lista ciclos refrigeração f

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE MARINGÁ 
GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA 
REFRIGERAÇÃO E AR CONDICIONADO 
 
LISTA DE EXERCÍCIOS – SIMULAÇÃO DE CICLOS DE REFRIGERAÇÃO 
 
1) Um sistema de R134a é arranjado conforme a ilustração a seguir. Obtenha a potência de compressão por 
capacidade de refrigeração (HP/TR) do sistema. Utilizando o EES, investigue o efeito sobre o HP/TR, da variação 
da temperatura T2 de 80 para 50 F. 
 
 
2) Refrigerante R134a é o fluido em um ciclo ideal de compressão a vapor com o espaço refrigerado e 
ambiente as temperaturas de 0 C e 26 C, respectivamente. O vapor saturado entra no compressor a 0 C e 
líquido saturado deixa o condensador a 26 C. A vazão em massa de refrigerante é 0.08 kg/s. Determine 
(a) a potência do compressor, em kW. 
(b) A capacidade de refrigeração, em TR. 
(c) o COP 
(d) a eficiência do ciclo 
(e) resolva os itens anteriores utilizando o EES. 
 
3) Considere o exercício anterior, agora admitindo que o vapor saturado entra no compressor a -10 C e o 
liquido saturado deixa o condensador a 0.9 MPa. Determine : 
(a) a potência do compressor, em kW. 
(b) A capacidade de refrigeração, em TR. 
(c) o COP 
(d) a eficiência do ciclo 
(e) Compare os resultados com o do exercício anterior e resolva os itens anteriores utilizando o EES. 
 
4) Considere o exercício anterior, agora admitindo que o compressor tem eficiência isoentrópica de 80 %. 
Admita também que o líquido deixando o condensador é subresfriado a 30 C. Determine 
(a) a potência do compressor, em kW. 
(b) A capacidade de refrigeração, em TR. 
(c) o COP 
(d) a eficiência do ciclo 
(e) As taxas de destruição de exergia no compressor e válvula de expansão, para T0 = 299 K. 
(f) Resolva os itens anteriores no EES. 
 
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5) Utilizando o EES, investige o efeito da variação da temperatura do evaporador de -73 C a 4 C sobre o 
COP e a eficiência de um ciclo ideal de refrigeração. Admite que a temperatura no condensador é mantida 
constante em 32 C. Plote as curvas para Amônia, R-12 e R-22. 
 
6) Utilizando o EES, investige o efeito da variação da temperatura do evaporador de -73 C a 4 C sobre a 
temperatura de descarga do compressor para um ciclo ideal de refrigeração. Admite que a temperatura no 
condensador é mantida constante em 32 C. Plote as curvas para Amônia, R-12 e R-22. 
 
7) Considere um compressor alternativo de refrigerante R-134a. O refrigerante entra no compressor a 138 kPa 
e – 7 C, mas deixa o evaporador como vapor saturado a -18 C. O vapor é descarregado do compressor a 
1.24 MPa. Calcule a eficiência volumétrica para (a) uma fração de espaço nocivo C = 0.03 (b) uma fração 
de espaço nocivo C = 0.15 (c) compare as vazões mássicas para as partes (a) e (b); e (d) compare a potência 
do compressor para partes (a) e (b) 
 
8) Considere um compressor de 4 cilindros, 800 rpm, para uso com R134a. A condição operacional para este 
compressor é 38 C de temperatura de condensação e 4 C de temperatura de evaporação. Estima-se que o 
refrigerante entrará na válvula de expansão como liquido saturado, vapor deixará o evaporador a uma 
temperatura de 7 C, e que vapor entrará no compressor a uma temperatura de 13 C. Admita que a eficiência 
volumétrica do compressor é de 70 %. Calcule a capacidade de refrigeração em TR. 
 
9) Considere o compressor com curvas características conforme figura a seguir. (a) Esboce o diagrama 
pressão-entalpia para uma temperatura de condensação de 54 C e uma temperatura de evaporação de 7 C. 
(b) Qual é a capacidade de refrigeração e o potência do compressor ? (c) Suponha que a carga térmica no 
evaporador cai para 32 kW, obtenha a nova temperatura de evaporação e potência do compressor. Admita 
que a temperatura de condensação se mantem constante. 
 
