RAC - Nota de Aula 1

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Instituto de Ciências Exatas e Tecnológicas
Campi São José dos Campos – Dutra
REFRIGERAÇÃO E AR CONDICIONADO
NOTA DE AULA 5
CICLOS DE REFRIGERAÇÃO
Sistemas de refrigeração para conservação de alimentos e ar condicionado desempenharam papéis importantes na nossa vida quotidiana. Portanto, uma das grandes áreas de aplicação da termodinâmica é a refrigeração, que é a transferência de calor de uma região de baixa temperatura para outra com temperatura mais alta. O ciclo de refrigeração mais utilizado é o ciclo de refrigeração por compressão de vapor, no qual o refrigerante é vaporizado e condensado alternadamente e é comprimido na fase de vapor. Outro ciclo de refrigeração conhecido é o ciclo de refrigeração a gás, no qual o refrigerante permanece sempre na fase gasosa. Neste capítulo serão explicados outros ciclos além dos que foram descritos acima.
A finalidade de um sistema de refrigeração é o de manter uma determinada região de frio a uma temperatura inferior à temperatura de seus arredores.
1. Refrigeradores e bombas de calor
A transferência de calor ocorre na direção da menor temperatura, ou seja, do maior potencial térmico (alta temperatura) para o menor potencial térmico (baixa temperatura). Nesta condição, o calor flui naturalmente sem a necessidade de nenhum dispositivo. No caso do processo inverso, ou seja, para se transferir calor da fonte de baixa temperatura para a de alta temperatura há a necessidade de dispositivos especiais chamados de refrigeradores, pois o processo não ocorre naturalmente.
Os refrigeradores são dispositivos cíclicos e os fluidos de trabalho utilizados nos ciclos de refrigeração são chamados de refrigerantes. Abaixo estão identificados alguns fluidos refrigerantes:
CCl3F - Tricloromonofluormetano, R-11 (CFC-11)
CHClF2 - Monoclorodifluormetano, R-22 (HCFC-22)
CHF2CHF2 - Tetrafluoretano, R-134 (HFC-134)
CF3CH2F - Tetrafluoretano, R-134a (HFC-134a)
	Outro dispositivo que transfere o calor de um meio a baixa temperatura para um meio de alta temperatura é a bomba de calor. Os refrigeradores e as bombas de calor são essencialmente iguais. Eles diferem apenas em seus objetivos:
	Refrigerador mantém o espaço refrigerado a baixa temperatura, removendo calor desse espaço e rejeitando-o em um ambiente com temperatura mais alta. A finalidade do refrigerador é manter a o ambiente refrigerado pela remoção do calor do compartimento frio e rejeitando-o num ambiente quente.
	Bomba de calor mantém o espaço aquecido a uma temperatura alta. Sendo assim, a bomba de calor absorve o calor de uma fonte de baixa temperatura fornecendo-o para um ambiente com alta temperatura.
	
	
	A performance dos refrigeradores e das bombas de calor é expressa em termos de coeficiente de performance (COP), definido por:
	Essas relações também podem ser expressas na forma de fluxo de calor e de trabalho , pois o resultado do um coeficiente (COP) é um número adimensional.
2. Capacidade de resfriamento de um sistema de refrigeração
A taxa de remoção de calor do espaço refrigerador quase sempre é expressa em termos de toneladas de refrigeração. Portanto, toneladas de refrigeração é a capacidade de um sistema de refrigeração que pode congelar 1 ton (2000 lbm) de água líquida a 0 ºC (32 ºF) e transforma-la em gelo a 0 ºC em 24 h. Sendo assim, uma tonelada de refrigeração é equivalente a 211 kJ/min ou 200 Btu/min. A carga de resfriamento de uma residência de 200 m2 está na faixa de 3 ton (10 kW)
3. Ciclo de Carnot de Refrigeração (Ciclo de Carnot Reverso)
Como estudado anteriormente o ciclo de Carnot é um ciclo totalmente reversível que consiste em dois processos isotérmicos reversíveis e em dois processos isentrópicos. Ele tem a eficiência térmica máxima para determinados limites de temperatura e serve como padrão com o qual os ciclos reais podem ser comparados. Como esse é um ciclo reversível, todos os quatros processos que compreendem o ciclo de Carnot podem ser revertidos. Esta reversão é chamada de Ciclo de Carnot Reverso, que define a forma de operar do refrigerador de Carnot ou a bomba de calor de Carnot.
