Sistema de refrigeração e ciclos combinados.

Prévia do material em texto

Tópicos especiais ii
INSTITUTO POLITÉCNICO – Centro Universitário UNA
 ENGENHARIA MECÂNICA 
 Sistema de Refrigeração por Compressão de Vapor e Ciclos Combinados.	
 Alan Viegas Santana - 31427410
Fernando Henrique da Silva – 31222745
Flávio Ramos do Nascimento – 31313519
Igor de Souza Mota - 31317100
Lucas Cabral de Mello – 31325564
Marcelo Araújo dos Santos – 31719309
Maxsuel Bruno Silva Pereira – 31223895
Vagner Ribeiro de Lima - 313114567 
Professor: Anderson Geraldo Alves de Oliveira.
.
Introdução 
	O termo refrigeração é associativo a processos que retiram calor de um corpo, objetivando reduzir sua temperatura e o transferem para o meio vizinho ou outro corpo qualquer. Essa transferência de calor pode ocorrer de três formas distintas, combinadas ou isoladas, condução, convecção e irradiação. A refrigeração é um processo muito importante já que abrange vários setores, como na conservação de alimentos, medicamentos e ate mesmo em questões de bem estar.
A primeira lei da termodinâmica se relaciona com o princípio da conservação da energia. Isso quer dizer que a energia em um sistema não pode ser destruída nem criada, somente transformada.
A segunda lei da termodinâmica determina que não é possível que o calor se converta integralmente em outra forma de energia. Por esse motivo, o calor é considerado uma forma degradada de energia.
Leis da Termodinâmica:
Sistema de Refrigeração por Compressão a Vapor
A refrigeração por compressão de vapor é a mais usada no condicionamento de ar de ambientes, para resfriamento e congelamento de produtos e em equipamentos frigoríficos. Neste sistema o fluido refrigerante entra no evaporador a baixa pressão, na forma de mistura de líquido mais vapor, e retira energia do meio interno enquanto passa para o estado de vapor. O vapor entra no compressor onde é comprimido e bombeado, tornando-se vapor superaquecido e deslocando-se para o condensador, que tem a função de liberar a energia retirada do ambiente. O fluido, ao liberar energia, passa do estado de vapor superaquecido para líquido (condensação) e finalmente entra no dispositivo de expansão, onde tem sua pressão reduzida, para novamente ingressar no evaporador e repetir-se assim o ciclo (FERRAZ, 2008).
 Ciclo de Refrigeração por Compressão
É o ciclo termodinâmico dos refrigeradores e aparelhos de ar condicionado.
 Principais componentes:
 Compressor
 Condensador
 Dispositivo de Expansão
 Evaporador
Ciclo de Carnot
Ciclo ideal (reversível) é o modelo ideal para o ciclo de refrigeração operando entre duas temperaturas fixas ou entre dois fluidos a diferentes temperaturas e cada um com capacidade térmica infinita (duas bacias térmicas).
 Nenhum ciclo de refrigeração pode possuir um coeficiente de performance, COP, maior que o ciclo de Carnot, operando entre as mesmas temperaturas;
 