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10) Referindo-se ao exercício anterior item (a), esboce as curvas de capacidade e potência para a temperatura 
de condensação de 54 C. (b) esboce a curva de capacidade do evaporador, assumindo que sua capacidade é 
proporcional a temperatura do evaporador na razão 2.1 kW/C. (c) A carga térmica do evaporador cai para 
38 kW enquanto que a temperatura de condensação cai para 46 C. Esboce a nova curva de capacidade do 
evaporador. (d) Suponha que na parte (b) que a condição de operação do evaporador permanece fixada mas 
a temperatura de condensação aumenta para 63 C. Qual será a capacidade e temperatura de evaporação ? 
 
11) Um sistema de refrigeração utiliza o compressor com as curvas esboçadas no exercício 9. Na condição de 
projeto o sistema deve trabalhar a uma temperatura de condensação de 46 C e uma temperatura de 
evaporação de 10 C, com a temperatura ambiente a 35 C. Após o sistema entrar em operação, a pressão no 
evaporador medida é de 0.47 MPa, e a potência do compressor de 12 kW. Admita que o superaquecimento 
e subresfriamento é o mesmo da figura. (a) Estime as temperaturas de condensação e evaporação, (b) 
compare o desempenho real e o esperado, e (c) O que pode ser feito para obter a condição de projeto. 
 
12) Vapor saturado R-22 a 7 C entra em um compressor de um sistema de refrigeração. A pressão de descarga é 
1.9 MPa. A queda de pressão na válvula de sucção é 13.8 kPa. A queda de pressão na válvula de descarga é 
27.6 kPa. Admita que o vapor é superaquecido 5.6 C no cilindro durante a aspiração. A fração de espaço 
nocivo é 5 %. Determine (a) a eficiência volumétrica, (b) a capacidade de bombeamento em kg/s para um 
deslocamento volumétrico de 9.44 L/s, e (c) a potência mecânica requerida para uma eficiência mecânica 
de 80 %. 
 
13) Considere o sistema de estágio único ilustrado. As condições de projeto para R134a são : 
 
m
8.8 kW
0.9
Lq
η
=
=
�
 
P1 = 413 kPa saturado 
P2 = 379 kPa 
T2 = 16 C 
P3 = 1.38 MPa 
P3 – P4 = 13.8 kPa 
C = 0.04 
PD = 4.4 L/s 
 
(a) Determine W� , Hq� , m� , e esboce o ciclo em um diagrama pressão-entalpia. Se a carga térmica decresce para 
7 kWLq =� e o sistema atinge o equilíbrio com P2 = 344 kPa e T2 = 10 C, (b) determine W� , Hq� , m� , e localize o 
ciclo no diagrama pressão-entalpia. 
 
14) Utilizando o EES, obtenha gráficos de eficiência volumétrica, vazão mássica, capacidade de refrigeração e 
potência de compressão em função da temperatura de evaporação e temperatura de condensação. Escolha 
faixas de temperatura de evaporação e temperatura de condensação compatíveis com o refrigerante 
escolhido. Adote n = 1.2, C = 0.03. 
 
15) Uma planta de R-22 opera a -18 C de temperatura no evaporador e 21 C no condensador. Um compressor 
alternativo é utilizado tendo 4 % de fração de espaço nocivo. Desconsidere quedas de pressão nas válvulas 
e superaquecimento durante a aspiração. Nesta condições a planta produz 20 TR de refrigeração. 
(a) calcule a capacidade de refrigeração da planta se a temperatura de condensação aumenta para 38 C. Admita que 
as outras condições são mantidas e o compressor opera a mesma rotação. Admita uma eficiência de ciclo teórico de 
estágio único mas inclua o efeito da eficiência volumétrica do compressor. 
(b) Admita que o sistema anterior é operado a 38 C de temperatura de condensação. Que temperatura de 
evaporação será necessária para a capacidade de refrigeração ser nula ? 
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16) Uma planta de amônia utiliza um compressor alternativo resfriado por água. O vapor saturado entra no 
compressor a -12 C entra no compressor, e o vapor deixa o mesmo a 1.24 MPa e 76.6 C. O escoamento 
pelo condensador e evaporador é a pressão constante. O líquido deixando o condensador é saturado. O 
sistema produz 25 TR de refrigeração, e a potência de entrada é 23.2 hp. Obtenha a vazão mássica de água 
de resfriamento em kg/s se o aumento de temperatura da água é de 6 C. 
 