Os coeficientes de performance dos refrigeradores de Carnot e das bombas de calor são expressos em termos de temperatura como:
	Percebe-se que os COP’s aumentam à medida que a diferença entre as duas temperaturas diminuem.
	O ciclo de Carnot reverso é o ciclo de refrigeração mais eficiente, sendo, portanto, idealizado como parâmetro de comparação.
	Os processos 1-2 e 3-4 podem ser muito próximos dos obtidos em evaporadores e condensadores reais, ou seja, não é difícil atingir na prática a transferência de calor à pressão constante. Entretanto, os processos 2-3 e 4-1 não podem ser obtidos na prática com exatidão, pois envolvem compressão de uma mistura bifásica líquido-vapor, sendo tal operação impraticável por um compressor.
4. Ciclo Ideal de Refrigeração por Compressão de Vapor
Os problemas citados anteriormente podem ser eliminados pela vaporização completa do refrigerante antes dele ser comprimido e pela substituição da turbina por um dispositivo de estrangulamento, como válvula de expansão ou um tubo capilar.
Válvula de Expansão
O ciclo de refrigeração por compressão de vapor é usado para refrigeradores, sistemas de condicionamento de ar e bombas de calor. 
Este ciclo consiste em quatro processos.
	1-2 - Compressão isoentrópica em um compressor;
	2-3 - Rejeição do calor a pressão constante no condensador;
3-4 - Estrangulamento em um dispositivo de expansão;
4-1 – Absorção de calor a pressão constante em um evaporador
Abaixo, encontra-se representada a figura de um refrigerador.
	Em um ciclo de refrigeração ideal por compressão de vapor o refrigerante entra no compressor (estado 1 do gráfico) como vapor saturado e é comprimido de forma isentrópica até a pressão do condensador. Nesta compressão, a temperatura aumenta até bem acima da temperatura da vizinhança.
	O refrigerante entra nas serpentinas do condensador como vapor superaquecido (estado 2 do gráfico) e sai como líquido saturado aquecido e com alta pressão. A transformação do vapor superaquecido com alta pressão em líquido saturado aquecido com alta pressão se deve à transferência de calor através das serpentinas para a vizinhança. Entretanto, a temperatura do líquido saturado se encontra acima da temperatura da vizinhança.
	O refrigerante líquido saturado (estado 3 do gráfico) é estrangulado até a pressão do evaporador ao passar através de uma válvula de expansão ou de um tubo capilar. Durante esse processo, a temperatura do refrigerante cai abaixo da temperatura do espaço refrigerado. Portanto, o refrigerante deixa a condição de líquido saturado aquecido e com alta pressão e se transforma em mistura líquido-vapor com baixo título, com baixa temperatura e com baixa pressão. Essa transformação se deve ao processo de estrangulamento.
	O refrigerante entra no evaporador (estado 4 do gráfico) como mistura líquido-vapor com baixo título de vapor e evapora completamente devido ao calor que é absorvido do espaço refrigerado. O refrigerante sai do evaporador como vapor saturado e entra novamente no compressor, completando o ciclo.
	Observe com atenção o diagrama T-s abaixo
Percebe-se que a quantidade de calor absorvida pelo refrigerante (Qf) no compartimento refrigerado (congelador), ou seja, o calor retirado do congelador pelo refrigerante é equivalente à área abaixo da curva 4-1 e a quantidade de calor rejeitada para vizinhança (Qq) é dada pela área abaixo da curva 2-1.
