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Refrigeração e Ar Condicionado
Ciclo de Refrigeração por Compressão de Vapor
Filipe Fernandes de Paula
filipe.paula@engenharia.ufjf.br
Departamento de Engenharia de Produção e Mecânica
Faculdade de Engenharia
Universidade Federal de Juiz de Fora
Engenharia Mecânica
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Introdução
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Introdução
I Como visto, o ciclo de Carnot, apesar de possuir a maior eficiência
posśıvel, não apresenta praticidade em aplicações de refrigeração;
I Por isso adota-se outro ciclo ideal de refirgeração, o chamado ciclo
teórico de refrigeração por compressão de vapor;
I Esse ciclo realiza duas importantes modificações no ciclo de Carnot:
I O refrigerante é aquecido até vapor saturado no evaporador;
I A turbina é trocada por um dispositivo chamado de válvula de
expansão
I Dessa forma, os processos do ciclo teórico por compressão de vapor
se aproximam dos processos do ciclo real;
I O ciclo ideal por compresão a vapor agora é utilizado como
comparação para os ciclo reais, pois possui o desempenho nas
mesmas condições.
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Introdução
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Ciclo Teórico de Refrigeração por Compressão
de Vapor
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Diagrama de Molier
I É um diagrama muito utilizado em refrigeração. É um diagrama de
estado do refrigerante em função da pressão e entalpia (P-h);
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Diagrama de Molier
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Ciclo Teórico por Compressão de Vapor
I Ciclo ideal por compressão de vapor pode ser escrito da seguinte
forma em um diagrama P-h.
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Ciclo Teórico por Compressão de Vapor
I 1 - 2: Ocorre no compressor, sendo um processo adiabático
reverśıvel (isentrópico). O refrigerante entra no compressor à
pressão do evaporador (Po) e (x = 1). O refrigerante é então
comprimido até atingir a pressão de condensação (Pc) e, ao sair do
compressor está superaquecido à temperatura T2.
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Ciclo Teórico por Compressão de Vapor
I 2 - 3: Ocorre no condensador, o refrigerante rejeita calor para o
meio de resfriamento a pressão constante. Neste processo o fluido
frigoŕıfico é resfriado da temperatura T2 até a temperatura de
condensação TC e, a seguir, condensado até se tornar ĺıquido
saturado na temperatura T3.
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Ciclo Teórico por Compressão de Vapor
I 3 - 4: Ocorre no dispositivo de expansão, sendo uma expansão
irreverśıvel a entalpia constante (processo isentálpico), desde a
pressão PC e ĺıquido saturado (x = 0), até a pressão de vaporização
(Po).
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Ciclo Teórico por Compressão de Vapor
I 4 - 1: Ocorre no evaporador, sendo um processo de transferência de
calor a pressão constante (Po), consequentemente a temperatura
constante (To), desde vapor úmido (estado 4), até atingir o estado
de vapor saturado seco (x = 1).
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Ciclo Real por Compressão de Vapor
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Ciclo Real por Compressão de Vapor
I As diferenças principais entre o ciclo real e o ciclo teórico são:
I Queda de pressão nas linhas de descarga, ĺıquido e de sucção assim
como no condensador e no evaporador;
I Sub-refriamento do refrigerante na sáıda do condensador (nem todos
os sistemas são projetados com sub-refriamento);
I Superaquecimento na sucção do compressor, que tem a finalidade de
evitar a entrada de ĺıquido no compressor;
I O processo de compressão, que no ciclo real é politrópico (s1 6= s2),
e no processo teórico é isentrópico.
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Balanço de Energia para o Ciclo de Refrigeração por
Compressão de Vapor
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Introdução
I O balanço de energia do ciclo de refrigeração é feito considerando-se
o sistema operando em,
I Regime permanente;
I Nas condições de projeto, ou seja, à temperatura de condensação
(TC ), e temperatura de vaporização (TO).
I Os sistemas reais e teóricos têm comportamentos idênticos, tendo o
ciclo real apenas um desempenho pior;
I A análise do ciclo teórico permitirá, de forma simplificada, verificar
quais parâmetros têm influência no desempenho do ciclo.
