Ciclo de Refrigeração - EXERCÍCIO RESOLVIDO COM EXPLICAÇÃO

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TERMODINÂMICA 
 
CICLO DE REFRIGERAÇÃO– EXERCÍCIO RESOLVIDO 
 
Considere um ciclo frigorífico ideal que utiliza R – 134a como fluido de trabalho. A temperatura do 
refrigerante no evaporador é de -20 °C e no condensador é 40 °C. Sabendo que a vazão de 
refrigerante no ciclo é de 0,03 kg/s, determine o coeficiente de eficácia e a capacidade de 
refrigeração desta máquina frigorífica. 
 
Resolução: Bom, a primeira coisa que devemos fazer sobre o ciclo de Refrigeração é realmente 
entender como ele funciona. Pra isso, vamos olhar o esquema abaixo: 
 
 
 
Percorrendo o caminho a partir do ponto 1, vemos que o fluido de trabalho adentra no 
compressor, que será responsável por aumentar a pressão do fluido a partir do gasto de energia. 
Se observarmos o processo 1 – 2 no diagrama T – s, veremos que o processo no compressor 
ocorre com entropia constante, ou seja, o processo ocorrerá de forma adiabática e reversível. 
Seguindo no ponto 2, vemos que o fluido, agora com pressão mais alta, adentra o condensador, 
que será responsável por remover energia do escoamento. Esse processo 2 – 3 ocorre a pressão 
constante. Seguindo no ponto 3, o fluido entra na válvula de expansão, que será responsável por 
expandir o fluido, ou seja, aumentar seu volume específico, reduzindo sua pressão. Esse processo, 
por não haver a formação de trabalho e por ocorrer de forma adiabática, é considerado a entalpia 
constante. Por fim, o fluido adentra no evaporador, que será responsável por fornecer energia ao 
escoamento (essa energia é removida do ambiente a ser refrigerado, como o interior de uma 
geladeira). Esse processo ocorre a uma pressão reduzida e com essa pressão estando constante. 
 
Pelo diagrama, também podemos perceber que o estados do fluido na saída de cada um dos 
equipamentos é: 
 
- Saída do evaporador (Ponto 1): vapor saturado; 
- Saída do compressor (Ponto 2): vapor superaquecido; 
- Saída do condensador (Ponto 3): líquido saturado; 
- Saída da válvula de expansão (Ponto 4): líquido + vapor; 
 
Então, dito tudo isso, vamos começar a calcular o que precisamos. O enunciado pede pra 
calcularmos o coeficiente de desempenho (COP) e o efeito frigorífico (EF), mas como fazemos 
isso? Pelas equações abaixo: 
 TERMODINÂMICA 
 
𝐶𝑂𝑃 =
𝑄𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟
𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑜𝑟 
 
 
𝐸𝐹 = ℎ1 − ℎ4 
 
Ou seja, o coeficiente de desempenho considera o quanto gastamos de energia no compressor 
para remover determinada quantidade calor de um ambiente pelo evaporador. Quanto maior a 
COP, melhor é o processo. 
 
Então, pra resolver, temos que calcular os calores trocados em cada um dos equipamentos. Pra 
isso, vamos aplicar a 1ª lei da termodinâmica em cada um deles, utilizando as aproximações que 
já falamos anteriormente. 
 
Dados do problema: Como sabemos, a temperatura no evaporador é de -20°C e, conforme o 
diagrama T – s, ela é constante no processo 4 - 1, ou seja: 
 
𝑻𝟏 = 𝑻𝟒 = −𝟐𝟎 °𝑪 
 
 
Sabemos também que na saída do evaporador, temos vapor saturado, ou seja: 
𝑥1 = 1 
 
Como o processo 4 – 1 ocorre a pressão constante e com o título de vapor no ponto 1 igual a 1, 
podemos determinar a pressão nesses dois pontos como a pressão de saturação do R – 134 a na 
temperatura de -20 °C, sendo então: 
𝑃4 = 𝑃1 = 132,8 𝑘𝑃𝑎 
 
No enunciado, também nos foi informado que a temperatura do condensador é igual a 40 °C, ou 
seja, como o processo ocorre a pressão constante, sabemos que: 
 
