RAC - Nota de Aula 3

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Instituto de Ciências Exatas e Tecnológicas
Campi São José dos Campos – Dutra
REFRIGERAÇÃO E AR CONDICIONADO
NOTA DE AULA 3
SISTEMAS DE BOMBA DE CALOR, SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO EM CASCATA E SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO COM MULTIPLOS ESTÁGIOS 
1. Sistemas de Bomba de Calor
A fonte de energia mais comum das bombas de calor é o ar atmosférico (sistemas ar a ar), embora a água e o solo também sejam utilizados. O grande problema dos sistemas com ar como fonte de calor é o congelamento, que ocorre em climas úmidos quando a temperatura cai abaixo de 2 ºC a 5 ºC. O acúmulo de gelo nas serpentinas é altamente indesejável, uma vez que atrapalha seriamente a transferência de calor.
Os sistemas de fonte de água em geral utilizam água de poço a profundidades de até 80 m no intervalo de temperaturas entre 5 ºC e 18 ºC, e não sofrem o problema de congelamento. Em geral, eles têm COPs mais altos, mas também são mais complexos e exige acesso fácil a grande volume de água (como lençóis freáticos subterrâneos).
Os sistemas geotérmicos também são bastantes complicados, uma vez que exigem uma tubulação grande colocada a grandes profundidades onde a temperatura do solo seja relativamente constante.
O COP das bombas de calor em geral varia entre 1,5 e 4, dependendo do sistema utilizado e da temperatura da fonte. Uma nova classe de bombas de calor recém-desenvolvidas e movidas a motor elétrico de velocidade variável tem pelo menos o dobro da eficiência energética das anteriores.
	A capacidade e a eficiência de uma bomba de calor caem significativamente a baixas temperaturas. Assim, a maioria das bombas de calor com fonte de ar exige um sistema de aquecimento auxiliar, como aquecedores elétricos ou a gás ou a óleo. Nos sistemas a água e geotérmicos, como a temperaturas variam pouco, não é necessário este aquecimento.
	As bombas de calor e os condicionadores de ar têm os mesmos componentes mecânicos. Sendo assim, não é econômico ter dois sistemas separados para atender aos requisitos de aquecimento e resfriamento de um edifício. Um sistema pode ser usado como bomba de calor no inverno e condicionador de ar no verão. Isso é realizado com a adição de uma válvula inversora de ciclo, como mostra a figura abaixo.
	Como resultado dessa modificação, o condensador da bomba de calor (localizado dentro da casa) funciona como evaporador do condicionador de ar no verão. Da mesma forma, o evaporador da bomba de calor (localizado fora da casa) serve como condensador do condicionador de ar. 
	As bombas de calor possui melhor rendimento quando utilizada com grande carga de resfriamento e pequena carga de aquecimento.
2. Sistemas de Refrigeração em Cascata
Algumas aplicações industriais exigem temperaturas moderadamente baixas e o intervalo de temperatura que elas envolvem pode ser grande demais para que um único ciclo de refrigeração por compressão de vapor seja prático. Um grande intervalo de temperaturas significa um grande intervalo de pressão no ciclo e um desempenho ruim de um compressor alternativo. Uma forma de lidar com tais situações é executar o processo de refrigeração em estágios, ou seja, ter dois ou mais ciclos de refrigeração que operam em série. Tais ciclos de refrigeração são chamados de ciclo de refrigeração em cascata.
	A figura a seguir ilustra um ciclo de refrigeração em cascata
	Observa-se que os dois ciclos estão conectados por meio de um trocador de calor que fica no meio e serve como evaporador para o ciclo superior (ciclo A) e como condensador para o ciclo inferior (ciclo B). Considerando-se que o trocador de calor está bem isolado e que as energias cinética e potencial são desprezíveis, a transferência de calor do fluido do ciclo inferior deve ser igual a transferência de calor para o fluido do ciclo superior. Portanto, a relação entre as vazões mássicas em cada ciclo deve ser:
	No sistema em cascata mostrado na figura, assume-se que os refrigerantes de ambos os ciclos são iguais. Entretanto, isso não é necessário, uma vez que não ocorre mistura no trocador de calor. Portanto, é possível usar refrigerantes de características diferentes e mais adequadas em cada ciclo. Neste caso haverá uma curva de saturação separada para cada fluido, e o diagrama T-s de um dos ciclos será diferente. Analogamente, nos sistemas reais de refrigeração em cascata, os dois ciclos se sobrepoem um pouco, para que haja uma diferença de temperatura entre os dois fluidos possibilitando, desta forma, a transferência de calor entre eles.