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Introdução
I Para realizar o balanço energético, utiliza-se a Primeira Lei da
Termodinâmica na seguinte forma,
ṁ
(
h+
V 2
2
+ gz
)
entra
− ṁ
(
h+
V 2
2
+ gz
)
sai
+ q− Ẇ = 0 (1)
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Capacidade Frigoŕıfica
I A capacidade frigoŕıfica (Q̇o) , é a taxa de calor retirada do meio
que se quer resfriar (produto), através do evaporador do sistema
frigoŕıfico.
Q̇o = ṁf (h1 − h4) (2)
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Capacidade Frigoŕıfica
I A quantidade de calor por unidade de massa de refrigerante retirada
no evaporador é chamada de Efeito Frigoŕıfico (EF), e é um dos
parâmetros usados para definir o fluido frigoŕıfico que será utilizado;
EF = h1 − h4 (3)
I Normalmente, se conhece Q̇o do sistema de refrigeração, a qual deve
ser igual à carga térmica, para operação em regime permanente;
I Se for estabelecido o ciclo e o refrigerante com o qual o sistema
trabalhará, pode-se determinar a vazão máxima de refrigerante, pois
as entalpias h1 e h4 são conhecidas;
I Consequentemente o compressor fica determinado.
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Potência Teórica de Compressão
I Potência teórica de compressão é a taxa quantidade de trabalho que
deve ser fornecido ao refrigerante, no compressor, para se obter a
elevação de pressão necessária ao do ciclo teórico;
Ẇc = ṁf (h2 − h1) (4)
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Calor Rejeitado no Condensador
I A função do condensador é transferir calor do fluido frigoŕıfico para
o meio de resfriamento do condensador (água ou ar);
Q̇c = ṁf (h2 − h3) (5)
I O condensador deve ser capaz de rejeitar a taxa de calor calculada,
a qual depende da carga térmica do sistema e da potência de
acionamento do compressor.
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Dispositivo de Expansão
I No dispositivo de expansão, o processo teórico é adiabático, neste
caso, aplicando-se a primeira lei da termodinâmica, em regime
permanente, desprezando-se as variações de energia cinética e
potencial, tem-se:
h3 = h4 (6)
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Coeficiente de Performance do Ciclo
I Embora o COP do ciclo real seja sempre menor que o do ciclo
teórico, para as mesmas condições de operação, pode-se com o ciclo
teórico, verificar que parâmetros influenciam no desempenho do
sistema;
COP =
Energia Util
Energia Gasta
=
h1 − h4
h2 − h1
(7)
I O COP é função somente das propriedades do refrigerante,
consequentemente, depende das temperaturas de condensação e
vaporização;
I Para o ciclo real o desempenho dependerá em muito das propriedades
na sucção do compressor, do próprio compressor e dos demais
equipamentos do sistema.
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Resumo do Balanço de Energia
Evaporador Q̇o = ṁf (h1 − h4)
Condensador Q̇c = ṁf (h2 − h3)
Compressor Ẇc = ṁf (h2 − h1)
Válvula de expansão h3 = h4
COP COP =
h1 − h4
h2 − h1
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Exemplo
I Exemplo 1 - O refrigerante R134a é utilizado como refrigerante em
um ciclo ideal por compressão. Na entrada do compressor tem-se
vapor saturado a 0°C e na sáıda do condensador tem-se ĺıquido
saturado a 26°C. A vazão mássica de refrigerante é 0,08 kg/s.
Determine:
(a) A potência de compressão em [kW];
(b) A capacidade de refrigeração;
(c) O coeficiente de performance;
(d) O coeficiente de performance do ciclo de Carnot operando entre as
regiões quente e fria.
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Exemplo
I Exemplo 2 - O refrigerante R134a é utilizado como refrigerante em
um ciclo de compressão de vapor. Na entrada do compressor tem-se
vapor saturado a -10°C e na sáıda do condensador tem-se ĺıquido
saturado a 9 bar. A vazão mássica de refrigerante é 0,08 kg/s.
