RAC_Modulo_2 2

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Professor Me. Leonardo G. F. Andrade RAC Módulo 2 1
O ciclo ideal de refrigeração por compressão 
de vapor
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O ciclo de Carnot tem problemas de teor prático!
Na prática, os processos 1-2 e 3-4 não são de
difícil obtenção. Garantir pressão e temperatura
constante durante o processo de mudança de fase
em condensadores e evaporadores não é distante
da realidade.
No entanto, os processos isentrópicos 2-3 e 4-1
não são práticos.
2-3: seria necessário um compressor com bom
funcionamento com o fluido em duas fases (líq.+
gas.).
4-1: Expansão do fluido refrigerante com alto teor
de umidade em uma turbina.
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O ciclo ideal de refrigeração por compressão 
de vapor
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Uma das soluções: ciclo de carnot for a da região de 
saturação
Condições isotérmicas durante a
absorção e rejeição de calor no
evaporador e condensador
respectivamente são extremamente
difíceis.
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O ciclo ideal de refrigeração por compressão 
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Muitas das dificuldades observadas no ciclo de Carnot 
reverso podem ser eliminadas pela vaporização completa do 
refrigerante antes da compressão e a substituição turbina
por um dispositivo de estrangulamento!
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O ciclo ideal de refrigeração por compressão 
de vapor
Muitas das dificuldades observadas no ciclo de Carnot 
reverso podem ser eliminadas pela vaporização completa do 
refrigerante antes da compressão e a substituição turbina
por um dispositivo de estrangulamento!
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Isentrópico, 
entalpia CAI
Isentálpico!
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Isto resulta no ciclo ideal de refrigeração por compressão de 
vapor, comumente utilizado em geladeiras e aparelhos de ar
condicionado caseiros / industriais e bombas de calor.
O ciclo:
1-2: Compressão isentrópica em um compressor.
Note que apenas vapor existirá neste ponto!
2-3: Rejeição de calor a pressão constante.
Acontecerá em um condensador.
3-4: Estrangulamento em um dispositivo de
expansão. Acontecerá em uma válvula ou um
capilar.
4-1: Absorção de calor à pressão constante em um
evaporador.
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O ciclo ideal de refrigeração por compressão 
de vapor
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Isto resulta no ciclo ideal de refrigeração por compressão de 
vapor, comumente utilizado em geladeiras e aparelhos de ar
condicionado caseiros / industriais e bombas de calor.
O ciclo:
1: vapor saturado.
2: vapor superaquecido
3: líquido saturado
4: mistura líquido + vapor, baixo título de vapor.
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O ciclo ideal de refrigeração por compressão 
de vapor
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Isto resulta no ciclo ideal de refrigeração por compressão de 
vapor, comumente utilizado em geladeiras e aparelhos de ar
condicionado caseiros / industriais e bombas de calor.
Note que se fosse utilizada uma turbina com
expansão de fluido de maneira isentrópica, o
processo 3-4 seria substituído por 3-4’.
Esta mudança aumentaria ou reduziria a
capacidade de refrigeração?
No entanto não é uma medida prática. A
representação deste ciclo utilizando uma válvula
de expansão é mais realista.
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O ciclo ideal de refrigeração por compressão 
de vapor
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Em um refrigerador caseiro:
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Em um refrigerador caseiro:
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Outro diagrama (análogo) importante:
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Balanço de energia:
Considere que todos os quatro componentes neste
ciclo de refrigeração estão em escoamento em
regime permanente.
Ainda, as variações de energia cinética e potencial
são pequenas em relação aos termos de trabalho
e transferência de calor! Com isso, podem ser
negligenciados e desprezados.
