Slide - Sistemas de Refrigeração a Gás - 2024-1

Sistemas de refrigeração a gás Prof. Dr. Renato Belli Strozi rstrozi@unicamp.br LE504 - TERMODINÂMICA II Observações • Não há atividade semanal • 18/04: Atividade Pré 1 (Individual e consulta livre) Entrega do material de consulta para Avaliação Conceitual 1 Entrega da Atividade Semanal 10 (Refrig. Vapor) 2 Bibliografia Material Complementar: • ÇENGEL, Y.A.; BOLES, M.A. Termodinâmica. 7ª Ed. Editora Mcgraw-hill Interamericana, 2013. Moran e Shapiro: Tema de estudo: Cap. 10 3 Conceitos fundamentais • Demonstrar conhecimento dos princípios de operação dos sistemas de refrigeração a gás e discutir seu funcionamento • Analisar o ciclo e a medida de seu desempenho 4 Introdução 5 É a transferência de calor de uma região com temperatura mais baixa para outra com temperatura mais alta. Os dispositivos que produzem refrigeração são chamados de refrigeradores, e os ciclos nos quais eles operam são chamados de ciclos de refrigeração. Refrigeração: Revisão 6 O fluido de trabalho é sempre um gás, ao contrário dos sistemas de potência a vapor, nos quais o fluido de trabalho alternava entre os estados líquido e gasoso. Relembrando o ciclo Brayton de potência Revisão 7 Instalações de potência a gás Modo fechado Modo aberto Revisão 8 1-2: Compressão isentrópica do ar. 2-3: Adição de calor a pressão constante. 3-4: Expansão isentrópica do ar. 4-1: Rejeição de calor a pressão constante. Ciclo de potência Brayton Refrigeração a gás 9 Ciclo de refrigeração Brayton Figura adaptada: Borgnakke e Sonntag, 8ª Edição Ciclo Ideal: é essencialmente reverso do ciclo de potência Brayton. 1-2: Compressão isentrópica do fluido de trabalho: 2-3: Rejeição de calor para a fonte quente: 3-4: Expansão isentrópica do ar aquecido pela turbina: 4-1: Adição de calor da fonte fria: e 𝑃1 < 𝑃2 𝑇1 < 𝑇2 e 𝑃2 = 𝑃3 𝑇2 > 𝑇3 ≥ 𝑇𝑎𝑚𝑏. 𝑇3 > 𝑇4 e 𝑃3 > 𝑃4 𝑇4 < 𝑇1 ≤ 𝑇𝑟𝑒𝑓 e 𝑃4 = 𝑃1 10 A magnitude do trabalho desenvolvido pela turbina em um ciclo de refrigeração Brayton é relevante quando comparada ao trabalho solicitado pelo compressor. Logo: 4-1: Capacidade frigorífica Qent ṁ = Δ𝐻4−1 = (ℎ1−ℎ4) 2-3: Calor rejeitado Qsai ṁ = Δ𝐻2−3 = (ℎ2−ℎ3) 1-2: Trabalho de compressão Ẇc ṁ = Δ𝐻1−2 = (ℎ2−ℎ1) 3-4: Trabalho de expansão Ẇt ṁ = Δ𝐻3−4 = (ℎ3−ℎ4) Análise do ciclo de refrigeração a gás Ẇ𝑙𝑖𝑞 ṁ = Ẇ𝑐 −Ẇ𝑡 = (ℎ2 − ℎ1) − (ℎ3 −ℎ4) Refrigeração a gás 11 Refrigeração a gás Parâmetros de desempenho Coeficiente de desempenho ou performance = 𝑄𝑒𝑛𝑡 𝑊𝑙𝑖𝑞 𝐶𝑂𝑃 = 𝑏𝑒𝑛𝑒𝑓í𝑐𝑖𝑜 𝑐𝑢𝑠𝑡𝑜 = (ℎ1−ℎ4) (ℎ2−ℎ1) − (ℎ3−ℎ4) Ciclos de refrigeração a gás possuem uma eficiência inferior a ciclos de compressão a vapor. Porém, ciclos de refrigeração a gás podem atingir temperaturas bastante baixas. Principal vantagem. ➢ Por exemplo, são adequados para liquefação de gases e aplicações criogênicas. Ciclo padrão a ar 12 1. Ar é fluido de trabalho para todo o ciclo. Considerado gás ideal. 2. Não há entrada e saída de ar. Ar segue circuito fechado 4. Os calores específicos (𝐶𝑣 e 𝐶𝑝) do ar são considerados constantes e avaliados na temperatura ambiente (análise de ar-padrão frio). 3. Todos os processos são internamente reversíveis. Refrigeração a gás Ciclo padrão a ar 13 𝐶𝑣 e 𝐶𝑝 constantes 𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝 𝑚 = 𝑐𝑝 (𝑇2 − 𝑇1) 𝑊𝑡𝑢𝑟𝑏 𝑚 = 𝑐𝑝 𝑇3 − 𝑇4 𝑄𝑒𝑛𝑡 𝑚 = 𝑐𝑝 (𝑇1 − 𝑇4) 𝑄𝑠𝑎𝑖 𝑚 = 𝑐𝑝 (𝑇2 − 𝑇3) Refrigeração a gás ℎ(𝑇𝑏) − ℎ(𝑇𝑎) = න T𝑎 T𝑏 𝑐𝑝 𝑇 ⅆ𝑇 Variação de Entalpia: = 𝑐𝑝 (𝑇𝑏 − 𝑇𝑎) Válido pq 𝐶𝑝 = cte 14 Refrigeração a gás Parâmetros de desempenho Coeficiente de desempenho ou performance = 𝑄𝑒𝑛𝑡 𝑊𝑙𝑖𝑞 𝐶𝑂𝑃 = 𝑏𝑒𝑛𝑒𝑓í𝑐𝑖𝑜 𝑐𝑢𝑠𝑡𝑜 = (ℎ1−ℎ4) (ℎ2−ℎ1) − (ℎ3−ℎ4)= 𝑐𝑝 (𝑇1 − 𝑇4) 𝑐𝑝 (𝑇2 − 𝑇1) − 𝑐𝑝 𝑇3 − 𝑇4 Ar padrão frio Utilizando a hipótese de ar padrão frio para e as relações para processos isentrópicos apresentadas na Tabela 9.1 de Revisão do Modelo de Gás Ideal: 𝐶𝑂𝑃 = 𝑐𝑝 (𝑇1 − 𝑇4) 𝑐𝑝 (𝑇2 − 𝑇1) − 𝑐𝑝 𝑇3 − 𝑇4 = 1 𝑇2 𝑇1 − 1 = 1 𝑟𝑝 (𝑘−1) 𝑘 − 1 𝑟𝑝 = 𝑃2 𝑃1 Atividade Semanal Atividade Semanal 11: Data da entrega: 16/04/2024 Individual, escrita à mão em folha de papel Exemplo resolvido 10.6 Borgnakke e Sonntag, 8ª Edição Considere o ciclo de ar-padrão de refrigeração Brayton. O ar entra no compressor a 0,1 MPa e -20ºC, e deixa o mesmo a 0,5 MPa. Considerando calor específico constante e sabendo que o ar entra na turbina a 15ºC, determine: a) O coeficiente de desempenho do ciclo. (Resposta: 1,711) b) A descarga de ar no compressor, em kg/s, para fornecer 1 kW de refrigeração (Resposta: 0,014 kg/s) Importante: Não se esqueça de esboçar diagramas, demonstrar os cálculos e fazer comentários sempre que necessário. Utilize o exercício como se estivesse estudando para recordar no futuro. 15 Em aula! What’s next? • Avaliação do processo de ensino-aprendizagem 16