17) Um sistema utilizando R-22 opera a uma temperatura de condensação de 35 C e a uma temperatura de 
evaporação de 0 C. Admita que o escoamento é sem fricção. Líquidosaturado deixa o condensador e vapor 
saturado deixa o evaporador. O compressor alternativo tem uma queda de pressão na válvula de sucção de 
0.02 MPa, na válvula de descarga de 0.005 MPa, e uma fração de espaço nocivo de 5 %. Admita 5 C de 
superaquecimento durante a aspiração. O deslocamento do compressor permanece em 0.005 m3/s. Admita 
uma eficiência mecânica de 0.85 e uma eficiência elétrica de 0.9. Calcule a capacidade de refrigeração e a 
potência elétrica necessária para o motor do compressor. 
 
18) Repita o problema anterior para fração de espaço nocivo de : 
(a) 4 % 
(b) 3 % 
Quedas de pressão nas válvulas de sucção e descarga de : 
(c) 0.015 MPa, 0.03 MPa 
(d) 0.01 MPa, 0.015 MPa 
Temperaturas de evaporação de : 
(e) 10 C 
(f) -10 C 
(g) -30 C 
Plote a capacidade do sistema, potência requerida, e potência/capacidade como função da temperatura de 
evaporação. 
 
19) Uma planta de refrigeração de R-22 opera com um compressor alternativo de 4 cilindros, 3 in de diâmetro e 
4 in de curso, 800 rpm . As condições de operação propostas para o compressor são de 38 C de temperatura 
de condensação e 5 C de temperatura de evaporação. Estima-se que o refrigerante entrará na válvula de 
expansão com liquido saturado, vapor deixará o evaporador a temperatura de 7.2 C, e vapor entrará no 
compressor a 13 C. Assuma uma eficiência volumétrica de 70 %. Admita que o escoamento é sem fricção. 
Calcule a capacidade de refrigeração em TR da planta. 
 
20) As condições a seguir são para uma planta de refrigeração de estágio único utilizando amônia com um 
compressor alternativo. A temperatura de condensação de 32 C sem subresfriamento de líquido. A 
temperatura de evaporação é de -18 C com vapor saturado na saída. O processo de compressão é 
politrópico com n = 1.24. A fração de espaço nocivo é 5 %. Admita que não existem quedas de pressão nas 
válvulas do compressor e da linha, bem como ausência de variações de temperatura na admissão do 
compressor e do refrigerante nas linhas. 
(a) Calcule o COP e compare com o COP admitindo compressão isoentrópica. 
(b) Admita que no sistema original é operado com a seguinte alteração : O vapor é aquecido na linha de sucção do 
compressor, de modo que a temperatura do vapor entrando no compressor é 60 F. Calcule o decréscimo percentual 
no COP. 
(c) Admita que no sistema original é operado com a seguinte alteração : Uma queda de pressão de 26 kPa na 
válvula de sucção e de 41 kPa na descarga. Calcule o decréscimo percentual no COP. 
 