	O diagrama T-s deixa claro que o trabalho do compressor diminui e a quantidade de calor absorvida do espaço refrigerado aumenta como resultado do sistema em cascata. Assim, esse sistema aumenta o COP de um sistema de refrigeração. Alguns sistemas de refrigeração utilizam de três ou quatro estágios.
Exemplo 11-3 – Termodinâmica – Yunus A. Çengel – 5ª Edição – pág. 503.
	Considere um sistema de refrigeração em cascata de dois estágios entre os limites de pressão de 0,8 e 0,14 MPa. Cada estágio opera em um ciclo de refrigeração ideal por compressão de vapor com o refrigerante R-134a como fluido de trabalho. A rejeição de calor do ciclo inferior para o ciclo superior ocorre em um trocador de calor contracorrente e adiabático, no qual ambos os fluxos entram a cerca de 0,32 MPa. (Na prática, ou seja, no caso real, o fluido de trabalho inferior estaria a uma pressão e temperatura mais altas no trocador de calor para que a transferência de calor seja mais efetiva). Se a vazão mássica do refrigerante no ciclo superior for de 0,05 kg/s, determine:
a) A vazão mássica do refrigerante no ciclo inferior;
b) A taxa de remoção de calor do espaço refrigerado e a entrada de potência no compressor e;
c) O coeficiente de performance desse refrigerador em cascata.
a) Avazão mássica do refrigerante através do ciclo inferior é determinada pelo balanço de energia do escoamento em regime permanente no trocador de calor adiabático.
b) A taxa de remoção de calor de um ciclo em cascata é taxa de absorção de calor do evaporador no estágio inferior. A entrada de potência em um ciclo em cascata é a soma das entradas de potência em todos os compressores.
c) O COP de um sistema de refrigeração é a relação entre a taxa de refrigeração e a entrada de potência líquida:
3. Sistemas de Refrigeração por Compressão em Múltiplos Estágios
Quando o fluido utilizado em todo o sistema de refrigeração em cascata é igual, o trocador de calor entre os estágios pode ser substituído por uma câmara de mistura (chamada de separador de líquido), uma vez que ela tem melhor desempenho na transferência de calor. Tais sistemas são chamados de sistema de refrigeração de compressão em múltiplos estágios.
A figura abaixo mostra um sistema de refrigeração de dois estágios.
	Nesse sistema, o refrigerante líquido se expande na primeira válvula de expansão até a pressão do separador de líquido, que é igual à pressão entre os estágios do compressor. Parte do líquido vaporiza durante esse processo. Esse vapor saturado (estado 3) é misturado ao vapor superaquecido do compressor de baixa pressão (estado 2), e a mistura entra no compressor de alta pressão (estado 9). Isso é essencialmente um processo de regeneração. O líquido saturado (estado 7) se expande através da segunda válvula de expansão até o evaporador, no qual ele retira calor do espaço refrigerado.
	O processo de compressão desse sistema se parece com uma compressão de dois estágios com resfriamento intermediário, e o trabalho do compressor diminui. É preciso tomar cuidado ao interpretar as áreas do diagrama T-s nesse caso, pois as vazões em massa são diferentes nas diversas partes do ciclo.
Exemplo 11-4 – Termodinâmica – Yunus A. Çengel – 5ª Edição – pág. 505.