Uma regra prática diz que o COP melhora de 2% a 4% para cada ºC de elevação da temperatura de evaporação ou para cada ºC de diminuição da temperatura de condensação.
Analise, agora, o diagrama T-h mostrado na figura abaixo.
	Percebe-se que três dos quatros processos aparecem como linhas retas e as transferências de calor no condensador e no evaporador são proporcionais aos comprimentos das dos processos correspondente.
	O ciclo de refrigeração ideal por compressão de vapor não é um ciclo internamente reversíveluma vez que ele envolve o processo de estrangulamento, que por sua vez é um processo irreversível. Esse processo é mantido no ciclo para que seja um modelo mais realista do ciclo real de refrigeração por compressão de vapor.
	Se o dispositivo de estrangulamento fosse substituído por uma turbina isentrópica, o refrigerante estaria no evaporador no estado 4’, e não no estado 4, conforme ilustrado no diagrama T-s abaixo.
	A substituição da válvula de expansão por uma turbina não é uma solução prática, uma vez que os benefícios não justificam o custo e a complexidade adicionais.
	Pode-se considerar que os quatros processos do ciclo de refrigeração ocorrem em regime permanente e que as energias cinética e potencial são pequenas em relação ao trabalho e as transferências de calor, sendo, portanto, consideradas desprezíveis. Sendo assim, o balanço de energia em um ciclo de refrigeração por compressão de vapor é dado por:
	O condensador e o evaporador não envolvem trabalho e o compressor pode ser considerado adiabático. Sendo assim, os coeficientes de performances dos refrigeradores e das bombas de calor são dados por:
onde h1 = hv @ P1 e h3 = hl @ P3
Exemplo 11-1 – Termodinâmica – Yunus A. Çengel – 5ª Edição – pág. 496.
Um refrigerador utiliza refrigerante R-134ª como fluido de trabalho e opera em um ciclo de refrigeração por compressão de vapor entre 0,14 MPa e 0,8 MPa. Se a vazão mássica do refrigerante for de 0,05 kg/s, determine:
a) A taxa de remoção de calor do espaço refrigerado e a potência fornecida ao compressor;
b) A taxa de rejeição de calor para o ambiente;
c) O COP do refrigerador.
Resolução:
Representação do ciclo através de um diagrama T-s
Estado 1:
O refrigerante entra no compressor como vapor saturado com P1 = 0,14 MPa = 140 kPa
h1 = hv = 239,16 kJ/kg		s1 = sv = 0,94456 kJ/(kg.K)
Estado 2:
O refrigerante sai do compressor e entra no condensador como vapor superaquecido com P2 = 0,8 MPa = 800 kPa e com s1 = s2 = 0,94456 kJ/(kg.K)
Interpolando para valores entre 0,9183 e 0,9480 temos:
h2 = 275,39 kJ/kg
Estado 3:
O refrigerante sai do condensador e entra no dispositivo de estrangulamento como líquido saturado com P3 = 0,8 MPa = 800 kPa
h3 = hl = 95,47 kJ/kg 		
Estado 4:
O processo de estrangulamento é considerado um processo isentálpico, ou seja, a entalpia de entrada é igual a entalpia da saída. Sendo assim, h3 = h4 = 95,47 kJ/kg 
a) A taxa de remoção de calor do espaço refrigerado e a potência fornecida ao compressor
b) A taxa de rejeição de calor para o ambiente;
ou
c) O COP do refrigerador.
Ou seja, esse refrigerador remove cerca de 4 unidades de energia térmica do espaço refrigerado para cada unidade de energia elétrica que consome.
5. Ciclo Real de Refrigeração por Compressão de Vapor
	Um ciclo real de refrigeração por compressão de vapor difere do ciclo ideal devido às irreversibilidades que ocorrem em diversos componentes. A principais irreversibilidades presentes são o atrito do fluido (que causa queda de pressão) e as transferências de calor de ou para vizinhança. O diagrama T-s abaixo representa o ciclo real de refrigeração por compressão de vapor.
