Refrigeração e Máquinas Térmicas - Princípios e Ciclo de Compressão de Vapor

MÁQUINAS TÉRMICAS E REFRIGERAÇÃO Aula 14 REFRIGERAÇÃO 1 Segundo princípio de termodinâmica A figura 1 ilustra sob o ponto de vista de KelvinPlanck e sob o ponto de vista de Clausius o segundo princípio Figura1 Formas do segundo princípio de KelvinPlanck e de vista de Clausius 2 Formas de produção de frio Existem diversas formas industriais de produzir frio Entre elas por efeito eletromagnético efeito Peltier Célula Peltier ciclo de absorção de vapor e ciclo de compressão de vapor Este último é o mais largamente utilizado e o que mais se desenvolveu nas últimas décadas 3 Sistema de compressão de vapor de um único estágio O sistema de compressão a vapor é o mais usado na prática Neste sistema o vapor é comprimido condensado tendo posteriormente sua pressão diminuída de modo que o fluido possa evaporar a baixa pressão 31 Ciclo saturado simples de compressão a vapor Por questões de conveniência e economia sistemas de refrigeração mecânicos foram desenvolvidos para baixas temperaturas onde foi introduzido o compressor e o condensador no sistema para permitir a utilização contínua do refrigerante figura 2 Figura 2 Ciclo saturado simples de compressão a vapor A figura 3 ilustra como são fisicamente os componentes acima citados Figura 3 Compressores a Evaporafor b válvula termostática c condensador EVAPORADOR VÁLVULA DE EXPANSÃO CONDENSADOR 311 Componentes principais do ciclo simples de refrigeração por compressão de vapor COMPRESSOR Tratase de um dispositivo eletromecânico que é usado para desenvolver e manter o fluxo do fluido através do sistema de refrigeração O vapor frio flui do evaporador para o compressor onde a pressão é elevada por uma transferência de energia cinética Este processo eleva a temperatura de saturação do vapor para um nível que permite o vapor condensar a temperaturas ambientes normais O refrigerante flui pelos componentes restantes no sistema e retorna para o evaporador onde o ciclo é repetido CONDENSADOR É um trocador de calor que recebe o vapor a alta pressão e temperatura e provoca a sua condensação retirando calor do mesmo através de um meio condensante em geral água ou ar VÁLVULA DE EXPANSÃO Tem por função reduzir a pressão do líquido na entrada do evaporador sendo o elemento que controla o fluxo de refrigerante através do evaporador baseado na demanda de carga térmica Admitimos que no dispositivo medidor o líquido não troca calor com o exterior A medida que o líquido quente passa através da válvula de expansão parte dele expandese em gás e esfria o líquido restante O líquido quente passa a líquido frio EVAPORADOR É um trocador de calor que recebe o refrigerante líquido a baixa pressão Ao longo da tubulação do evaporador o líquido vaporiza absorvendo calor do espaço interno da câmara Para que aconteça o fluxo de calor da câmara para o evaporador o evaporador deve ser mantido a temperatura inferior à da câmara O refrigerante quando deixa o evaporador se encontra na forma de vapor 312 Componentes complementares do ciclo simples de refrigeração por compressão de vapor LINHA DE SUCÇÃO É a tubulação frigorífica usada para transportar o vapor frio ligando o evaporador ao compressor e teoricamente se admite que o refrigerante atravessa essa linha sem trocar calor Na prática apesar do isolamento o vapor frio que passa pela tubulação da linha de sucção absorve calor do espaço externo LINHA DE DESCARGA É a tubulação frigorífica usada para transportar o vapor superaquecido a alta pressão ligando o compressor ao condensador e teoricamente vamos admitir que o vapor a alta pressão e temperatura atravessam essa linha sem trocar calor Na prática o vapor elimina calor para o ambiente