21) Resolva as partes (b) e (c) do problema anterior mas calcule o decréscimo percentual em TR da capacidade 
de refrigeração. Admita o mesmo compressor. 
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22) Admita que você é o engenheiro mecânico responsável pela instalação de refrigeração de uma fábrica de 
lacticinios. Você necessita de um compressor de amônia para aumentar a capacidade da planta. Você é 
informado que outra planta possui um compressor sobressalente que você cogita ser adequado para sua 
instalação. Estima-se que a nova instalação operará nas seguintes condições : capacidade = 18. 5 TR; 
pressão de condensação = 1.3 MPa; amônia deixa o condensador em condições de liquido saturado; amônia 
líquida entra na válvula de expansão a 24.4 C; temperatura de evaporação = -12.2 C; o vapor deixa o 
evaporador saturado; o vapor é superaquecido de 11 C na linha de sucção do compressor. Sobre o 
compressor sobressalente as únicas informações disponíveis são : É um compressor de 4 cilindros, vertical, 
alternativo, ação única, resfriamento a água, rotação máxima de 600 rpm, diâmetro cilindro de 4 in, curso 
de 5 in. Baseando-se em sua experiência anterior você faz as seguintes suposições adicionais para 
prosseguir nos cálculos : fração de espaço nocivo = 4 %; queda de pressão na válvula de sucção = 28 kPa; o 
vapor é superaquecido de 8 C durante a aspiração; compressão politrópica com n = 1.27; queda de pressão 
nas válvulas de descarga = 41 kPa; eficiência mecânica do compressor = 80 %. 
(a) Determine se o compressor adicional pode ser usado, e em caso afirmativo, qual deve ser a velocidade de 
operação. 
(b) Estime a potência necessária para operar o compressor. 
 
23) Uma sistema de refrigeração por compressão de vapor utilizando amônia é arranjado conforme a ilustração. 
Admita compressão isoentrópica e escoamento sem atrito. As temperaturas dadas são T1 = 30 C, T6 = - 20 
C, T8 = -30 C. 
(a) Compare o COP do ciclo com o do ciclo sem o resfriador de liquido. 
(b) Que conclusão pode ser extraída sobre o uso do resfriador de líquido em um sistema de estágio único ? 
(c) Discuta as condições para as quais o arranjo ilustrado é vantajoso. 
 
24) Um ciclo de refrigeração é ilustrado a seguir. Admita que a compressão é isoentrópica e o escoamento é 
sem fricção. O gás no estado 5 é comprimido isoentropicamente para o estado 6, e misturado com o estado 
7 a mesma pressão, para formar o estado 8. O refrigerante é então comprimido isoentropicamente para o 
estado 9. Dados conhecidos são : T1 = 32 C, T3 = - 7 C, e T5=-18 C. 
(a) Calcule o coeficiente de performance para o ciclo 
(b) Calcule o coeficiente de performance quando a vazão mássica no estado 7 é reduzida para zero. 
(c) Comente a diferença entre os resultados obtidos nos itens (a) e (b) 
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24b) Utilizando o EES e a instalação ilustrada no exercício anterior, com um compressor adicional na saída do 
evaporador, prove que a potência de compressão total diminui em relação ao ciclo ideal operando entre os mesmos 
limites de pressão, a medida que os limites de pressão aumentam. Mantenha a pressão intermediária constante. 
 
25) Um sistema de amônia de 2 estágios é arranjado conforme a ilustração, exceto que o resfriador de líquido é 
suprimido. A temperatura de condensação é 32 C, a temperatura de saturação intermediária é – 9.5 C, e a 
temperatura no evaporador é – 40 C. O líquido deixa o resfriador a uma temperatura de – 4 C. Líquido 
saturado deixa o condensador. Vapor saturado deixa o evaporador. Vapor saturado deixa o resfriador. O 
deslocamento do compressor de alta é de 2.8 m3/min. Calcule o deslocamento do compressor de baixa. 
 
26) Um sistema de R-22 é ilustrado. A pressão de condensação é 1.5 MPa, a pressão intermediária é de 0.5 
MPa, e a pressão de evaporação é de 0.2 MPa. As seguintes temperaturas são conhecidas : T1 = 35 C, T3 = 
5 C, T5 = -20 C, e T7 = 5 C. Admita compressão isoentrópica e escoamento sem fricção. Calcule o COP. 
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27) Um sistema de amônia é ilustrado. A temperatura de condensação é 38 C, a temperatura de saturação 
intermediária é -11 C, temperatura do evaporador -46 C, T3 = - 7 C, e T7 = 38 C. Os estados saturados 
encontram-se indicados no diagrama p-h. Admita compressão isoentrópica e escoamento sem atrito. A 
capacidade de refrigeração do evaporador de alta temperatura é 4 vezes maior que a do evaporador de baixa 
temperatura. Calcule a razão entre os deslocamentos do compressor de baixa pressão para o compressor de 
alta.