3 - COMPRESSÃO DE GASES

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- REFRIGERAÇÃO MECÂNICA POR COMPRESSÃO DE GASES
3.1- Princípio de Funcionamento
Assim como a compressão isentrópica de um gás acarreta seu aquecimento, a expansão isentrópica do mesmo pode provocar seu resfriamento, de acordo com a relação:
					T2/T1 = [ P2/P1](k-1)/k
De acordo com a 1ª Lei da Termodinâmica: (Q = dU + (W
Na etapa de compressão:	 - (W = dU			((Q = 0)
Na etapa de expansão:		 (W = - dU			((Q = 0)
Esta redução de energia interna (de natureza cinética) é que acarreta o abaixamento de temperatura.
Entretanto, é necessário que o trabalho de expansão seja aproveitado externamente, pois caso o mesmo fosse transformado em calor de atrito, a temperatura do sistema seria praticamente a mesma.
Para permitir funcionamento contínuo, a expansão com produção de trabalho é associada à compressão.
Para isso, gás frigorígeno é comprimido até atingir uma temperatura superior à do meio ambiente, cedendo calor para este através de um trocador de calor de superfície.
Expandindo-o novamente até a pressão inicial, obtém-se uma temperatura menor que a inicial, o que possibilitará a retirada de calor de um meio refrigerado.
O ar é o principal fluido usado como agente refrigerante. Não há mudança de estado físico (somente trocas de calor sensível).
- Equipamento e Operação 
Os componentes mínimos necessários para o funcionamento de um sistema de refrigeração por compressão de gases são:
Compressor (CP)
Trocador de Calor de Alta (TCA)
Expansor Mecânico ou Motor a Ar
Trocador de Calor de Baixa (TCB)
Estes componentes são arranjados em série, conforme o esquema mostrado na Fig. abaixo:
Quando o gás adotado é o ar, o circuito pode ser aberto:
Se P1 = Patm, será necessária uma grande vazão de ar para remover a carga térmica e, consequentemente, maior deverá ser o tamanho dos equipamentos.
- Ciclo Termodinâmico
O ciclo termodinâmico seguido pelo fluido em evolução é constituído pelas quatro transformações seguintes:
Compressão hipotèticamente isentrópica, consumindo um trabalho mecânico:
 1W2 = 
- v.dP = - (H2 – H1) = - Cp(T2 – T1)
	
