ciclos de refrigeração

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INTRODUÇÃO
	O ciclo de refrigeração é uma das vastas aplicações da termodinâmica, e ocorre num processo inverso do qual estamos habituados, ou seja, é a transferência de calor de um ambiente de baixa para alta temperatura. Mas esse processo inverso não pode ocorrer por si só para isso é necessário mecanismos que forneçam refrigeração conhecido como refrigeradores ou frigoríficos, que trabalham em ciclos de refrigeração.
Para um ciclo ser de refrigeração precisa no mínimo ter quatro elementos fundamentais, tais como: compressor, condensador, dispositivo de expansão e evaporador. Será possível observar que a bomba de calor e o ciclo de refrigeração são basicamente iguais, mas com objetivos diferentes, e veremos que ciclo de Carnot reverso é considerado o ciclo de refrigeração mais eficiente, mas não o modelo mais adequado por não ser de fácil aplicação pratica. Em seguida apresentaremos os principais ciclos de refrigeração: ciclo de refrigeração por compressão a vapor e ciclo de refrigeração a gás sendo os mais usados e conhecidos.
Este presente trabalho tem como objetivo evidenciar os ciclos de refrigeração apresentando os principais ciclos de maneira clara e sucinta.
1. CICLO DE REFRIGERAÇAO
Ciclos de Refrigeração: É um sistema térmico que continuamente transfere energia térmica (calor) de uma região de baixa temperatura para outra em alta temperatura. Como este fluxo contraria a tendência natural do calor, só é possível absorvendo trabalho externo.
	2. REFRIGERADORES E BOMBA DE CALOR
Por experiência sabemos que é natural o calor fluir de uma região com temperatura mais alta para uma região com temperatura mais baixa, uma sopa ou uma xicara de café irão esfriar naturalmente quando exposto ao ar ambiente o contrario não ocorre, e si quisermos transferir calor de um ambiente frio para um ambiente quente temos que realizar trabalho e para isso ocorrer é necessário o auxílio de dispositivos como refrigeradores e bomba de calor.
Os refrigeradores são aparatos cíclicos que para o seu funcionamento utiliza um fluido denominado refrigerante. Os sistemas de refrigeração geram esfriamento interior como freezers e ar condicionados. Historicamente o primeiro refrigerador com utilidade foi criado pelo engenheiro Americano Jacob Parkins em 1834, e utilizava como substancia refrigerante o dióxido sulfúrico que ferve e se condensa a baixas temperaturas. Hoje sabemos que a escolha da substancia depende da finalidade e do impacto ao meio ambiente.
O resfriamento ocorre através da troca de calor, como podemos ver esquematicamente Fig. 11–1a, na qual QL é a magnitude do calor removido do espaço refrigerado à temperatura TL, QH é a magnitude do calor rejeitado para o espaço aquecido à temperatura TH e Wliq, ent é a entrada de trabalho líquido no refrigerador.
 
A  bomba de calor  é uma máquina de transferência ou "bombear" o calor de um ambiente frio para um ambiente mais quente. Os refrigeradores e bombas de calor são basicamente iguais, mas o objetivo é diferente. O objetivo de um refrigerador é retirar calor de um ambiente frio para mantê-lo a uma temperatura baixa. o enjeitamento do calor para uma região de maior temperatura é apenas uma parte necessária, e não a sua finalidade. Já o objetivo de uma bomba de calor é manter um espaço aquecido a uma temperatura alta. Isso se dá quando o calor é absorvido de uma fonte a baixa temperatura (como a água de um poço ou o ar exterior frio do inverno) e liberado em um meio mais quente, como uma casa, por exemplo. (Fig. 11–1b).
O desempenho dos refrigeradores e das bombas de calor é quantificado em termos do coeficiente de performance (COP) 
 
