Slide - Sistemas de Refrigeração Compressão de Vapor - 2024-1

Sistemas de Refrigeração Compressão de Vapor Prof. Dr. Renato Belli Strozi rstrozi@unicamp.br LE504 - TERMODINÂMICA II Observações • Não há atividade semanal • Discussão sobre o documento de consulta para prova (Fim da aula) 2 Bibliografia Material Complementar: • Prof. Dr. Jorge Sá - Refrigeradores https://youtu.be/zZ2VlGgbCfc?feature=shared • 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 • Apresentar os conceitos dos refrigeradores e das bombas de calor e a medida de seu desempenho • Analisar o ciclo de refrigeração por compressão de vapor ideal • Discutir a operação dos sistemas de refrigeração e bomba de calor 4 Introdução • Refrigeradores e bombas de calor Material Complementar: Prof. Dr. Jorge Sá - Refrigeradores https://youtu.be/zZ2VlGgbCfc?feature=shared 5 Refrigeração 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. Revisão 6 • Máquina térmica É sabido que o calor flui na direção das regiões com temperatura mais alta para aquelas com temperatura mais baixa. Processo espontâneo Refrigeração • Princípio de funcionamento Reservatório Quente, Tq Reservatório Frio, Tf Qq Qf W 7 Processo não espontâneo É necessário trabalho para transferir calor da região a baixas temperaturas para região a altas temperaturas. 𝑊 ? ? ? ? ? ? Refrigeração 8 • Ciclo de refrigeração por compressão de vapor Trabalho de compressão de vapor para conduzi-lo ao estado de vapor superaquecido Figura adaptada: Çengel e Boles (2013) É essencialmente um ciclo de Rankine modificado que opera ao contrário Refrigeração 9 Temperatura de operação Figura adaptada: Moran e Shapiro (2018) • Ciclo de refrigeração por compressão de vapor Diagrama esquemático T-s para o R134a ➢ Da mesma forma, a temperatura que o fluido acessa o ambiente aquecido (condensador) é superior ou igual à temperatura do ambiente aquecido. ➢ A temperatura do fluido de trabalho ao acessar o espaço refrigerado (evaporador) é menor ou igual à temperatura do ambiente refrigerado. Refrigeração 10 • Ciclo de refrigeração por compressão de vapor 4-1: Transferência de calor do espaço refrigerado para a mistura bifásica de refrigerante que escoa no evaporador a pressão constante até que o refrigerante se torne vapor saturado. Processo isobárico e isotérmico com progressivo aumento do título do vapor. Qent ṁ = Δ𝐻4−1 = (ℎ1−ℎ4) Capacidade frigorífica ou de refrigeração Figura adaptada: Çengel e Boles (2013) Refrigeração 11 • Ciclo de refrigeração por compressão de vapor 1-2: O refrigerante que acessa o compressor como vapor saturado sofre compressão isentrópica até a pressão do condensador. Estado final: vapor superaquecido a alta temperatura. Ẇc ṁ = Δ𝐻1−2 = (ℎ2−ℎ1) Trabalho de compressão Figura adaptada: Çengel e Boles (2013) Refrigeração 12 • Ciclo de refrigeração por compressão de vapor 2-3: Rejeição de calor a pressão constante em um condensador. 𝑉𝑎𝑝. 𝑆𝑢𝑝𝑒𝑟𝑎𝑞𝑢𝑒𝑐𝑖𝑑𝑜 → 𝐿í𝑞. 