𝑻𝟑 = 𝟒𝟎 °𝑪 
 
Como também foi dito, o estado na saída do condensador é líquido saturado, então, o título de 
vapor será: 
𝒙𝟑 = 𝟎 
Como sabemos que a pressão no ponto será a de saturação para T3 é que a pressão no ponto 2 é 
igual à pressão no ponto 3, teremos: 
 
𝑃2 = 𝑃3 = 𝑃𝑠𝑎𝑡(𝑇 = 40°𝐶) = 1017 𝑘𝑃𝑎 
 
 TERMODINÂMICA 
 
Agora, somos capazes de calcular várias propriedades que vamos precisar para determinar este 
exercício: 
 
 Ponto 1: Determinar entalpia e entropia na saída do evaporador: 
Pela tabela termodinâmica abaixo para o R 134 a saturado, teremos: 
 
 
 
Como podemos ver, para a temperatura de -20 °C e estado de vapor saturado, teremos: 
 
ℎ1 = 386,083
𝑘𝐽
𝑘𝑔
 
𝑠1 = 1,7395
𝑘𝐽
𝑘𝑔
 
 
 Ponto 2: Determinar entalpia e entropia na saída do compressor: 
 
Como sabemos, o processo no compressor (entre 1 e 2) ocorre com entropia constante, ou seja: 
 
𝑠2 = 1,7395
𝑘𝐽
𝑘𝑔
 
 
Como sabemos também, a pressão no ponto 2 é de 1017 kPa e o fluido encontra-se no estado de 
vapor superaquecido. Pela tabela termodinâmica de vapor superaquecido, podemos determinar 
a entalpia nesse ponto: 
 TERMODINÂMICA 
 
 
 
Pela tabela cima, para a pressão de aproximadamente 1000 kPa = 1 Mpa, sabemos que a entalpia 
será: 
 
ℎ2 = 428,4 𝑘𝐽/𝑘𝑔 
 
 
 Ponto 3: Determinar entalpia na saída do condensador: 
 
Na saído do condensador, sabemos que a pressão será a mesma do ponto 2, com líquido 
saturador, ou seja, título igual a zero. 
Sendo assim, pela tabela de líquido saturado, vamos determinar somente a entalpia, que será: 
 
ℎ3 = 256,5 𝑘𝐽/𝑘𝑔 
 
 Ponto 4: Determinar entalpia na saída da válvula de expansão: 
 
Como dito anteriormente, o processo na válvula de expansão ocorre a entalpia constante, ou 
seja: 
 
ℎ4 = ℎ3 = 256,5 𝑘𝐽/𝑘𝑔 
 
 
 TERMODINÂMICA 
 
Pronto! Agora podemos determinar o que foi pedido no exercício. Primeiramente, vamos calcular 
o trabalho realizado pelo compressor, sendo então: 
 
𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑜𝑟 = �̇�. (ℎ2 − ℎ1) = 0,04. (428,4 − 386,1) 
𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑠𝑜𝑟 = 1,692 𝑘𝑊 
 
Agora, vamos determinar o calor trocado no evaporador, sendo então: 
 
𝑄𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 = �̇�. (ℎ1 − ℎ4) = 0,04. (386,1 − 256,5) 
𝑄𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 = 5,184 𝑘𝑊 
 
O valor acima consiste da capacidade que o refrigerador possui de refrigerar um determinado 
ambiente. 
 
Resposta: Agora, vamos determinar o efeito frigorífico, sendo então: 
 
𝑬𝑭 = 𝒉𝟏 − 𝒉𝟒 = 𝟏𝟐𝟗, 𝟔 𝒌𝑾 
 
Para determinar o coeficiente de desempenho, fazemos: 
 
𝑪𝑶𝑷 =
𝑸𝒆𝒗𝒂𝒑𝒐𝒓𝒂𝒅𝒐𝒓
𝑾𝒄𝒐𝒎𝒑𝒓𝒆𝒔𝒔𝒐𝒓 
=
𝟓, 𝟏𝟖𝟒
 𝟏, 𝟔𝟗𝟐
 
 
𝑪𝑶𝑷 = 𝟑, 𝟎𝟔𝟒