relatório Bomba de calor e ciclo de refrigeração

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LABORÁTORIO DE ENGENHARIA QUÍMICA II 
 
Bomba de Calor e Ciclo de Refrigeração 
 
 
 
ANDRESSA DITSCHEINER 15.115.149-5 
CAROLINE ALFREDO DA SILVA 11.113.662-8 
CAIO FRANCESCATO DOS SANTOS 11.116.976-9 
EDUARDO GIROTE MARTINS 15.115.105-7 
ÉRICK RUFCA CATELLI FERNANDEZ 11.115.406-8 
LEONARDO KENJI HIRANO 11.114.141-2 
MAURÍCIO SAMUEL HOMSI 11.114.204-8 
 
 
 
Prof. Geraldo 
Turma: 655 
 
 
 
São Bernardo do Campo 
2019 
Sumário 
1. Objetivo ................................................................................................................................ 3 
2. Introdução teórica ............................................................................................................... 4 
2.1. Bomba de Calor .............................................................................................................. 4 
2.2 Ciclo de refrigeração ....................................................................................................... 4 
3. Hipóteses simplificadoras.................................................................................................. 6 
4. Descrição dos equipamentos ........................................................................................... 7 
4.1 Bomba de Calor ............................................................................................................... 7 
4.2 Ciclo de Refrigeração ...................................................................................................... 7 
5. Procedimento experimental .............................................................................................. 9 
5.1 Bomba de Calor .......................................................................................................... 9 
5.2 Ciclo de Refrigeração ................................................................................................ 9 
6. Metodologia ....................................................................................................................... 10 
7. Cálculos ............................................................................................................................. 12 
8. Conclusão .......................................................................................................................... 19 
9. Referências Bibliográficas ............................................................................................... 20 
 
 
1. Objetivo 
O objetivo do experimento é estudar o funcionamento de um ciclo de 
refrigeração e de uma bomba de calor, com todos os seus equipamentos, e 
determinar a eficiência de cada ciclo. 
 
2. Introdução teórica 
2.1. Bomba de Calor 
 
A bomba de calor trata-se de um equipamento que retira o calor do 
ambiente para transferi-lo para o sistema. 
O funcionamento deste equipamento ocorre da seguinte forma, o 
evaporador absorve calor do ambiente causando a evaporação do fluido em 
questão. Após a saída do evaporador o fluido encontra-se no estado de vapor 
com baixa pressão sendo introduzido a um compressor. No compressor a 
pressão é elevada até igualar-se a pressão de entrada do condensador. 
 No condensador, a fluido muda de estado físico (vapor torna-se 
líquido). Por último para o encerramento do ciclo, o fluido sai do condensador no 
estado líquido com alta pressão e passa por uma válvula de expansão (aliviar a 
pressão) podendo a partir daí o ciclo recomeçar. 
 
Figura 1: representação de um ciclo de bomba de calor. 
 
A eficiência do ciclo é dada pela fórmula abaixo, 
𝐶𝑂𝐸 = 
𝑄𝑠
𝑊𝑒
=
𝑄1
𝑊
 
Onde, 
Qs: quantidade de calor fornecido ao sistema 
W: quantidade de trabalho consumido pelo equipamento 
COE: coeficiente de eficiência 
 
 
2.2 Ciclo de refrigeração 
 
O ciclo de refrigeração tem como principal característica manter a 
temperatura do sistema menor do que a temperatura ambiente. O ciclo de 
refrigeração consegue atingir esse objetivo pelo fato da utilização do fluido 
refrigerante que retira calor do sistema (transferindo para o ambiente). 
O ciclo ocorre da seguinte forma o fluido de refrigeração absorve o calor 
do sistema no evaporador (fluido é evaporado a baixa pressão). Em seguida, o 
fluido passa por um compressor (aumentar a pressão de vapor até alcançar a 
pressão do condensador). Então no condensador o fluido torna-se líquido, 
perdendo calor para o ambiente. Em seguida, o fluido chega a uma válvula de 
expansão (aliviar a pressão) podendo a partir daí o ciclo recomeçar. 
 