𝑆𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑑𝑜. Qsai ṁ = Δ𝐻2−3 = (ℎ2−ℎ3) A temperatura do refrigerante no estado 3 ainda está acima ou igual a temperatura da vizinhança aquecida. Como resultado, ainda há rejeição de calor para a vizinhança. Figura adaptada: Çengel e Boles (2013) 13 • Dispositivo de estrangulamento Refrigeração Balanço da taxa de energia para um volume de controle ⅆ𝐸𝑣𝑐 𝑑𝑡 = 𝑄 − 𝑊 + 𝑚𝑒 ℎ𝑒 + 𝑉𝑒2 2 + 𝑔𝑧𝑒 − 𝑚𝑠 ℎ𝑠 + 𝑉𝑠2 2 + 𝑔𝑧𝑠 ➢ Idealmente não há troca de calor ou realização de trabalho com a vizinhança ➢ As variações das energias cinética e potencial do refrigerante geralmente são pequenas com relação aos termos de trabalho de fluxo e portanto podem ser desprezadas. Logo: ℎ𝑒 − ℎ𝑠 = 0 0 0 0 0 0 0 ➢ Para o caso de regime permanente, as vazões mássicas e as taxas de transferência de calor não se alteram com o tempo, assim: 𝑚𝑒 = 𝑚𝑠 e Τ 𝑑𝐸𝑣𝑐 𝑑𝑡 = 0 0 Refrigeração 14 • Ciclo de refrigeração por compressão de vapor 3-4: Estrangulamento em um dispositivo de expansão. Δ𝐻3−4 = 0 Processo isentálpico Figura adaptada: Çengel e Boles (2013) ℎ3 = ℎ4 O refrigerante se expande da pressão do condensador (líquido saturado) até a pressão do evaporador, resultando em uma mistura bifásica. 𝒑 e 𝑻 diminuem e o título de vapor aumenta. Refrigeradores 15 • Se o dispositivo de estrangulamento fosse substituído por uma turbina isentrópica, o refrigerante entraria no evaporador no estado 4', e não no estado 4. Todos os processos descritos anteriormente são reversíveis, com exceção do processo de estrangulamento. • No processo 3-4 a entropia específica aumenta. • Porém, a substituição da válvula de expansão por uma turbina não é uma solução prática, uma vez que os benefícios não justificam o custo e a complexidade adicionais. • Sobre o estrangulamento: 3-4 Figura adaptada: Çengel e Boles (2013) • Parâmetros de desempenho Refrigeradores Vs Bombas de calor Refrigeração 16 São dispositivos essencialmente iguais. Porém, com objetivos distintos. O objetivo de um refrigerador é manter o espaço refrigerado a uma temperatura baixa, removendo o calor desse espaço. Figura adaptada: Moran e Shapiro (2018) O objetivo de uma bomba de calor é manter um espaço aquecido a uma temperatura alta, fornecendo calor a esse espaço. 𝑄𝑒𝑛𝑡 𝑄𝑠𝑎𝑖 • Parâmetros de desempenho Coeficiente de desempenho ou performance (β) Refrigeração 17 𝑄𝑒𝑛𝑡 𝑊𝑐 = β𝑅 = ℎ1 − ℎ4 (ℎ2−ℎ3) − (ℎ1−ℎ4) β𝑅 = 𝑏𝑒𝑛𝑒𝑓í𝑐𝑖𝑜 𝑐𝑢𝑠𝑡𝑜 = ℎ1 − ℎ4 ℎ2 − ℎ1 1ª LEI: 𝑊𝑐 = 𝑄𝑠𝑎𝑖 − 𝑄𝑒𝑛𝑡 Refrigeradores Figura adaptada: Moran e Shapiro (2018) • Parâmetros de desempenho Coeficiente de desempenho ou performance (β) Refrigeração 18 𝑄𝑠𝑎𝑖 𝑊𝑐 = β𝐵𝐶 = ℎ2 − ℎ3 (ℎ2−ℎ3) − (ℎ1−ℎ4) β𝐵𝐶 = 𝑏𝑒𝑛𝑒𝑓í𝑐𝑖𝑜 𝑐𝑢𝑠𝑡𝑜 = ℎ2 − ℎ3 ℎ2 − ℎ1 Bombas de calor 1ª LEI: 𝑊𝑐 = 𝑄𝑠𝑎𝑖 − 𝑄𝑒𝑛𝑡 Figura adaptada: Moran e Shapiro (2018) Aspectos gerais • Escolha do fluido de trabalho: Figura: Quoilin (2011) 19 ➢ Faixas de temperatura e pressão dos fluidos são importantes para escolha. ➢ Utilizar as tabelas do refrigerante R134a para todos os possíveis estados. (Termo II - LE504) Atividade Semanal Atividade Semanal 10: Data da entrega: 18/04/2024 Individual, escrita à mão em folha de papel Exemplo resolvido 9.6 Borgnakke e Sonntag, 8ª Edição Considere um ciclo de refrigeração a vapor ideal que utiliza R-134a como fluido de trabalho. A temperatura do refrigerante no evaporador é -20ºC e no condensador é 40ºC. Sabendo que a vazão de refrigerante no ciclo é 0,03 kg/s: a) Esboce o diagrama T-s b) Determine a capacidade de refrigeração da instalação c) Determine o coeficiente de desempenho Resposta: 𝑄𝑒𝑛𝑡 = 3,88 𝑘𝑊 e β = 3,06 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. 20 What’s next? • Sistemas de refrigeração a gás 21