	No ciclo ideal, o refrigerante sai do evaporador e entra no compressor como vapor saturado. Na prática não é possível controlar o estado do refrigerante com tal exatidão. No ciclo real cria-se um sistema para que o refrigerante fique ligeiramente superaquecido na entrada do compressor. Essa modificação garante que o refrigerante esteja totalmente vaporizado quando entrar no compressor. (Lembre-se: Compressor não comprime líquido).
A linha que conecta o evaporador ao compressor em geral não é muito longa, entretanto a queda de pressão causada pelo atrito do fluido e pela transferência de calor da vizinhança para o refrigerante pode ser significativa.
O resultado do superaquecimento (ganho de calor na linha de conexão) e das quedas de pressão no evaporador e na linha de conexão é um aumento no volume específico e, portanto, um aumento nos requisitos de entrada de potência para o compressor, uma vez que o trabalho com escoamento em regime permanente é proporcional ao volume específico.
O proceso de compressão no ciclo ideal é internamente reversível e adiabático e, portanto, é isentrópico. Entretanto, o processo real de compressão envolve efeitos de atrito, que gera variação de entropia e transferência de calor. Dessa forma, a entropia do refrigerante pode aumentar (proceso 1-2) ou diminuir (processo 1-2’) durante um processo real de compressão, dependendo dos efeitos que dominam.
	O processo de compressão 1-2’ pode ser mais desejável do que o processo de compressão isentrópica, uma vez que o volume específico do refrigerante e o requisito de entrada de trabalho são menores neste caso. Assim, o refrigerante deve ser resfriado durante o processo de compressão sempre que isso for prático e econômico.
	No caso ideal, assume-se que o refrigerante sai do condensador como líquido saturado à pressão de saída do compressor. Na realidade, porém, uma certa queda de pressão é inevitável no condensador, bem como nas linhas que conectam o condensador ao compressor e á válvula de expansão. Não é facil executar o processo de condensação com precisão que permita que o refrigerante seja um líquido saturado no final, e não é desejável direcionar o refrigerante para válvula de expansão antes que ele esteja completamente condensado. Sendo assim, o refrigerante deve ser sub-resfriado de alguma forma antes de entrar na válvula de expansão. No entanto, não nos importamos com isso, uma vez que nesse caso o refrigerante entra no evaporador com entalpia mais baixa e, portanto, pode absorver mais calor do espaço refrigerado. A válvula de expansão e o evaporador em geral se localizam muito proximos entre si e a queda de pressão na linha de conexão é pequena.
Exemplo 11-2 – Termodinâmica – Yunus A. Çengel – 5ª Edição – pág. 498.
	O refrigerante R-134a entra no compressor de um refrigerador como vapor superaquecido a 0,14 MPa e -10 ºC a uma taxa de 0,05 kg/s e sai a 0,8 MPa e 50 ºC. O refrigerante é resfriado no condensador até 26 ºC e 0,72 MPa e é estrangulado até 0,15 MPa. Desprezando as transferências de calor e as quedas de pressão das linhas de conexão entre os componentes, determine:
a) A taxa de remoção de calor do espaço refrigerado e a entrada de potência no compressor;
b) A eficiência isentrópica do compressor e;
c) O coeficiente de performance do refrigerador.
Dados:
Estado 1: P1 = 0,14 MPa		T1 = -10 ºC		h1 = 246,36 kJ/kg
Estado 2: P2 = 0,8 MPa		T2 = 50 ºC		h2 = 286,69 kJ/kg
Estado 3: P3 = 0,72 MPa		T3 = 26 ºC		h3 ≈ hl @ 26 ºC = 87,83 kJ/kg
Estado 4: h4 ≈ h3 (estrangulamento) → h4 = 87,83 kJ/kg
a) A taxa de remoção de calor do espaço refrigerado e a entrada de potência no compressor:
e
b) A eficiência isentrópica do compressor:
Onde a entalpia 2s será obtida com P2s = 0,8 MPa e s2s = s1 = 0,9724 kJ/(kg.K)
Interpolando:
Assim:
c) O coeficiente de performance do refrigerador.
