&
3 4h h====
o 1 4
2 1c
Q h hEnergia UtilCOP
Energia Gasta h hW
−−−−
= = == = == = == = =
−−−−
&&&&
&&&&
38
75
Bomba de Calor - COPB
+
= = = + = +
& & &&
& & &
c c o o
B
c c
Q W Q QCOP 1 1 COP
W W W
76
Parâmetros que Influenciam no COP do Ciclo de 
Refrigeração
→→→→ Influência da Temperatura de Vaporização
→→→→ Influência da Temperatura de Condensação
→→→→ Influência do Subresfriamento
→→→→ Influência do Superaquecimento Útil
39
77
Influência da Temperatura de Vaporização
78
-30.00 -20.00 -10.00 0.00 10.00
Temperatura de Vaporização, To, em Celsius
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
Co
e
fic
ie
n
te
 
de
 
Pe
rfo
rm
a
n
ce
,
 
C
.
O
.
P.
LEGENDA
R-717
R-134a
R-22
Tc = 40o C
Influência da Temperatura de Vaporização
40
79
Influência da Temperatura de Condensação
80
30.0 40.0 50.0 60.0
Temperatura de Condensação, Tc , em Celsius
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
Co
ef
ic
ie
n
te
 
de
 
Pe
rfo
rm
an
ce
,
 
C.
O
.
P.
LEGENDA
R-717
R-134a
R-22
To = - 10 Co
Influência da Temperatura de Condensação
41
81
Influência do Subresfriamento
82
Influência do Subresfriamento
0.0 4.0 8.0 12.0 16.0
Sub-Resfriamento, , em Celsius
3.0
3.2
3.4
3.6
3.8
4.0
4.2
4.4
Co
ef
ic
ie
n
te
 
de
 
Pe
rfo
rm
an
ce
,
 
 
C.
O
.
P
∆Tsr
Legenda
R-717
R-134a
R-22
Tc = 45 C
To = - 10 C
o
o
42
83
Influência do Superaquecimento Útil 
84
Influência do Superaquecimento Útil 
0.0 4.0 8.0 12.0 16.0 20.0
Superaquecimento Útil, , em Celsius
3.50
3.60
3.70
3.80
3.90
Co
ef
ici
en
te
 
de
 
Pe
rfo
rm
a
n
ce
,
 
 
C.
O
.
P.
LEGENDA
R-717
R-134a
R-22
Tc = 45 C
To = - 10 Co
o
∆Tsa
43
85
Trocador de Calor Intermediário
86
Exercício: Refrigerante 134-a 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 26 oC. O vapor saturado entra no compressor a 0 oC e o líquido saturado 
deixa o condensador a 26 oC. A vazão mássica do refrigerante é 0,08 kg/s. Determine 
(a) a potência do compressor, em kW, (b) a capacidade frigorífica, em TR, (c) o 
coeficiente de desempenho e (d) o coeficiente de desempenho de um ciclo de 
refrigeração de Carnot operando entre as regiões quente e fria a 26 e 0 oC, 
respectivamente.
12 Ciclos de Refrigeração por Compressão de Vapor
44
87
Exercício 1: Refrigerante 134a
Ponto 1 => vapor saturado T=0 oC => h1=247,23 [kJ/kg] / s1=0,9190 [kJ/kg.K]
Ponto 2 => vapor super-aquecido / s2s=s1=0,9190 [kJ/kg.K] =>T2s≅30 oC => h2s=264,7 [kJ/kg]
T3=26 oC psat=6,853 bar
Ponto 3 => líquido saturado =>T3=26 oC => h3=85,75 [kJ/kg]
Ponto 4 => mistura líquido/vapor =>T4=0 oC => h4=85,75 [kJ/kg] => x= 0,24
]s/kg[08,0m =&
88
= 0,08(264,7 - 247,23)=0,08x17,47=1,39 [kW]=1,9 CV
β =12,91 / 1,39 = 9,24 
)hh(mW 12c −= &&
)hh(mQ 41entra −= && = 0,08(247,23-85,75)=0,08x161,48=12,91 [kW]
βMÁX = 273 / (299 – 273) = 10,5