Termodinamica da Refrigeração - Ciclo de Carnot e Bomba de Calor

Termodinâmica Refrigeração Vantagem da Bomba de Calor sobre o Aquecimento a Resistência Elétrica Efeito Joule o que você instalaria em sua casa Como COPR é positivo temos que COPHP 1 Em um aquecedor a resistência Wnet é totalmente convertido em QH por Efeito Joule processo totalmente irreversível Com a bomba de calor QH Wnet pois COPHP 1 Em outras palavras para um mesmo QH o trabalho necessário para operar a bomba de calor pode ser menor reduzindo o consumo de energia Termodinâmica Refrigeração Algumas unidades empregadas em refrigeração A capacidade de refrigeração calortempo é usualmente expressa em TR tonelada de refrigeração 1 TR calor necessário para transformar 1 ton 2000 lbm de água líquida a 0ºC em gelo a 0ºC em 24 h 1 TR 200 Btumin 12000 Btuhr 211 kJmin 35 kW Termodinâmica Refrigeração Operando o ciclo de Carnot no sentido oposto obtemos um ciclo frigorífico totalmente reversível 12 Compressão reversível e adiabática s cte 23 Rejeição de calor a T cte com ΔT 0 34 Expansão reversível e adiabática s cte 41 Fornecimento de calor a T cte com ΔT 0 Seu COP definido como COPR ou COPHP não pode ser superado por nenhum ciclo Termodinâmica Refrigeração COP do ciclo de Carnot COPR qL wnet 1ª Lei Ciclo wnet qH qL Assim COPR qL qH qL 2ª Lei Processos a T cte qH TH s2 s3 qL TL s1 s4 Substituindo COPR TL TH TL Efetuando a mesma análise para a bomba de calor obtemos COPHP TH TH TL Termodinâmica Refrigeração Comportamento do COPR de Carnot em função das temperaturas Termodinâmica Refrigeração Executando o ciclo frigorífico no domo de saturação do fluido de trabalho refrigerante Se o escoamento do fluido refrigerante no condensador e no evaporador for ideal sem queda de pressão Os processos 23 e 41 ocorrerão a p cte e consequentemente a T cte Dificuldades compressão de mistura LV golpe de líquido expansão de mistura LV líquido na turbina Inviabilizam a execução do ciclo de Carnot Termodinâmica Refrigeração O diagrama ph O diagrama pressãoentalpia é amplamente utilizado na análise de ciclos de refrigeração A principal vantagem é que os processos 23 34 e 41 aparecem como linhas retas e as entalpias podem ser lidas diretamente do eixo das abscissas tornando os balanços de energia nos componentes mais imediatos COPR qL wnet h1 h4 h2 h1 COPHP qH wnet h2 h3 h2 h1 Termodinâmica Refrigeração Sistemas de Bombas de Calor operação quentefrio Highpressure liquid Lowpressure liquidvapor Lowpressure vapor Highpressure vapor Termodinâmica Refrigeração Não há um fluido refrigerante universal Sua escolha depende da aplicação Características desejáveis Não ser tóxico Não ser inflamável Não ser corrosivo Não ser prejudicial ao meio ambiente Ser quimicamente estável Ter alta entalpia de vaporização minimiza a vazão mássica Estar disponível a um baixo custo Termodinâmica Refrigeração Uma análise qualitativa Kitchen air 25ºC Freezer compartment 18ºC 3ºC Evaporator coils Capillary tube Condenser coils Compressor Termodinâmica Refrigeração O desempenho do ciclo de um estágio se deteriora com o aumento de THTL A capacidade de refrigeração diminui A potência de compressão aumenta Consequentemente o COP diminui Com a realização da compressão em mais de um estágio é possível aumentar o COP do sistema em relação ao ciclo com compressão em um estágio Termodinâmica Refrigeração Um refrigerador utiliza R134a e opera em um ciclo padrão entre 014 MPa e 08 MPa Se a vazão mássica de refrigerante for igual a 005 kgs determine a Capacidade de refrigeração b Potência fornecida ao compressor c Calor taxa rejeitada ao ambiente externo d COP do sistema Das tabelas de saturação e superaquecimento do R134a p1 014 MPa h1 hv 23916 kJkg s1 sv 09446 kJkgK p2 08 MPa s2 s1 h2 27539 kJkg p3 08 MPa h3 hl 9547 kJkg h4 h3 9547 kJkg Termodinâmica Refrigeração a Capacidade de refrigeração QL ṁh1 h4 718 kW b Potência de compressão Win ṁh2 h1 181 kW c Calor rejeitado QH QL Win 899 kW d COP COP QL Win 397 Termodinâmica Refrigeração Exemplo R134a entra no compressor de um refrigerador como vapor superaquecido a 014 MPa e 10ºC com uma vazão de 005 kgs e dele sai a 08 MPa e 50ºC O refrigerante é condensado até 26ºC e 072 MPa e estrangulado até 015 MPa Desprezando as trocas de calor e a queda de pressão nas linhas entre os componentes determine a Capacidade de refrigeração b Potência fornecida ao compressor e sua ηC c Calor taxa rejeitada ao ambiente externo d COP do sistema Das tabelas de saturação e superaquecimento p1 014 MPa T1 10ºC h1 2464 kJkg p2 08 MPa T2 50ºC h2 2867 kJkg p3 072 MPa T3 26ºC h3 hf26ºC 878 kJkg h4 h3 878 kJkg Termodinâmica Refrigeração a Capacidade de refrigeração QL ṁh1 h4 793 kW aumentou pois há ΔTsub no condensador b Potência de compressão e eficiência isentrópica Win ṁh2 h1 202 kW aumentou ηC h2s h1 h2 h1 2842 2464 2867 2464 094 c Calor rejeitado QH QL Win 995 kW d COP COP QL Win 393 diminuiu Termodinâmica Balanço de Energia Transiente É a operação na qual as propriedades do estado variam com o tempo Esta operação ocorre no acionamento ou desligamento de turbinas compressores e motores Também em reservatórios em enchimento ou em descarga Nestes casos a hipótese de regime permanente não ocorre Termodinâmica Balanço de Energia Transiente 0 0 0 t t t vc e s e s dm m dt m dt dt 0 0 0 t t vc vc e s e s m t m m dt m dt 0 t e e m m dt 0 t s s m m dt quantidade de massa penetrando no volume de controle através das entradas e do tempo 0 até t quantidade de massa deixando no volume de controle através das saídas s do tempo 0 até t 0 vc vc e s e s m t m m m Termodinâmica Balanço de Energia Transiente 0 0 0 t t vc vc vc vc e e s s e s U t U Q W m h dt m h dt 0 0 t t e e e e e e m h dt h m dt h m 0 0 t t s s s s s s m h dt h m dt h m vc vc m t V t t vc vc U t m t u t Caso os estados na entrada e na saída sejam constantes com o tempo temse Caso as propriedades intensivas no interior do VC sejam constantes com a posição