Determine:
(a) Potência de compressão em kW;
(b) A capacidade de refrigeração;
(c) O coeficiente de performance.
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Parâmetros que Influenciam o COP do Ciclo
de Refrigeração
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Temperatura de Evaporação no COP do Ciclo Teórico
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Temperatura de Evaporação no COP do Ciclo Teórico
I Para ilustrar o efeito que a temperatura de evaporação tem sobre a
eficiência do ciclo será considerado um conjunto de ciclos em que
somente a temperatura de evaporação (To) é alterada. Nesta
análise utilizou-se R22 comorefrigerante;
I Como pode ser observado, uma redução na temperatura de
evaporação resulta em redução do COP, isto é, o sistema se torna
menos eficiente.
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Temperatura de Evaporação no COP do Ciclo Teórico
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Temperatura de Evaporação no COP do Ciclo Teórico
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Temperatura de Evaporação no COP do Ciclo Teórico
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Temperatura de Condensação no COP do Ciclo Teórico
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Temperatura de Condensação no COP do Ciclo Teórico
I Como no caso da temperatura de vaporização, a influência da
temperatura de condensação é mostrada em um conjunto de ciclos
onde apenas se altera a temperatura de condensação (Tc);
I Com o aumento da temperatura do condensador, o COP do ciclo
diminui;
I Observe que uma variação na temperatura de condensação, resultou
em menor variação do COP, se comparado com a mesma faixa de
variação da temperatura de evaporação.
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Temperatura de Condensação no COP do Ciclo Teórico
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Temperatura de Condensação no COP do Ciclo Teórico
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Temperatura de Condensação no COP do Ciclo Teórico
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Sub-resfriamento do Ĺıquido no COP do Ciclo Teórico
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Sub-resfriamento do Ĺıquido no COP do Ciclo Teórico
I Com o aumento do sub-resfriamento, existe um pequeno aumento
do COP do sistema;
I Embora haja um aumento no COP do ciclo com o aumento do
sub-resfriamento, na prática se utiliza um sub-resfriamento para
garantir que se tenha somente ĺıquido na entrada do dispositivo de
expansão, o que mantém a capacidade frigoŕıfica do sistema.
I O subresfriamento é conseguido na prática com os seguintes
métodos;
I Super dimensionamento do condensador;
I Posicionamento adequado do fluxo de refrigerande e fluido
refrigerado;
I Trocador de calor adicional.
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Sub-resfriamento do Ĺıquido no COP do Ciclo Teórico
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Sub-resfriamento do Ĺıquido no COP do Ciclo Teórico
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Sub-resfriamento do Ĺıquido no COP do Ciclo Teórico
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Superaquecimento Útil no COP do Ciclo Teórico
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Superaquecimento Útil no COP do Ciclo Teórico
I Quando o superaquecimento do refrigerante ocorre retirando calor
do meio que se quer resfriar, chama-se a este superaquecimento de
superaquecimento útil ;
I O superaquecimento pode ser obtido através do controle da
expansão na válvula.
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Superaquecimento Útil no COP do Ciclo Teórico
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Superaquecimento Útil no COP do Ciclo Teórico
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Superaquecimento Útil no COP do Ciclo Teórico
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Superaquecimento Útil no COP do Ciclo Teórico
I A variação do COP com o superaquecimento depende do
refrigerante;
I Nos casos mostrados,
I Para o R717 o COP sempre diminui;
I Para o R134a o COP sempre aumenta;
I Para o R2, há um aumento inicial e depois uma diminuição;
I Para outras condições do ciclo (variando To e Tc), poderá ocorrer
comportamento que difere do mostrado.
I Mesmo para os casos em que o superaquecimento melhora o COP
ele diminui a capacidade frigoŕıfica do sistema de refrigeração.
I Assim, só se justifica o superaquecimento do fluido, por motivos de
segurança, para evitar a entrada de ĺıquido no compressor.