	Considere um sistema de refrigeração por compressão em dois estágios que opera entre os limites de pressão 0,8 e 0,14 MPa. O fluido de trabalho é o refrigerante R-134a. O refrigerante sai do condensador como líquido saturado e é estrangulado até um separador de líquidoque opera a 0,32 MPa. Parte do refrigerante evapora durante o processo de separação, e esse vapor é misturado ao refrigerante que sai do compressor de baixa pressão. Em seguida, a mistura é comprimida até a pressão do condensador pelo compressor de alta pressão. O líquido do separador de líquido é estrangulado até a pressão do evaporador e resfria o espaço refrigerado à medida que é vaporizado no evaporador. Considerando-se que o refrigerante sai do evaporador como vapor saturado e que ambos os compressores são isentrópicos, determine:
a) A fração do refrigerante que evapora no processo de expansão até o separador de líquido;
b) A quantidade de calor removida do espaço refrigerado e o trabalho do compressor por unidade de massa do refrigerante que escoa através do condensador, e;
c) O coeficiente de performance.
a) A fração do refrigerante que evapora à medida que ele é estrangulado para o separador de líquido é simplesmente o título no estado 6. Portanto:
b) A quantidade de calor removida do espaço refrigerado e a entrada de trabalho no compressor por unidade de massa do refrigerante que escoa através do condensador é:
A entrada de trabalho no compressor por unidade de massa do refrigerante que escoa através do condensador é:
Para o cálculo do trabalho por unidade de mass, é necessário o conhecimento das entalpia no estado 4 e 9 (vapor superaquecido)
	A entalpia no estado 9 é determinada pelo balanço de energia no separador de líquido
	A entalpia do estado 4 é obtida pela relação compressão isentrópica, ou seja, s4 = s9.	
	Tendo h9 procura-se s9 na tabela de R-134a vapor superaquecido com pressão 0,32 MPa. Logo:
Interpolando s9 = s4 = 0,9416 kJ/(kg.K)
	Com o valor de s4 = 0,9416 kJ/(kg.K) procura-se h4 na tabela de R-134a vapor superaquecido com pressão 0,8 MPa. Logo:
Interpolando h4 = 274,48 kJ/kg
c) O coeficiente de performance é:
Exemplo 10.4 – Termodinâmica para Engenharia – Moran & Shapiro – 7ª Ed.
	Refrigerante 134a é o fluido de trabalho de uma bomba de calor com ar como fonte, alimentada eletricamente, que mantém a temperatura interna de um edifício a 22 ºC por uma semana quando a temperatura média externa é de 5 ºC. Vapor saturado entra no compressor a -8 ºC e sai a 50 ºC e 10 bar. Líquido saturado sai do condensador a 10 bar. A vazão mássica do refrigerante é de 0,2 kg/s para operação em regime permanente. Determine:
a) A potência do compressor, em kW;
b) A eficiência isentrópica do compressor;
c) A taxa de transferência de calor fornecida ao edifício, em kW;
d) O coeficiente de desempenho; e
e) O custo total da eletricidade, em R$, para 80 horas de operação durante essa semana, avaliando a eletricidade em 15 centavos por kW.h
Estado 1: vapor saturado com T1 = -8 ºC → h1 = 242,54 kJ/kg e s1 = 0,9239 kJ/(kg.K)
Estado 2: vapor superaquecido com T2 = 50 ºC e P2 = 10 bar → h2 = 280,19 kJ/kg
Estado 3: líquido saturado com P3 = 10 bar → h3 = 105,29 kJ/kg
Estado 4: expansão através da válvula (processo isentalpico) → h4 = h3 = 105,29 kJ/kg
a) A potência do compressor, em kW;
b) A eficiência isentrópica do compressor;
	Encontra-se a h2s através de s1 = s2 = 0,9293 kJ/(kg.K). Procura-se s2 na tabela a seguir:
	
	Interpolando → h2s = 274,18 kJ/kg
	A eficiência no compressor será:
c) A taxa de transferência de calor fornecida ao edifício, em kW;
d) O coeficiente de desempenho
e) O custo total da eletricidade, em R$, para 80 horas de operação durante essa semana