Passagem pelo trocador de calor de alta (TCA), no qual o fluido cede para o meio ambiente a quantidade de calor:
2Q3 = - Cp(T2 –T3) = - (H2 – H3)
Expansão hipoteticamente isentrópica, na qual o fluido em evolução devolve um trabalho mecânico utilizável externo:
3W4 = 
-v.dP = - (H4 – H3) = - Cp(T4 – T3)
Passagem pelo trocador de calor de baixa (TCB), no qual o fluido retira do meio a refrigerar a quantidade de calor:
4Q1 = Cp(T1 – T4) = (H1 – H4)
De acordo com a equação do 1º Princípio da Termodinâmica, podemos escrever:
		(QE ( (W
Isto é, o trabalho mecânico utilizável externo consumido ao longo do ciclo será:
		 W = 1W2 + 3W4 = 4Q1 + 2Q3
		 W = - (H2 – H1) – (H4 – H3) = (H1 – H4) – (H2 – H3) 
- Elementos de Cálculo
Efeito Frigorífico (QE)
É a quantidade de calor retirada do meio a refrigerar, por Kg de fluido em evolução.
	QE = 4 Q 1 = H1 – H4 = Cp.(T1 – T4) [Kcal/Kg] ou [KJ/Kg]
Efeito Calorífico (QC)
É a quantidade de calor cedida ao meio ambiente, por Kg de fluido em evolução.
	QC = 2Q3 = H2 – H3 = Cp(T2 – T3) 	 [Kcal/Kg] ou [KJ/Kg]
Efeito Mecânico (W)
É a quantidade de calor correspondente ao trabalho mecânico em jogo, por Kg de fluido em evolução.
	W = 2Q3 – 4Q1 = (H2 – H3) – (H1 – H4) = Cp[(T2 – T3) – (T1 – T4)] [Kcal/Kg]
Coeficiente de Efeito Frigorífico (()
É a relação entre o Efeito Frigorífico e o Efeito Mecânico.
 4Q1 = 	H1 – H4	 = 		T1 – T4	
	 W (H2 – H3) – (H1 – H4) (T2 –T3) – (T1 – T4)
Como, ao longo das isentrópicas 1(2 e 3(4, verifica-se:
		T2/T1 = T3/T4 = [p2/p1](k-1)/k
( = [T1(1 – T4/T1)] ([T2(1 – T3/T2) – T1(1 – T4/T1)] = T1 ( (T2 – T1)
( = 1 ( [(p2/p1)(k-1)/k – 1]
Para o caso do ciclo ideal de CARNOT ((máx), as trocas térmicas 2Q3 e 4Q1 se verificariam isotérmicamente, às temperaturas mais próximas T2 e T1.
(Carnot = [4Q1] ([2Q3 – 4Q1] = T1 ([T3 – T1] ( T1 ( [T2 – T1]
Rendimento do Ciclo ((ciclo)
É a relação entre os coeficientes de efeito frigorífico do ciclo teórico e o do ciclo de Carnot.
(ciclo = ( / (carnot = (T3 – T1) ( (T2 –T1)
Chamando de Gh o peso de fluido em evolução, na unidade de tempo (hora) ou (segundo), podemos definir:
Potência Frigorífica da Instalação (PF):
PF = Gh. 4Q1 = Gh.(H1 – H4) [Kcal/h] ou [KJ/s]
Potência Calorífica da Instalação (Pc):
Pc = Gh.2Q3 = Gh.(H2 – H3) [Kcal/h) ou [KJ/s]
Potência Mecânica Teórica (Pm):
Pm(t) = Gh. W = Gh.[(H2 – H1) – (H3 – H4)] [Kcal/h] ou [KJ/s] 
Pm(t) = [Gh.W] ((632) [CV]
Pm(t) = [Gh.W] ((641) [HP]
Rendimento Frigorífico Teórico da Instalação ((f)
(f = Pf/Pm(t) = [Gh.4Q1] ([(Gh.W)/632] = 632.(
- Ciclo Real
Na realidade, devido aos atritos internos, que se verificam durante as fases de compressão e expansão, estas não se verificam isentrópicamente.
Nestas condições, mesmo teóricamente – não considerando os rendimentos de natureza mecânica – não só o trabalho de compressão é maior, como o de expansão é menor do que o apresentado anteriormente.
Efeito Frigorífico Real: 4’Q1 = H1 – H4’
Efeito Calorífico Real: 2’Q3 = H2’ – H3
Efeito Mecânico Real: W = (H2’ – H1) – (H3 – H4’)
Coeficiente de Efeito Frigorífico Real: 
(real = 4’Q1 (W = [H1 – H4’] ( [(H2’ – H1) – (H3 – H4’)] 
Rendimento Adiabático de Compressão: (a,c = [H2 – H1] ( [H2’ – H1]
Rendimento Adiabático de Expansão: (a,e = [H4’ –H3] ( [H4 – H3]
Efetuando transformações, podemos obter:
		 ( =	(H1 – H4) – (1 - (a,e).(H3 – H4) 
				 (H2 – H1) - (a,e.(H3 – H4)
			 	 (a,c
A expressão anterior mostra que, para (a ( 90%, ( é cerca de 20 vezes menor que o calculado considerando o processo isentrópico.
Fixando T1 e T3 (fontes fria e quente):
para baixas relações de compressão, “(” é reduzido, podendo ser anulado quando T4’ = T1.
aumentando indefinidamente a relação de compressão, o valor de “(” também se anula, pois enquanto T2 cresce indefinidamente (trabalho), T4 e T4’ são limitados pelo ZERO ABSOLUTO (0°K).
Pode-se concluir, então, que existe uma relação ótima de pressões para a qual o valor de “(” é máximo.
Esta relação depende tanto das temperaturas limites (T1 e T3), como dos rendimentos adiabáticos.
Para: (a ( 0,80 a 0,90
P2/P1 = 4,0 a 4,5
 
Exemplo de aplicação do resfriamento do ar por expansão: Turbinamento de motor de combustão interna. 
3.6 - Aplicação
CICLO PARA LIQUEFAÇÃO DE GASES
CONDIÇÕES PARA LIQUEFAZER UM GÁS:
SUA TEMPERATURA TEM QUE ATINGIR VALORES INFERIORES À TEMPERATURA CRÍTICA;
A PRESSÃO A QUE ESTÁ SUBMETIDO DEVE SER SUPERIOR À CORRESPONDENTE AO SEU “PONTO TRIPLICE”.
PARA OS GASES PERMANENTES:
A PRESSÃO DO PONTO TRIPLICE ATINGE VALORES EXÍGUOS.
AS TEMPERATURAS CRÍTICAS SE SITUAM ENTRE –100°C E –200°C.
PARA SE OBTER TEMPERATURAS TÃO BAIXAS SÃO USADOS DOIS PROCESSOS:
PROCESSO DE LINDE - CONSISTE EM EXPANDIR O GÁS COMPRIMIDO SEM EXECUTAR TRABALHO EXTERIOR.
B) PROCESSO DE CLAUDE - CONSISTE EM EXPANDIR O GÁS COMPRIMIDO EXECUTANDO TRABALHO EXTERIOR.
PARA QUALQUER CASO, O OBJETIVO É CONVERTER O GÁS, QUE SE ENCONTRA NA PATM E TEMPERATURA AMBIENTE, (PONTO [1]), EM LÍQUIDO A ESTA MESMA PRESSÃO (PONTO [3]).
SISTEMA CLAUDE
	UM GÁS QUE REALIZA UM TRABALHO EXTERNO AO EXPANDIR-SE, EXPERIMENTA UMA QUEDA DE TEMPERATURA MAIOR QUE SE EXPANDISSE EM UMAVÁLVULA DE ESTRANGULAMENTO.
ESQUEMA E CICLO DO SISTEMA CLAUDE
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