externo RESERVATÓRIO DE LÍQUIDO Tratase de um tanque que recebe o refrigerante líquido do condensador e o armazena criando um selo de líquido entre o condensador e o dispositivo medidor impedindo assim a passagem de vapor para o dispositivo medidor e permitindo uma provisão constante de refrigerante líquido para o dispositivo medidor sob todas condições de variação da carga LINHA DE LÍQUIDO É a tubulação frigorífica usada para transportar o líquido quente a alta pressão ligando o reservatório de líquido a válvula de expansão 313 Diagrama PressãoEntalpia p x h As propriedades termodinâmicas dos refrigerantes podem ser representadas em um diagrama p x h criado por Richard Mollier ou através de um diagrama log p x h criado por H L Callendar onde a forma do diagrama foi mudada para aumentar a facilidade de uso Observase que para baixas pressões afastado do ponto crítico o comportamento é de gás ideal cp dhdT A entalpia depende somente da temperatura observase que as linhas de temperaturas tornamse verticais A figura 4 ilustra o gráfico p x h Figura 4 Diagrama pressão entalpia O ciclo saturado simples é formado por quatro processos fundamentais expansão vaporização compressão e condensação Nestes processos o refrigerante passa por mudanças em sua pressão temperatura eou fase A figura 5 ilustra o diagrama p x h associado aos componentes principais Figura 5 Gráfico p x h associado aos componentes e funcionamento no ciclo simples de compressão de vapor 4 Dados termodinâmicos Tabelas e Cartas Um único valor de temperatura de saturação ou pressão absoluta pode locar pontos sobre as linhas de saturação e conseqüentemente podendo ser apresentados através de tabelas Convenções para o estado de referência zero Sistema Internacional h1 200 kJkg e s1 10 kJkgK T 0oC Tabelas em unidades inglesas h1 e s1 0 T 40oF Tabelas em unidades europeias métricas h1 100 kJkg e s1 10 kJkgK T 0oC 5 Processo do ciclo de refrigeração simples Um esquema do equipamento de refrigeração para o ciclo básico de compressão a vapor é ilustrado na figura juntamente com o diagrama p h figura 6 Figura 6 Processos no ciclo de compressão de vapor e o respectivo gráfico p x h Onde h entalpia específica kJkg p pressão absolutakPa s entropia específica kJkgoC T temperatura oC COMPRESSÃO processo 12 No compressor o vapor entra frio e a baixa pressão e temperatura Recebe energia pela compressão calor de compressão e sai do compressor a alta temperatura e alta pressão A compressão é adiabática reversível isoentrópica sconstante Não há atrito e troca de calor entre o compressor e o vapor CONDENSAÇÃO processo 23 Admitamos que o vapor não sofra qualquer alteração na linha de descarga No condensador o vapor perde calor para o meio condensante ar ou água e sai do condensador na forma líquida Admitimos que no condensador a evolução é isobárica Quanto a temperatura devemos admitir duas etapas Quando o vapor entra no condensador ele está superaquecido e deve ser resfriado até a temperatura de saturação depois acontece a condensação e a temperatura não mais varia EXPANSÃO processo 34 A passagem do refrigerante pelo dispositivo medidor é adiabática irreversível isoentálpica h3h4 Apesar de não acontecer troca de calor com o exterior parte do refrigerante vaporiza absorvendo calor do restante da massa líquida Assim na saída do dispositivo temos uma mistura de líquido e vapor sob temperatura e pressão inferiores àquelas da entrada no dispositivo medidor p4p3 e t4t3 devido ao pequeno orifício do dispositivo O volume específico aumenta devido a formação do vapor 43 O ponto 4 pode ser determinado com o auxílio do título x4 VAPORIZAÇÃO processo 41 O refrigerante entra no evaporador numa mistura líquido e vapor com baixa pressão e