Exemplo 10.1 – Moran & Shapiro – 5ª Edição – pág. 459
O refrigerante 134a é o fluido de trabalho em um ciclo ideal refrigeração por compressão de vapor que possui uma região fria a 0 ºC e uma região quente a 26 ºC. Vapor saturado entra no compressor a 0 ºC e líquido saturado deixa o condensador a 26 ºC. A taxa de fluxo de massa do refrigerante é de 0,08 kg / s. Determine:
(a) a potência do compressor, em kW, 
(b) a capacidade de refrigeração, em toneladas, 
(c) o coeficiente de performance, e 
(d) o coeficiente de performance de um ciclo de refrigeração de Carnot operando entre as regiões quente 26 ºC e fria 0 ºC, respectivamente.
Dados:
Estado 1: vapor saturado com T1 = 0 ºC 
h1 = hv = 247,23 kJ/kg	s1 = sv = 0,9190 kJ/(kg.K)
Estado 2: vapor superaquecido 
A pressão no estado 2s é a pressão de saturação correspondente a 26 ºC, ou P2 = 6,853 bar. O Estado 2s é fixado por P2 e pelo de que a entropia específica é constante durante o processo de compressão adiabáticae internamente reversível. O refrigerante no estado 2s é um vapor superaquecido com h2s = 264,7 kJ / kg.
Estado 3: líquido saturado com T3 = 26 ºC. Sendo assim, h3 = hl = 85,75 kJ/kg.
Estado 4: A expansão através da válvula é um processo de estrangulamento pressuposto
h4 = h3 = 85,75 kJ/kg.
a) O trabalho no compressor será:
b) A capacidade de refrigeração, em toneladas de refrigeração (TR)
1 TR = 211 kJ/min
c) O coeficiente de performance do refrigerador COPR ou β será:
d) o coeficiente de performance de um ciclo de refrigeração de Carnot operando entre as regiões quente 26 ºC (299 K) e fria 0 ºC (273 K) será:
O ciclo de Refrigeração de Carnot define o βmáx através das temperaturas TF e TQ absolutas. Sendo assim:
Exemplo 10.3 – Moran & Shapiro – 5ª Edição – pág. 463
O refrigerante 134a é o fluido de trabalho em um ciclo ideal refrigeração por compressão de vapor que possui uma região fria a -10 ºC e uma região quente a 30 ºC. Vapor saturado entra no compressor a -10 ºC e líquido saturado deixa o condensador a 30 ºC. A taxa de fluxo de massa do refrigerante é de 0,08 kg / s e o compressor tem um rendimento de 80%. Determinar: 
a) a potência do compressor, em kW, 
b) a capacidade de refrigeração, em toneladas,
c) o coeficiente de desempenho.
Estado 1: vapor saturado com T1 = -10 ºC 
h1 = hv = 241,35 kJ/kg	s1 = sv = 0,9253 kJ/(kg.K)
Estado 2: vapor superaquecido P2 = 9 bar interpolando → h2s = 272,39 kJ / kg. 
Estado 3: aproximadamente líquido saturado com T3 = 30 ºC. Sendo assim:
 h3 = hl = 91,49 kJ/kg.
Estado 4: A expansão através da válvula é um processo de estrangulamento pressuposto
h4 = h3 = 91,49 kJ/kg.
a) O trabalho no compressor será:
b) A capacidade de refrigeração, em toneladas de refrigeração (TR)
1 TR = 211 kJ/min
c) O coeficiente de performance do refrigerador COPR ou β será: