Cap5_Termo

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Universidade Federal de Santa Catarina 
Departamento de Engenharia Mecânica 
EMC 5406 – Termodinâmica Aplicada 
Prof. Jader R Barbosa Jr. 
 
Capítulo 5. Ciclos de Refrigeração 
 
Exercícios Propostos 
 
1. Um ciclo de refrigeração de Carnot operando em regime permanente utiliza o refrigerante 
R-134a como fluido de trabalho. O refrigerante muda de fase de vapor saturado para 
líquido saturado a 30ºC no condensador enquanto rejeita calor. A pressão do evaporador é 
de 160 kPa. Mostre o ciclo em um diagrama T-s com as linhas de saturação e determine: 
(a) o coeficiente de performance, (b) a quantidade de calor absorvido do espaço refrigerado 
e (c) a entrada líquida de trabalho. Respostas: (a) 5,64, (b) 147 kJ/kg, (c) 26,1 kJ/kg 
 
2. Considere dois ciclos de refrigeração por compressão de vapor. O refrigerante entra na 
válvula de expansão como líquido saturado a 30ºC em um ciclo e como líquido 
subresfriado a 30ºC no outro. A pressão do evaporador de ambos os ciclos é igual. Qual 
ciclo você acha que terá o COP mais alto? 
 
3. Um refrigerador comercial com refrigerante R-134a como fluido de trabalho é usado para 
manter o espaço refrigerado a -30ºC rejeitando o calor dissipado para a água de 
resfriamento que entra no condensador a 18ºC a uma vazão de 0,25 kg/s e dele sai a 26ºC. 
O refrigerante entra no condensador a 1,2 MPa e 65ºC e sai a 42ºC. O estado de entrada do 
refrigerante no compressor é 60kPa e -34ºC. Estima-se que o compressor receba calor a 
uma taxa de 450W da vizinhança. Determine (a) o título do refrigerante na entrada do 
evaporador, (b) a capacidade de refrigeração, (c) o COP do refrigerador e (d) a capacidade 
de refrigeração máxima (teórica) para a mesma potência entregue ao compressor. 
Respostas: (a) 0,48, (b) 5,85 kW, (c) 2,33, (c) 12,72 kW 
 
 
 
 
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4. Um refrigerador usa refrigerante R-134a como fluido de trabalho e opera em um ciclo ideal 
(padrão) de refrigeração por compressão de vapor entre 0,12 e 0,7 MPa. A vazão mássica 
do refrigerante é 0,05 kg/s. Mostre o ciclo em um diagrama T-s com as linhas de saturação. 
Determine: (a) taxa de remoção de calor do espaço refrigerado e a potência entregue ao 
compressor, (b) a taxa de rejeição de calor para o ambiente e (c) o coeficiente de 
performance. Respostas: (a) 7,41 kW, 1,83 kW, (b) 9,23kW, (c) 4,06. 
 
5. Considere um sistema de refrigeração de 300kJ/min que opera em um ciclo de refrigeração 
ideal (padrão) por compressão de vapor com o refrigerante R-134a como fluido de 
trabalho. O refrigerante entra no compressor como vapor saturado a 140kPa e é 
comprimido até 800kPa. Mostre o ciclo em um diagrama T-s com as linhas de saturação 
determine (a) o título do refrigerante ao final do processo de estrangulamento, (b) o 
coeficiente de performance e (c) a potência entregue ao compressor. Respostas: (a) 0,322 
kW, (b) 3,97, (c) 1,26 kW. 
 
6. O refrigerante R-134a entra no compressor de um refrigerador como vapor superaquecido 
a 0,14 MPa e -10ºC a uma taxa de 0,12 kg/s, e sai a 0,7 MPa e 50ºC. O refrigerante é 
resfriado no condensador até 24ºC e 0,65 MPa e estrangulado até 0,15 MPa. Desprezando a 
transferência de calor e as quedas de pressão nas linhas de conexão entre os componentes, 
mostre o ciclo em um diagrama T-s com as linhas de saturação e determine (a) a taxa de 
remoção de calor do espaço refrigerado e a potência entregue ao compressor (b) a 
eficiência isentrópica do compressor e (c) o COP do refrigerador. Respostas: (a) 19,4 kW, 
5,06 kW, (b) 82,5%, (c) 3,83. 
 
7. Um refrigerador utiliza o refrigerante R-134a como fluido de trabalho e opera no ciclo de 
refrigeração por compressão de vapor mostrado abaixo. O refrigerante entra no evaporador 
a 120 kPa com um título de 30% e sai do compressor a 60ºC. Se o compressor consome 
450W de potência, determine (a) a vazão mássica do refrigerante, (b) a pressão do 
condensador e (c) o COP do refrigerador. Respostas: (a) 0,00727 kg/s, (b) 672 kPa, (c) 
2,43. 
 
 
 
8. Considere um sistema de refrigeração que utiliza o refrigerante R-134a como fluido de 
trabalho. Para que esse refrigerador opere em um ambiente a 30ºC, qual é a pressão 
mínima até a qual o refrigerante deve ser comprimido? Por quê? 
 
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9. Um refrigerador que opera no ciclo ideal por compressão de vapor com o refrigerante R-
134a deve manter o espaço refrigerado a -10ºC e rejeitar o calor para o ambiente a 25ºC. 
Selecione pressões razoáveis para o evaporador e o condensador e explique por que 
selecionou esses valores. 
 
10. Uma bomba de calor que usa o refrigerante R-134a aquece uma casa usando água 
subterrânea a 8ºC como fonte de calor. A casa perde calor a uma taxa de 60.000 kJ/h. O 
refrigerante entra no compressor a 280 kPa e 0ºC e sai dele a 1 MPa e 60ºC. O refrigerante 
sai do condensador a 30ºC. Determine (a) a potência requerida para acionar a bomba de 
calor (b) a taxa com a qual calor é absorvido pela água e (c) o aumento da potência elétrica 
se um aquecedor elétrico a resistência fosse usado no lugar da bomba de calor. Respostas: 
(a) 3,55 kW, (b) 13,12 kW, (c) 13,12 kW 
 
11. Uma bomba de calor com o refrigerante R-134a como fluido de trabalho é usada para 
manter um espaço a 25ºC absorvendo o calor da água geotérmica que entra no evaporador 
a 50ºC, taxa de 0,065 kg/s e sai a 40ºC. O refrigerante entra no evaporador a 20ºC com 
título de 23% e sai à pressão de entrada no compressor como vapor saturado. O 
refrigerante perde 300 W de calor para a vizinhança à medida que escoa através do 
compressor e o mesmo deixa o compressor a 1,4 MPa à mesma entropia da entrada. 
Determine (a) o grau de sub-resfriamento do refrigerante no condensador, (b) a vazão 
mássica do refrigerante, (c) a capacidade de aquecimento e o COP da bomba de calor e (d) 
a potência mínima (teórica) requerida pelo compressor para a mesma capacidade de 
aquecimento. Respostas: (a) 3,8ºC, (b) 0,0194 kg/s, (c) 3,07 kW, 4,68, (d) 0,238 kW 
 
 
 
12. Um sistema de refrigeração por compressão de dois estágios opera com o refrigerante R-
134a entre os limites de pressão 1 MPa e 0,14 MPa. O refrigerante sai do condensador 
como líquido saturado e é estrangulado até um separador de líquido que opera a 0,5 MPa. 
O refrigerante que sai do compressor de baixa pressão a 0,5 MPa também é direcionado 
para o separador de líquido. O vapor do separador de líquido é comprimido até a pressão 
do condensador pelo compressor de alta pressão, e o líquido é estrangulado até a pressão 
do evaporador. Considerando que o refrigerante sai do evaporador como vapor saturado e 
que ambos os compressores são isentrópicos, determine (a) a fração do refrigerante que 
evapora à medida que é estrangulado até o separador de líquido, (b) a taxa de calor 
removida do espaço refrigerado para uma vazão mássica de 0,25 kg/s através do 
condensador e (c) o coeficiente de performance. Respostas: (a) 0,183 (b) 33,88kW, (c) 3,75 
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13. Um condicionador de ar com refrigerante R-134a como fluido de trabalho é usado para 
manter uma sala a 26ºC rejeitando calor dissipado para o ar externo a 34ºC. A sala ganha 
calor através das paredes e janelas a uma taxa de 250 kJ/min, enquanto o calor gerado pelo 
computador, pela TV e pelas luzes soma 900 W. Uma quantidade desconhecida de calor 
também é gerada pelas pessoas que estão na sala. As pressões do condensador e do 
evaporador são 1.200 e 500 kPa, respectivamente. O estado do refrigerante é de líquido 
saturado na saída do condensador e de vapor saturado na entrada do compressor. Se o 
refrigerante entrar no compressor a uma vazão de 100 l/min e a eficiência isentrópica do 
compressor for de 75%, determine (a) a temperatura do refrigerante na saída do 
compressor, (b) a taxa de geração de calor pelas pessoas que estão na sala, (c) o COP do 
condicionador de ar e (d) a vazão volumétrica mínima de refrigerante na entrada do 
compressor para as mesmas condições de entrada e saída do compressor. Respostas: (a) 
54,5ºC, (b) 670 W, (c) 5,87, (d) 15,7 l/min 
 
 
 
14.Uma bomba de calor para aquecimento de água promove o seu aquecimento absorvendo o 
calor do ambiente e transferindo-o para a água. A bomba de calor tem um COP de 2,2 e 
consome 2 kW de eletricidade quando em funcionamento. Determine se essa bomba de 
calor pode ser usada para atender às necessidades de resfriamento de uma sala na maior 
parte do tempo “gratuitamente” absorvendo calor do ar da sala. A taxa de ganho de calor 
de uma sala normalmente é menor do que 5000 kJ/h.