Sistemas de Refrigeração e Bomba de Calor - Anotações de Aula

Capítulo 10 Sistemas de refrigeração e bomba de calor Joaquim E A Seabra EM460 Ciclo de refrigeração de Carnot 𝛽𝑚𝑎𝑥 ሶ𝑄𝑒𝑛𝑡 ሶ𝑚 ሶ𝑊𝑐 ሶ𝑚 ሶ𝑊𝑡 ሶ𝑚 𝑇𝐶𝑠𝑎 𝑠𝑏 𝑇𝐻 𝑇𝐶𝑠𝑎 𝑠𝑏 𝑇𝐶 𝑇𝐻 𝑇𝐶 Desvios do ciclo de Carnot Transferências de calor irreversíveis Evitase a compressão molhada Sacrifício do trabalho na turbina 𝛽 𝑇𝐶 𝑇𝐻 𝑇𝐶 é menor que max Refrigeração por compressão de vapor Refrigeração por compressão de vapor Assumindo que na válvula e no compressor ocorram processos adiabáticos e desprezando os efeitos das energias cinética e potencial ሶ𝑄𝑒𝑛𝑡 ሶ𝑚 ℎ1 ℎ4 ሶ𝑊𝑐 ሶ𝑚 ℎ2 ℎ1 ሶ𝑄𝑠𝑎𝑖 ሶ𝑚 ℎ2 ℎ3 ℎ4 ℎ3 Transferências de energia adotadas como positivas nos sentidos das setas 0 ሶ𝑄𝑉𝐶 ሶ𝑊𝑉𝐶 𝑒 ሶ𝑚𝑒ℎ𝑒 𝑠 ሶ𝑚𝑠ℎ𝑠 Refrigeração por compressão de vapor Taxa de calor transferido ሶ𝑄𝑒𝑛𝑡 é conhecida como a capacidade frigorífica Tonelada de refrigeração TR 1 TR indica capacidade de congelar 1 tonelada curta 2000 lbm de água a 0C em 24 horas 1 TR 200 Btumin 211 kJmin Fornecimento de potência líquida é igual à potência do compressor Coeficiente de desempenho do sistema 𝛽 ሶ𝑄𝑒𝑛𝑡 ሶ𝑚 ሶ𝑊𝑐 ሶ𝑚 ℎ1 ℎ4 ℎ2 ℎ1 Ciclo ideal de compressão de vapor Ciclo ideal de compressão de vapor R134a Ref DP Wilson RS Baus ASHRAE TRANSACTIONS 1988 Vol 94 part 2 DTU Department of Energy Engineering Energy Systems Refrigeration a in kJkg K v in m³kg Tin C MJ Skowrup HJH Knudsen 991025 Pressure Bar Enthalpy kJkg Ciclo real de compressão de vapor Transferências de calor não são realizadas de maneira reversível Compressão irreversível Perdas de pressão ao longo dos componentes não representadas na figura Vapor superaquecido na saída do evaporador e estado subresfriado na saída do condensador Exemplo Refrigerante 134a entra no compressor de um sistema de refrigeração como vapor superaquecido a 014 MPa e 10C a uma vazão de 004 kgs saindo a 07 MPa e 50C O refrigerante é resfriado no condensador a 24C e 065 MPa e então estrangulado a 015 MPa Desconsiderando qualquer transferência de calor e perda de pressão na tubulação que conecta os componentes determine a A capacidade frigorífica b A potência consumida pelo compressor c A eficiência isentrópica do compressor d O COP do refrigerador Fluidos refrigerantes Propriedades dos refrigerantes Aspectos importantes na escolha de um refrigerante Temperatura na qual se deseja a refrigeração Tipo de equipamento a ser utilizado Pressões não muito baixas no evaporador Pressões não muito altas no condensador Estabilidade química toxidez corrosividade e custo Propriedades dos refrigerantes Domínio dos CFCs entre 1940 e início dos anos 1990 Preocupação com os efeitos do cloro na camada de ozônio levou a acordos internacionais para a extinção do uso de CFCs Substituição por HCFCs e HFCs e mais recentemente fluidos naturais Refrigerante antigo R11 R12 R22 R502 Refrigerante alternativo R123 R245fa R134a R600a R401A R409A R404A R717 R744 R290 R410A R407C R404A R717 T744 Sistemas em cascata e em multiestágio Ciclos em cascata Os refrigerantes nos dois ou mais estágios podem ser selecionados de modo a apresentar pressões razoáveis no evaporador e no condensador nos dois ou mais intervalos de temperatura O coeficiente de desempenho é dado por 𝛽 ሶ𝑄𝑒𝑛𝑡 ሶ𝑊𝑐𝐴 ሶ𝑊𝑐𝐵 Exemplo Considere