Figura 2: representação de um ciclo de refrigeração 
 
A eficiência do ciclo é dada pela fórmula abaixo, 
𝐶𝑂𝐸 = 
𝑄𝑒
𝑊𝑒
=
𝑄2
𝑊
 
Onde, 
Qe: quantidade de calor absorvida pelo sistema 
W: trabalho do compressor 
COE: coeficiente de eficiência 
 
Quando as temperaturas do ciclo são conhecidas, podem ser 
determinadas as entalpias do fluido em cada temperatura. Dessa forma a COE 
pode ser determinada da seguinte forma: 
𝐶𝑂𝐸 = 
𝐻1 − 𝐻4
𝐻2 − 𝐻1
 
3. Hipóteses simplificadoras 
Para a realização deste experimento, foram adotadas algumas hipóteses 
simplificadoras: 
Para o experimento da Bomba de calor: 
• Equipamentos adiabáticos 
• Temperatura ambiente desprezível 
• Regime Permanente 
• Compressor e válvula de expansão isoentálpicas. 
 
Para o experimento do Ciclo de Refrigeração: 
• Regime permanente; 
• O processo de expansão é próximo de um processo isoentálpico; 
• O processo de compressão é bem próximo de um processo isoentrópico; 
 
4. Descrição dos equipamentos 
4.1 Bomba de Calor 
Para a realização do experimento utilizou-se uma bomba de calor 
comercial trifásica, comercialmente utilizada para aquecimentos de banheiras de 
hidromassagem e piscinas. O fluido refrigerante deste sistema é o R22. 
Foram instalados ao longo do interior deste equipamento alguns 
termopares a fim de constatar as temperaturas do fluido refrigerante do longo do 
ciclo. 
Instalaram-se um voltímetro e um amperímetro junto ao compressor para 
medir a potência exata consumida pelo mesmo. 
Foi acoplado um reservatório de água ao equipamento a fim de se 
conhecer a massa de água que receberá o calor absorvido no ar ambiente. A 
temperatura de água é ajustada pelo set-point da bomba de calor, que funcionará 
até a temperatura do reservatório atinja o set-point. 
 
4.2 Ciclo de Refrigeração 
A bancada de refrigeração foi montada com os mesmos equipamentos de 
uma geladeira convencional, sendo o fluido refrigerante o R22. Os equipamentos 
que constituem tal bancada são: 
• Compressor 
• Válvula de expansão 
• Evaporador 
• Condensador 
Estes dispositivos são conectados de acordo com a Figura 1 
Figura 1 - Bancada de Refrigeração
 
 A geladeira é representada pelo evaporador, etapa do ciclo na qual 
absorve o calor. Como o sistema opera continuamente, é necessário instalar 
uma lâmpada incandescente junto ao evaporador para que o mesmo absorva o 
calor irradiado pela lâmpada e impeça que o fluido refrigerante congele no 
interior do evaporador. 
Após passar pela válvula de expansão, a pressão do fluido diminui ocorre 
a evaporação total do mesmo no evaporador. Em seguida, ele é comprimido no 
compressor e prossegue para o condensador. 
 As quantidades de calor absorvida e retirada do sistema podem ser 
calculadas através da variação da temperatura do fluido. O trabalho de 
compressão aplicado ao sistema pode ser medido através do Wattímetro 
instalado junto ao compressor. 
 
5. Procedimento experimental 
5.1 Bomba de Calor 
 Preparou-se os equipamentos deste ensaio e anotou-se a temperaturainicial da água (22,5 ºC). Iniciou-se a contagem do tempo quando o equipamento 
foi ligado e parou-se quando a bomba de calor desligou, anotando assim as 
temperaturas finais do aquecimento. Para o cálculo do volume de água no 
tanque, mediu-se suas dimensões, e a altura do nível da água. Posteriormente 
foram feitos os cálculos de eficiência. 
 