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Trocador de Calor Intermediário
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Trocador de Calor Intermediário
I Também conhecido como trocador de calor de linha de sucção.
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Trocador de Calor Intermediário
I Alguns sistemas frigoŕıficos utilizam trocadores de calor que resfriam
o ĺıquido que sai do condensador com o vapor que sai do evaporador;
I É usual em instalações de pequeno porte;
I Aplicando-se a Primeira Lei da Termodinâmica ao trocador de calor
como um todo, tem-se:
h3′ − h3 = h1 − h1′ (8)
I Aplicando-se a Primeira Lei da Termodinâmica ao refrigerante pelo
lado do condensador e pelo lado do evaporador no trocador de calor
intermediário, tem-se:
Q̇TCI = h3′ − h3 = h1 − h1′ (9)
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Trocador de Calor Intermediário
I Comparando com o ciclo ideal por compressão de vapor, o ciclo com
trocador intermediário é vantajoso devido ao aumento do efeito
frigoŕıfico (h1′ − h4) e COP;
I Nem sempre ocorre esses efeitos de melhora do ciclo, pois a
temperatura de sucção do compressor aumenta.
I Duas são as razões para se utilizar o trocador intermediário:
I Superaquecimento para evitar entrada de ĺıquido no compressor;
I Sub-resfriamento do ĺıquido que sai do condensador, a fim de evitar
bolhas de vapor, que podem dificultar o escoamento pela válvula de
expansão.
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Exemplo
I Exemplo 3 - Um ciclo padrão de compressão a vapor, utilizando
R-22, desenvolve 50kW de refrigeração, operando a uma
temperatura de condensação de 35°C e uma temperatura de
evaporação de −10°C . Determine:
(a) O efeito de refrigeração;
(b) A vazão de refrigerante;
(c) A potência do compressor;
(d) O COP;
(e) A vazão volumétrica medida na sucção do compressor;
(f) A temperatura de descarga do compressor;
(g) Potência adicional para garantir um superaquecimento de 6°C e o
COP para esse caso.
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Exemplo
I Exemplo 4 - Um sistema de compressão a vapor utilizando R-22,
utiliza um trocador de calor entre o gás de aspiração e ĺıquido, o
qual aquece o vapor saturado do evaporador de −10°C a 5°C com o
ĺıquido do condensador a 30°C . A compressão é isentrópica para os
casos a seguir.
(a) Calcule o COP do sistema sem trocador de calor;
(b) Calcule o COP com trocador de calor;
(c) Qual a capacidade de refrigeração do sistema sem trocador de calor
se o compressor bombeia 12L/s, referidos ao estado do vapor na
aspiração do compressor?
(d) Qual a capacidade de refrigeração do sistema com trocador de calor
se para um compressor com a mesma capacidade do item anterior?
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Bombas de Calor
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Bombas de Calor
I Bombas de calor possuem a função de aquecer determinado
ambiente, retirando calor de um ambiente mais frio;
I Esses sistemas são iguais aos sistemas de refrigeração, tendo como
diferença apenas que o calor cedido pelo condensador é o objetivo
desejado;
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Bombas de Calor
I As bombas de calor funcionam segundo o ciclo de compressão de
vapor, e podem ser analisadas da mnesma forma que refrigeradores;
I Como a energia útil agora é o calor cedido pelo condensador, o COP
das bombas de calor são calculadas da seguinte forma,
γ =
h2 − h1
h2 − h3
(10)
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Bombas de Calor
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	Introdução
	Ciclo Teórico de Refrigeração por Compressão de Vapor
	Ciclo Real por Compressão de Vapor
	Balanço de Energia para o Ciclo de Refrigeração por Compressão de Vapor
	Parâmetros que Influenciam o COP do Ciclo de Refrigeração
	Temperatura de Evaporação no COP do Ciclo Teórico
	Temperatura de Condensação no COP do Ciclo Teórico
	Sub-resfriamento do Líquido no COP do Ciclo Teórico
	Superaquecimento Útil no COP do Ciclo Teórico
	Trocador de Calor Intermediário
	Bombas de Calor