Com isso, a equação de energia do escoamento
em unidade de massa será:
𝑞𝑒𝑛𝑡 − 𝑞𝑠𝑎𝑖 + 𝑤𝑒𝑛𝑡 −𝑤𝑠𝑎𝑖 = ℎ𝑠𝑎𝑖 − ℎ𝑒𝑛𝑡
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O ciclo ideal de refrigeração por compressão 
de vapor
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COPs:
Com isso, os coeficientes de performance de
refrigeração e de bomba de calor serão,
respectivamente:
𝐶𝑂𝑃𝑅 =
𝑞𝐿
𝑤𝑙𝑖𝑞._𝑒𝑛𝑡
=
ℎ1 − ℎ4
ℎ2 − ℎ1
𝐶𝑂𝑃𝐵𝐶 =
𝑞𝐻
𝑤𝑙𝑖𝑞._𝑒𝑛𝑡
=
ℎ2 − ℎ3
ℎ2 − ℎ1
Onde h1 = gás e h3 = líquido para o caso ideal!
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Exercício exemplo
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Um refrigerador utiliza refrigerante-134a como fluido de trabalho, que opera em um ciclo
de compressão de vapor entre 0,14 e 0,8 MPa. Se a vazão mássica do fluido é
0,05kg/s, determine (a) a taxa de remoção de calor do espaço refrigerado, (b) a
potência fornecida ao compressor, (c) a taxa de rejeição de calor ao ambiente, (d) o
COPR e COPBC.
Lembre-se!
Estamos adotando duas hipóteses aqui. 
Existem condições estáveis de operação 
(regime permanente) e as variações de 
energia cinética e potencial são 
desprezíveis.
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Questões para estudo
2. Um ciclo ideal de refrigeração por
compressão de vapor (R-134a)
mantém um condensador a 1000
kPa e o evaporador a 4°C.
Determine o COP desse sistema e
a potência necessária para
atender uma carga de
resfriamento de 400 kW. (R: 6,46;
61,9 kW).
1. Por que não são utilizadas turbinas isentrópicas no lugar de válvulas de expansão
nos ciclos ideais de refrigeração por compressão de vapor?
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Questões para estudo
3. Um ciclo ideal de refrigeração por compressão de vapor (R-134a) opera entre as
pressões de 0,12 MPa e 0,7 MPa. A vazão mássica do refrigerante é 0,05 kg/s.
Mostre este ciclo em um diagrama T-s. Determine (a) a taxa de remoção de calor do
espaço refrigerado e a entrada de potência no compressor, (b) a taxa de remoção de
calor para o ambiente e (c) o coeficiente de performance de refrigeração.
4. Repita o exercício 5 considerando a utilização de uma turbina isentrópica no lugar
da válvula de expansão insentálpica. Determine o aumento do COP.
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Questões para estudo
5. Um refrigerador utiliza o
refrigerante-134a como fluido
de trabalho e opera no ciclo
ideal de refrigeração por
compressão de vapor. O
refrigerante entra no
evaporador a 120 kPa com um
título de 30% e sai do
compressor a 60°C.
Considerando que o
compressor consome 450 W de
potência, determine (a) a vazão
mássica do refrigerante, (b) a
pressão no condensador e (c) o
COP do refrigerador. (R: (a)
0,00727 kg/s; (b) 672 kPa; (c)
2,43)
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Questões para estudo
6. Uma bomba de calor opera no ciclo por compressão de vapor ideal utilizando
refrigerante-134a como fluido de trabalho. Essa bomba de calor é utilizada para
manter um espaço a 25°C mediante a absorção de calor a uma taxa de 2,7 kW de
água geotérmicaque flui através do evaporador. O evaporador opera a 20°C e
condensador opera a 1400 kPa. O compressor recebe trabalho igual a 20 kJ por
quilograma de refrigerante que escoa para ele.
a) Faça um esboço dessa bomba de calor e do seu diagrama T-s.
b) Determine a taxa da transferência de calor para o espaço aquecido a 25°C.
c) Determine o COP da bomba de calor.
Dados do R-134a:
T = 20°C: hl = 79,3 kJ/kg; hv = 261,6 kJ/kg.
P = 1400 kPa: hl = 127,2 kJ/kg; hv = 276,2 kJ/kg
(R: (b) 3,10 kW; (c) 7,72)