 
5.2 Ciclo de Refrigeração 
 Para este ensaio, anotou-se os dados de pressão e temperatura de todos 
os equipamentos e após ligá-los deu-se início a contagem do tempo de 5, 10 e 
15 minutos, repetindo a coleta de dados para cada um deles, ao terminar anotou-
se a potência da lâmpada, e do equipamento e suas correntes e tensões, por fim 
anotou-se a pressão atmosférica. 
6. Metodologia 
Determinação dos Coeficientes de eficiência (COE) 
Primeiramente traça-se um diagrama de Pressão vs. Entalpia do R22 com os 
valores de temperatura obtidos: 
Figura 2 - Diagrama de Pressão vs. Entalpia R22 
 
 
 
Coleta-se então as entalpias presentes no ciclo, e calcula-se o Coeficiente de 
eficiência real do sistema COEreal: 
 
𝐶𝑂𝐸𝑟𝑒𝑎𝑙 =
𝐻1 − 𝐻4
𝐻2 − 𝐻1
 
(1) 
onde: 
• H1= Entalpia na entrada do compressor 
• H2= Entalpia na entrada do condensador 
• H4= Entalpia na entrada do evaporador 
 
Determinação do calor absorvido (Qabs) 
Para determinação do calor absorvido deve-se obter a massa de água a ser 
aquecida partindo das dimensões coletadas do tanque: 
 𝑉𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 = 𝐿 ∗ 𝐶 ∗ ℎ (2) 
 
 onde: 
• W é a largura interna do tanque 
• L é o comprimento interno do tanque 
• H é a altura correspondente à massa de água 
 
Com a densidade conhecida da água (ρágua=1000 kg/m³) calcula-se a massa 
de água no tanque: 
 𝑚á𝑔𝑢𝑎 = 𝑉𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 ∗ 𝜌á𝑔𝑢𝑎 (3) 
 
Com a massa encontrada a partir da equação (2) determina-se a Quantidade 
de calor absorvida pela água: 
 𝑄𝑎𝑏𝑠 = 𝑚á𝑔𝑢𝑎 ∗ 𝐶𝑝 ∗ ∆𝑇 (4) 
 onde: 
• Cp corresponde ao Calor específico da água 
• ΔT a variação de temperatura da água 
Com o tempo de ensaio (θ), encontra-se a vazão de calor no sistema: 
 
�̇�𝑎𝑏𝑠 =
𝑄
𝜃
 
(5) 
 
 
7. Cálculos 
Bomba de Calor 
 As tabelas 1 e 2 a seguir apresentam os valores coletados durante o experimento 
para a bomba de calor, e os parâmetros referentes ao tanque, respectivamente. 
 
Tabela 1 - Temperaturas coletadas do sistema. 
 Componente do sistema T (ºC) 
T1 entrada do compressor 19,5 
T2 saída do compressor 69,5 
T3 saída do condensador 40,3 
T4 saída da válvula de expansão 15,8 
T5 água do tanque 39,4 
T6 ar frio 21,4 
 
Tabela 2 - Dados coletados do sistema. 
Dimensões do tanque (mm) 
H altura 570 
L comprimento 500 
W largura 350 
Tempo da operação (s) 
Θ 937 
Potências nominais - máximas (kW) 
Aquecimento 24,4 
Absorvida 3,7 
 
 Diagrama Pressão vs. Entalpia 
 Para a utilização do diagrama Pressão versus Entalpia – sendo possível 
traçar o ciclo que representa o sistema -, 4 pontos distintos foram utilizados: 1: 
referente à entrada do compressor; 2: referente à saída do compressor; 3: 
referente à saída do condensador e 4: referente à saída da válvula de expansão. 
O diagrama com o respectivo ciclo encontra-se representado na figura 1 a seguir: 
 
 
Figura 1: Gráfico de Pressão x Entalpia para a Bomba de Calor 
 
Os valores adquiridos para as respectivas entalpias de cada ponto estão 
expostos na tabela 3. 
 
Tabela 3. Entalpias para cada um dos 
pontos do diagrama Pressão vs 
Entalpia em kJ/kg 
H1 (kJ/kg) 625 
H2 (kJ/kg) 655 
H3=H4 (kJ/kg) 460 
 
 
 Coeficiente de Eficiência Nominal e Real 
Tomando como base os conceitos apresentados na metodologia e 
introdução teórica, como também ao diagrama de pressão e entalpia, pôde-se, 
através da equação (1), calcular o valor para o 𝐶𝑂𝐸𝑅𝑒𝑎𝑙(Coeficiente de eficiência 
real do sistema). 
𝐶𝑂𝐸𝑅𝑒𝑎𝑙 =
𝑄𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜
𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑜𝑟
=
𝑚𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜(𝐻1 − 𝐻4)
𝑚𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜(𝐻2 − 𝐻1)
=
625 − 460
655 − 625
= 5,50 
 
Por conseguinte, o Coeficiente de Eficiência nominal é calculado através das 
potências nominais de aquecimento e absorvida, dados fornecidos pelo 
fabricante (Tabela 2), e pela equação 6 a seguir: 
 
𝐶𝑂𝐸𝑁𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 =
𝑃𝑎𝑞𝑢𝑒𝑐𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜
𝑃𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑣𝑖𝑑𝑜
 (6) 
Deste modo: 
𝐶𝑂𝐸𝑁𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 =
𝑃𝑎𝑞𝑢𝑒𝑐𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜
𝑃𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑣𝑖𝑑𝑜
=
24,4
3,7
= 6,6 
 
%𝐸 = |
𝐶𝑂𝐸𝑁𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 − 𝐶𝑂𝐸𝑅𝑒𝑎𝑙
𝐶𝑂𝐸𝑁𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙
| ∗ 100 = |
6,6 − 5,50
6,6
| . 100 = 16,67% 
 
 
 Calor Absorvido pela água 
 Partindo-se das dimensões do tanque de água, é possível calcular o 
volume de água presente no tanque, como visto na equação (2): 
 
𝑉𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 = 𝐻. 𝐿. 𝑊 = 0,57 ∗ 0,5 ∗ 0,35 = 0,09975 𝑚³ 
 
Desta maneira, como a densidade da água é dada por ρ= 1000 kg/m³, a 
massa de água é obtida através da equação (3): 
 
𝑚 = 𝜌 . 𝑉𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 = 1000 ∗ 0,09975 = 99,75 𝑘𝑔 
 
Considerando o calor específico da água (Cp) igual à 1kcal/kg. ºC, que as 
temperaturas inicial e final da água são de 22,5 °C e 39,4°C, respectivamente, e 
que o tempo de operação foi de 937 segundos, o calor absorvido pela água fora 
calculado como designado a seguir (equação 4): 
 
𝑄𝑎𝑏𝑠 = 99,75 ∗ 1 ∗ (39,4 − 22,5) = 1685,775 𝑘𝑐𝑎𝑙 
 
Transformando o tempo de operação para horas (0,26027h), temos para 
uma taxa de calor absorvida (equação 5): 
 
�̇�𝑎𝑏𝑠 =
𝑄𝑎𝑏𝑠
𝜃
=
1685,775
0,26027
= 6477,024 
𝑘𝑐𝑎𝑙
ℎ
= 27073,960 
𝑘𝐽
ℎ
 
 
Refrigeração 
 
Para os dados apresentados abaixo, foi considerado um intervalo de 
tempo de 15 min. Na tabela 4 tem-se os resultados obtidos experimentalmente 
para um ciclo de refrigeração: 
Tabela 4 - Ciclo de refrigeração, pressões manométricas. 
 
t=0min t=5min t=10min t=15min 
 T (°C) P (kgf/cm²) T (°C) P (kgf/cm²) T (°C) P (kgf/cm²) T (°C) P (kgf/cm²) 
1 28 3 23 2,5 15 2,5 12 2,5 
2 57 13 71 12,5 79 13,5 86 13,5 
3 51 12,5 64 13 70 13 75 13 
4 36 12,5 37 13 36 13 37 13 
5 35 12,5 36 12,5 36 12,5 36 12,5 
6 0 3 -2 3,5 -2 3,5 -3 3 
7 25 2,5 10 2,5 4 2,5 3 2,5 
 
Sendo adotado: 
1- Entrada do compressor; 
2- Saída do compressor; 
3- Entrada do condensador; 
4- Saída do condensador; 
5- Entrada da válvula de expansão; 
6- Saída da válvula de expansão / entrada do evaporador; 
7- Saída do evaporador. 
 
Na tabela 5 estão representadas a potência da lâmpada, a potência do 
compressor, corrente e a tensão do mesmo. 
 