 
Irreversibilidades
	
Pela 1ª. Lei da Termodinâmica:
	 Balanço de energia nos dispositivos
Onde é a taxa de massa do refrigerante, é a taxa de calor e a taxa de trabalho cruzando as fronteiras do v.c. Nessa mesma equação, h é a entalpia, V a velocidade, z a altura e g a aceleração da gravidade
Hipóteses aplicadas ao balanço de energia
Assim:
 (5)
Para os dois trocadores de calor (condensador e evaporador):
 (6)
Para o compressor, considerando um processo isentrópico (temperatura constante) e adiabático (sem troca de calor):
 (7)
Para o processo de expansão, considerando a taxa de transferência de calor desprezível:
 (8)
A potência térmica dissipada no condensador:
 (9)
A taxa de deslocamento do compressor:
(10)
A potência mecânica do compressor, considerando um processo isentrópico (entropia constante):
(11)
Representação do nosso dia a dia:
Deseja-se utilizar um refrigerante 134a em um ciclo de compressão de vapor de ar condicionado em que o vapor saturado entra no compressor a 0° C e o líquido saturado deixa o condensador a 26º C. A vazão mássica do refrigerante é 0,08 kg/s, sabendo que a temperatura do compartimento frio é de 0° C e do compartimento quente é de 26º C.
 Determinar:
A potência do compressor em kW;
(b) A capacidade frigorífica em TR (tonelada de refrigeração. 1 TR = 3,517 kW);
(c) O COP;
(d) Verificar se os resultados encontrados estão de acordo com a 1ª Lei da Termodinâmica.
Aplicação do ciclo de Refrigeração Ideal
Inicialmente, é necessário conhecer o ciclo termodinâmico para o refrigerante em 
questão. Assim, são dados:
a) Potência do compressor:
 Entalpia na saída do compressor: h4 = 265,3 kJ/kg
 Entalpia na entrada do compressor: h3 = 247,2 kJ/kg
 Logo:
WC = 0,08 x (265,3 – 247,2) = 1,45 kW
b) Capacidade frigorífica: calor adicionado no evaporador (Q entra)
Entalpia na saída do evaporador: h3 = 247,2 kJ/kg
Entalpia na entrada do evaporador: h2 = 85,75 kJ/kg
 	Q entra = 0,08 x (247,2 – 85,75) = 12,92 kW
 Convertendo em TR
	Q entra = 3,67 TR
c) COP = Q entra / WC
 	COP = 12,92 / 1,45 
	 COP = 8,9
d) Verificar a 1ª Lei da Termodinâmica
De acordo com a 1ª Lei da Termodinâmica o total da energia que entra no
sistema deve ser igual ao total de energia que sai do mesmo. Assim, tem-se
Q evap + WC = Q cond
12,92 + 1,45 = (h4 – h1) x 0,08
14,36 = 14,36
 O líquido refrigerante R-134a entra no compressor de um refrigerador como vapor superaquecido a 0,14 MPa e -10°C com uma vazão de 0,05 kg/s e dele sai a 0,8 MPa e 50°C. O refrigerante é condensado até 26°C e 0,72 MPa e estrangulado até 0,15 MPa. Desprezando as trocas de calor e a queda de pressão nas linhas entre os componentes, determine:
Capacidade de refrigeração;
b) Potência fornecida ao compressor e sua ηc;
c) Calor (taxa) rejeitada ao ambiente externo;
d) COP do sistema.
Aplicação do ciclo de Refrigeração Real
Capacidade de refrigeração
 = 7,93 KW (aumentou pois há ΔT sub no condensador);
b) Potência de compressão e eficiência isentrópica
 = 2,02 KW 
c) Calor rejeitado
d) COP
Desvantagens:
Não é utilizado massivamente por causa do baixo coeficiente de desempenho COP.
Demanda um tempo maior pra entrar em regime permanente.
Necessidade de sistema complementar devido intervalo transiente.
Vantagens:
Grande facilidade de compactação.
Não apresenta partes móveis.
Não requerer lubrificação.
Baixo custo de operação.
Aproveitar energia barata.
Um ciclo combinado acopla dois ciclos de potência de modo que a energia descarregada através do calor de um dos ciclos é usada parcial ou completamente como fornecido ao outro ciclo.
Os ciclos de potência a vapor e a gás são combinados usando um gerador de vapor com recuperação de calor como interligação, que serve como caldeira do ciclo de potência a vapor.
O ciclo combinado possui a elevada temperatura média de adição da turbina a gás e a baixa temperatura média de rejeição de calor do ciclo de vapor e , portanto, uma eficiência media maior do que qualquer um dos ciclos teria individualmente. Para muitas aplicações os ciclos combinados são uma boa escolha, e estão sendo cada vez mais usados pelo mundo para geração de energia elétrica (termoelétricas). 
Ciclo combinado 
Onde:
Wgas – É a potência liquida produzida pela turbina.
Wvap – É a potência liquida produzida pelo cilo de vapor
Qentra – É denominado a taxa total de transferênciade calor.
A eficiência térmica de um ciclo combinado:
Pode-se analisar o desempenho do ciclo combinado por meio de balanços de massa e energia para isso faz-se necessário a segunda lei da termodinâmica para se avaliar o impacto das irreversibilidades e dos verdadeiros valores das perdas. Entre as irreversibilidades, a mais importante é a energia destruída pela combustão.
A relação para energia transferida do ciclo de gás ao ciclo de vapor para o sistema é obtido pela aplicação dos balanços das taxas de massa e energia a um volume de controle que engloba o gerador de vapor de recuperação de calor. Para operação em regime permanente, transferência de calor desprezível para as vizinhanças e nenhuma variação significativa nas energias cinética e potencial.
Uma instalação de potência de turbina a gás e vapor combinado tem uma potência liquida de 45MW. O ar entrando no compressor da turbina a gás a 100kpa, 300k e é comprimido até 1200kpa. A eficiência isentrópica do compressor é de 84%. A condução na entrada da turbina é 1200kpa, 1400k. O ar então passa pelo trocador de calor interconectado e é finalmente descarregado a 400k. O vapor de água entra na turbina do ciclo de potência a vapor a 8Mpa, 400ºC, e se expande ate a pressão do condensador a 8kpa. A água entra na bomba como liquido saturado a 8kpa. A turbina e a bomba do ciclo a vapor apresentam eficiências isentrópicas de 90% e 80%, respectivamente.
a) Determine as vazões mássicas do ar e do vapor de água, ambas em kg/s, e a potência liquida produzida pelos ciclos de potência combinados ambos em MW, e a eficiência térmica. 
Aplicação do ciclo de Refrigeração Combinado
Turbina a Gás
Ciclo a vapor
Estado
h (kj/kg)
Sº (kj/kg.k)
Estado
h (kj/kg)
Sº (kj/kg.k)
1
300,19
1,7020
6
183,96
0,5975
2
669,79
2,5088
7
3138,30
6,3634
3
1515,42
3,3620
8
2104,74
6,7282
4
858,02
2,7620
9
173,88
0,5926
5
400,98
1,9919
 
 
 
30
Assim a eficiência do ciclo é determinada como sendo:
A potência liquida de entrada é determinada à partir do balanço de energia das taxas de massa e de energia :
 Desvantagens: 
Maior número de componentes para manutenção.
Viabilidade econômica, devido a baixa eficiência do sistema a gás.
Vantagens:
Elevada eficiência quando comparado sistema simples.
Baixa emissões de poluente quando compara da com outras centrais térmicas convencionais.
Baixo consumo de água refrigerante.
Y. A. Çengel and M. A. Boles, Thermodynamics: An Engineering Approach, 5th ed., McGraw-Hill, 2006. 
MORAN, M. J.; SHAPIRO, H. N. Princípios de termodinâmica para engenharia. 6. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2009
Referências Bibliográficas