um sistema de refrigeração por compressão de vapor operando com dois estágios em cascata entre os limites de pressão de 12 MPa e 200 kPa O refrigerante 134a é o fluido de trabalho A rejeição de calor do ciclo inferior para o superior ocorre num trocador de calor isolado onde as pressões em cada lado são 05 e 04 MPa Em ambos os ciclos o refrigerante sai do condensador como líquido saturado e entra como vapor saturado nos compressores cujas eficiências isentrópicas são iguais a 80 Se a vazão mássica do refrigerante no ciclo inferior é 015 kgs determine a A vazão mássica do refrigerante no ciclo superior b A taxa de remoção de calor do espaço refrigerado c O COP do refrigerador Compressão multiestágio com interresfriamento Exemplo Um sistema de refrigeração por compressão de vapor utiliza um arranjo mostrado na figura anterior para a compressão em dois estágios com inter resfriamento entre os estágios O refrigerante 134a é o fluido de trabalho O vapor saturado a 30C entra no compressor de primeiro estágio A câmara de separação e o trocador de calor de contado direto operam a 4 bar e a pressão no condensador é 12 bar Correntes de líquido saturado a 12 e 4 bar entram respectivamente nas válvulas de expansão de alta e baixa pressões Se cada compressor opera isentropicamente e se a capacidade frigorífica do sistema é 10 TR determine a A potência de acionamento de cada compressor b O coeficiente de desempenho Refrigeração por absorção Refrigeração por absorção Compressor Ciclo de refrigeração Brayton Ciclo de refrigeração Brayton Warm region at TH Heat exchanger Ṽcycle Wc Wt Turbine Compressor Heat exchanger Qin Cold region at TC a b T Constant pressure Constant pressure s 4 4s 3 2s 2 1 TH TC 3 1 Ciclo de refrigeração Brayton Desprezandose os efeitos de transferência de calor com as vizinhanças e as variações de energia cinética e potencial temos em RP Efeito de refrigeração Coeficiente de desempenho ሶ𝑊𝑐 ሶ𝑚 ℎ2 ℎ1 ሶ𝑊𝑡 ሶ𝑚 ℎ3 ℎ4 ሶ𝑄𝑒𝑛𝑡 ሶ𝑚 ℎ1 ℎ4 𝛽 ሶ𝑄𝑒𝑛𝑡 ሶ𝑚 ሶ𝑊𝑐 ሶ𝑚 ሶ𝑊𝑡 ሶ𝑚 ℎ1 ℎ4 ℎ2 ℎ1 ℎ3 ℎ4 Ciclo de refrigeração Brayton Qin Heat exchanger Ṽcycle Turbine Compressor Qout a b 1 2 3 4 T 2 1 a b 3 4 TH s Resfriamento de cabines de avião Ambient air in To combustor Main jet engine compressor Heat transfer to ambient Air extracted for cabin cooling Auxiliary turbine Auxiliary power Cool air to cabin Bomba de calor Unidade interior 3 Unidade interior 2 Unidade interior 1 Acumulador ACS Unidade exterior Módulo Hidráulico Piso radiante Ciclo de bomba de calor de Carnot 𝛾𝑚𝑎𝑥 ሶ𝑄𝑠𝑎𝑖 ሶ𝑚 ሶ𝑊𝑐 ሶ𝑚 ሶ𝑊𝑡 ሶ𝑚 𝑇𝐻𝑠𝑎 𝑠𝑏 𝑇𝐻 𝑇𝐶𝑠𝑎 𝑠𝑏 𝑇𝐻 𝑇𝐻 𝑇𝐶 Bombas de calor por compressão de vapor 𝛾 ሶ𝑄𝑠𝑎𝑖 ሶ𝑚 ሶ𝑊𝑐 ሶ𝑚 ℎ2 ℎ3 ℎ2 ℎ1 Bombas de calor com reversão Expansion valve Inside heat exchanger Outside heat exchanger Reversing valve Heating mode Cooling mode Compressor Exemplo Refrigerante R134a entra no compressor de uma bomba de calor por compressão de vapor a 1 bar e 20C e é comprimido adiabaticamente até 12 bar e 70C O líquido entra na válvula de expansão a 12 bar e 36C Na saída da válvula a pressão é de 1 bar Determine a A eficiência isentrópica do compressor b O coeficiente de desempenho da bomba de calor c Realize um balancete completo da exergia para a potência de acionamento do compressor em kJkg de refrigerante Admita T0 270 K