Tabela 5 - Potência lâmpada e compressor, corrente e tensão do compressor. 
Potência da lâmpada (W) 160 
Potência do compressor (W) 440 
Corrente do compressor (A) 2,7 
Tensão do compressor (V) 224 
Pressão Atmosférica (MPa) 0,919 
 
Por conseguinte, calculou-se a média dos valores adquiridos de pressão e 
temperatura, tendo em vista o valor absoluto para a pressão (acresceu-se, ao 
valor apresentado nos manômetros, o valor apontado pela pressão local). Tais 
valores encontram-se vislumbrados na tabela 6 a seguir: 
 
Tabela 6. Valores médios para a pressão e 
temperatura nos diferentes pontos, durante 
o tempo de ensaio total 
 T 
(°C) 
P 
(kgf/cm²) 
P 
(MPa) 
1 19,5 2,6 0,26 
2 73,3 13,1 1,29 
3 65,0 12,9 1,26 
4 36,5 12,9 1,26 
5 35,8 12,5 1,23 
6 -1,8 3,3 0,32 
7 10,5 2,5 0,25 
 
Diagrama Pressão vs. Entalpia 
Analogamente à bomba de calor, a partir dos dados de pressão e temperatura, 
traçou-se no diagrama Pressão versus Temperatura, o ciclo que corresponde à 
um processode bomba de calor. 
 
 
 Imagem 2: Gráfico da Pressão x Entalpia. 
 
Considerando o ciclo esboçado no diagrama acima, transcreveu-se os valores 
de suas entalpias para a tabela 7, onde:1: entrada do compressor; 2: entrada do 
condensador; 3:entrada da válvula de expansão e 4: entrada do evaporador (1’ 
e 2’ representam os comportamentos ideais destes pontos). 
 
 
Tabela 7 - Entalpias coletadas do gráfico. 
 Entalpia 
kJ/kg 
1 645 
1' 620 
2 680 
2' 630 
3 460 
4 460 
 
Coeficiente de Eficiência Ideal 
 
Para o cálculo do coeficiente de desempenho (COE) ideal, considera-se que 
o processo foi realizado através de uma compressão isoentrópica. Assim: 
 
𝐶𝑂𝐸 = 
𝐻1′ − 𝐻4
𝐻2′ − 𝐻1′
= 
𝑄𝑒𝑣𝑎𝑝
𝑊
= 
620 − 460
630 − 620
= 16 
 
Coeficiente de Eficiência Real 
 
Por outro lado, o processo dado para o cálculo do Coeficiente de 
Eficiência Real considera o caminho de 3 para 4 isoentálpico. Desta maneira, 
têm-se que: 
 
𝐶𝑂𝐸 = 
𝐻1 − 𝐻4
𝐻2 − 𝐻1
= 
𝑄𝑒𝑣𝑎𝑝
𝑊
= 
645 − 460
680 − 645
= 5,29 
 
• Diferença entre o ciclo real e o ideal: 
%𝐸 = |
16 − 5,29
16
| ∗ 100 = 66,94% 
 
8. Conclusão 
 
A partir dos experimentos foi possível compreender o funcionamento de 
uma bomba de calor e de um ciclo de refrigeração, e calcular seus respectivos 
coeficientes de eficiência. 
Foi possível comprovar as hipóteses adotadas através da averiguação 
dos dados coletados, como por exemplo a mínima variação da pressão na 
entrada e saída do evaporador do ciclo de refrigeração. 
 Para o ciclo de refrigeração obteve-se %E=66,94% em relação ao ciclo 
ideal (Ciclo de Carnot), que representa a maior eficiência possível a ser obtida 
pelo sistema considerando o mesmo como ideal. 
 Para a bomba de calor o resultado foi bastante satisfatório para o 
equipamento utilizado com um Erro Experimental de apenas 16,67%, o que 
demonstra um ótimo desempenho considerando pequena a dissipação de 
energia do condensador, já que parte desse calor é perdido devido á trocas 
térmicas da tubulação com o meio. 
Em relação às fontes de erro, pôde-se considerar leituras imprecisas de pressão 
e temperatura nos gráficos utilizados para efeito de cálculo, além de adoção de 
hipóteses idealizadas para o processo, como por exemplo a adoção do sistema 
isobárico (variação de pressão desprezível no compressor e válvula de 
expansão). 
 
9. Referências Bibliográficas 
 
[1] <http://www.polo.ufsc.br/fmanager/polo2016/materiais/arquivo7_1.pdf> 
[2] <http://www.tecnologia-industrial.es/BOMBA%20DE%20CALOR.htm> 
[3] <https://www.ebah.com.br/content/ABAAABIgcAA/ciclo-refrigeracao-
refrigerantes>