Da 1ª Lei aplicada a um ciclo (ΔU=0): QH −QL =Wnet Assim, por definição:
Vantagem da Bomba de Calor sobre o Aquecimentoa Resistência Elétrica (Efeito Joule)(oque você instalaria em sua casa?)Como COPR é positivo, temos que COPHP > 1 Em um aquecedor a resistência, Wnet é totalmente convertido em QH por Efeito Joule(processo totalmente irreversível!)Com a bomba de calor, QH > Wnet (pois COPHP > 1).Em outras palavras, para um mesmo QH, o trabalho necessário para operara bomba de calor pode ser menor, reduzindo o consumo de energia!
3. CICLO DE CARNOT REVERSO
O ciclo de Carnot é um ciclo termodinâmico conhecido pela melhor eficiência possível. O ciclo de Carnot altera a energia disponível na forma de calor para produzir processos úteis adiabáticos (isotrópicos) e outros. A eficiência do motor de Carnot é uma menos a razão entre a temperatura do reservatório térmico quente e a temperatura do reservatório frio. O ciclo Carnot é conhecido por atingir a mais alta eficiência que qualquer ciclo ou motor pode alcançar. O ciclo de Carnot reverso é o ciclo de refrigeração que opera entre dois níveis especificados de temperatura. Assim, é natural considerá-lo a princípio como o ciclo ideal para refrigeradores e bombas de calor. Se pudéssemos, certamente adotaríamos esse como o ciclo ideal. Porém, como explicaremos a seguir, o ciclo de Carnot reverso não é um modelo adequado para os ciclos de refrigeração.
O ciclo de Carnot é um ciclo totalmente reversível que consiste em dois processos isotérmicos reversíveis e dois processos isentrópicos. Têm a máxima eficiência para um determinado limite de temperatura. Como é um ciclo reversível, todos os quatro processos podem ser revertidos. Isso irá inverter a direção do calor e das interações de trabalho, produzindo, portanto, um ciclo de refrigeração. O ciclo consiste em compressão de mistura de duas fases de 1-2 A expansão de 4-1 resulta em um refrigerante muito úmido, causando erosão das pás da turbina.
 
1-2: Transferência de calor isotérmico de meio frio para refrigerante (Evaporador)
2-3: compressão isentrópica (reversível adiabática)
3-4: Rejeição de calor isotérmico (condensador)
4-1: Expansão Isentrópica Dificuldades Práticas do Ciclo de Carnot
Os coeficientes de performance dos refrigeradores de Carnot e das bombas de calor são expressos pelas relações entre as temperaturas.
 
4. CICLO IDEAL DE REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE VAPOR
A transferência de calor de compartimentos de baixa temperatura para outros a temperaturas maiores é chamada de refrigeração. Equipamentos que produzem refrigeração são chamados de refrigeradores que operam segundo um ciclo frigorífico e o fluido de trabalho dos refrigeradores são os refrigerantes. Os refrigeradores utilizados com o propósito de aquecer um espaço fazendo uso do calor de um reservatório mais frio, são denominados bombas de calor.
Algumas das dificuldades associadas ao ciclo de carnot reverso podem ser eliminadas pela vaporização completa do refrigerante antes de sua compressão e pela substituição da turbina por um dispositivo de estrangulamento. O ciclo resultante é chamado de ciclo ideal por compressão de vapor. É um ciclo muito usado para refrigeradores, sistemas de condicionamento de ar e bombas de calor. Esse sistema consiste em quatro processos:
1. Compressão isentrópica em um compressor;
2. Rejeição de calor a uma pressão constante a um condensador;
3. Estrangulamento em um dispositivo de expansão;
4. Absorção de calor a uma pressão contratante em um evaporador;
No ciclo de refrigeração por compressão de vapor o refrigerante entra no compressor como vapor saturado e é comprimido de forma isentrópica até a pressão do condensador. A temperatura do refrigerante chega a ficar bem mais elevada que temperatura da vizinhança lodo depois o refrigerante entra no condensador como um vapor superaquecido e já que rejeitou calor para a vizinhança sai com um liquido saturado (a temperatura nesse estado ainda está acima da temperatura da vizinhança).Em seguida o refrigerante liquido saturado passa por uma válvula de expansão(ou tubo capilares), o mesmo é estrangulado até a pressão do evaporador. Durante esse processo a temperatura do refrigerante cai abaixo da temperatura do espaço a ser refrigerado, logo depois o refrigerante entra no evaporador como mistura saturada combaixa porcentagem de vapor e evapora completamente por conta do calor recebido do espaço refrigerado e por fim o refrigerante sai como vapor saturado entra no compressor, completando o ciclo.
http://www.ebah.com.br/content/ABAAAfwvIAE/condicionamento-ar-refrigeracao
O condensador e o evaporador não envolvem trabalho e o compressor pode ser aproximado como adiabático. Então os COPs dos refrigeradores e das bombas de calor que operam no ciclo por compressão de vapor podem ser expeço por:
 
5. CICLO REAL DE REFRIGERAÇÃO POR COMPREÇÃO DE VAPOR
 O ciclo real de refrigeração difere do ciclo padrão devido, principalmente, à presença de irreversibilidades que ocorrem em vários componentes. Duas formas comuns de irreversibilidades são: atrito no escoamento do refrigerante (perda de pressão) e transferência de calor entre o refrigerante e os seus ambientes, em todos os componentes. O processo de compressão real difere substancialmente da compressão isentrópica assumida no início. O fluido de trabalho não é uma substância pura, mas sim uma mistura entre refrigerante e óleo. Cada irreversibilidade no sistema requer trabalho adicional no compressor, diminuindo a eficiência do ciclo. Como citado anteriormente o refrigerante sai do evaporador e entra no compressor como vapor saturado. Na prática não é possível controlar o estado do refrigerante de modo preciso. É feito um sistema para deixar o refrigerante ligeiramente superaquecido na entrada do compressor para garantir que o refrigerante esteja totalmente vaporizado ao entrar no compressor. A linha que conecta o evaporador ao compressor em geral é muito longa causando assim queda de pressão por conta do atrito do fluido e pela transferência de calor da vizinhança para o refrigerante podendo ser uma perda significativa. No processo real de compressão envolve efeitos de atrito, o que aumenta a entropia e a transferência de calor, que pode aumentar ou diminuir a entropia, dependendo da direção. Há também uma queda de pressão que é inevitável no condensador, bem como nas linhas que conectam o condensador ao compressor e á válvula de expansão.
6. BOMBAS DE CALOR
 Bombas de calor são máquinas térmicas utilizadas no aquecimento de ambientes. Como é mostrado na figura abaixo, tanto as bombas de calor quanto os refrigeradores, o mesmo ciclo termodinâmico é percorrido. A diferença entre os dois diz respeito aos objetivos. Nos refrigeradores, o desejado é o resfriamento dos alimentos colocados dentro do ambiente frio. Para que isso ocorra, é necessário que energia da concessionária seja cedida ao fluido (ou substância) de trabalho para que ele possa circular, transferindo energia do ambiente interno para o ambiente externo. Por sua vez, as bombas de calor têm por objetivo o aquecimento dos ambientes quentes. Novamente, para que isso ocorra, é necessário que energia da concessionária seja cedida ao fluido de trabalho para que ele possa percorrer o ciclo termodinâmico e liberar energia retirada do ambiente externo (frio) para o ambiente interno quente. Essencialmente a mesma coisa.
 
 http://wbraga.usuarios.rdc.puc-rio.br/termo/termo/ciclos.htm
Um aspecto bastante importante, comum a todos os ciclos, é a questão da eficiência da conversão do que pagamos (preço do combustível nas máquinas de potência, custo da energia consumida nas máquinas refrigeradas e Bombas de Calor, etc). Em Termodinâmica, trabalhamos com diversos conceitos semelhantes. Neste momento do curso, podemos definir a eficiência de uma máquina produtora de potência útil como sendo a relação benefício / custo:
 
Para máquinas refrigeradoras, que têm por objetivo refrigerar ambientes retirando calor deles, e bombas de calor, que têm por objetivo aquecer ambientes fornecendo energia a eles, utilizamos outras definições, chamadas de coeficiente de performance, COP, em ambos os casos:
 
E para uma bomba de calor:
 
7. CICLOS DE REFRIGERAÇAO A GÁS
O ciclo de gás é um ciclo de refrigeração que utiliza um gás comprimido e expandido, todavia não tem nenhuma mudança de fase, é sua grande maioria o componentimente usado é o ar e como não existe condensação e evaporação num clico de gás os componentes correspondentes ao condensador e ao evaporador nunca ciclo de compressão de vapor são os permutadores de calor de gás quente e gás frio. O ciclo de gás é menos eficiente que o ciclo de compressão de vapor, uma vez que trabalha com base num ciclo Brayton inverso em vez de sobre um ciclo Rankine inverso. Como tal, o fluido não recebe nem rejeita calor a uma temperatura constante. No ciclo de gás, o efeito de refrigeração é igual ao produto do calor específico do gás e à subida de temperatura do gás no lado de baixa temperatura. Assim, para a mesma carga de arrefecimento, um ciclo de refrigeração a gás irá necessitar de um grande caudal mássico e será volumoso. Devido à sua menor eficiência e maior volume, os refrigeradores de ciclo de ar não são frequentemente aplicados em refrigeração terrestre. Contudo, a máquina de ciclo de ar é bastante comum em aviões comerciais a jato, uma vez que existe ar comprimido disponível, obtido nos módulos de compressão dos reatores. As unidades de arrefecimento e ventilação destes aviões a jato também servem para pressurizar a cabina.