temperatura Passando pela tubulação do evaporador a massa líquida vai absorvendo calor carga térmica do interior da câmara e vaporizando Na saída do evaporador temos apenas vapor saturado Admitese que a passagem pelo evaporador é isotérmica e isobárica Do evaporador o vapor vai a linha de sucção onde teoricamente nenhuma transformação ocorre O ciclo de refrigeração padrão é um ciclo INTERNAMENTE e EXTERNAMENTE IRREVERSÍVEL As irreversibilidades externas acontecem nos trocadores de calor uma vez que a transferência de calor não se dá com ΔT 0 As irreversibilidades internas acontecem no dispositivo de expansão processo 34 uma vez que o mecanismo de redução da pressão é o atrito Nos outros componentes o atrito no escoamento é menor sendo frequentemente não considerado A figura 7 ilustra de forma esquemática a um sistema de ar condicionado automotivo com sistema de compressão de vapor Figura 7 Sistema de ar condicionado automotivo com refrigeração A figura 8 ilustra de forma esquemática a um sistema de refrigeração de um refrigerador doméstico Figura 8 Refrigerador doméstico 6 Fluido refrigerante 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 Figura 9 Curvas de saturação para alguns refrigerantes Exempos de refrigerantes mais usados Refrigeração doméstica R134a HFC sintético R600a isobutano Refrigeração comercial R134a R404A R407A HFC sintéticos Conforto térmico R22 HCFC sintético R134a R410A HFC sintéticos Industrial e armazenamento R717 NH3 natural R744 CO2 natural R134a R407C 7 Equações matemáticas do ciclo para regime permanente Princípio de conservação da massa Balanço da massa m e m S 1 Primeiro princípio da termodinâmica Balanço de energia Q vc W vc m e n e he m s n s hs 0 2 8 Cálculos no Ciclo Saturado Simples Durante o ciclo trabalho é entregue no compressor e ocorre transferência de calor em vários pontos do ciclo evaporador condensador compressor e tubulações Aplicando o balanço de energia para todo o ciclo obtémse Q e W cp Q c Q cp Q tub 3 Q e Capacidade de refrigeração W cp Potência do compressor Q c Taxa de transferência de calor no condensador Q cp Taxa de transferência de calor no compressor Q tub Taxa de transferência de calor nas tubulações Assumindose as seguintes hipóteses simplificadoras para o ciclo ΔEc e ΔEp desprezadas energia cinética e potencial nulas Tubulações frigoríficas adiabáticas Q tub 0 Compressão adiabática reversível Q cp 0 Na válvula de espansão o fluxo de calor é desprezível pois a área de troca térmica é pequena EFEITO DE REFRIGERAÇÃO Quantidade de calor que cada unidade de massa de refrigerante absorve do espaço refrigerado no evaporador ER h1 h4 4 CAPACIDADE DE REFRIGERAÇÃO CARGA TÉRMICA É a quantidade de calor que deve ser removida na unidade de tempo Q e m h1 h4 5 VAZÃO MÁSSICA DE REFRIGERANTE É a quantidade de refrigerante que circula por hora m Q e h1h4 6 POTÊNCIA DE COMPRESSÃO W cp m h2 h1 7 Se além de adiabática a compressão for também reversível a entropia permanece constante s2s1 Compressão reversível não existe na prática portanto a potência consumida por um compressor real pode então ser dada por W cp real W cp ηisen 8 CALOR LIBERADO PELO CONDENSADOR Q c m h2 h3 9 COEFICIENTE DE PERFORMANCE É uma expressão usada para avaliar a performance de um sistema de refrigeração COP Q e W cp real h1h4 h2h1 10 TEMPERATURA DE VAPORIZAÇÃO A temperatura de evaporação tv é obtida pela diferença entre a temperatura interna da câmara fria ti função do produto a ser armazenado e o T entre o evaporador e o ar interno contido na câmara fria é função da umidade relativa a ser mantida na câmara para atender o produto tv ti T 11 Recomendase que diferença de temperatura entre o ar interno contido na câmara fria e a temperatura de vaporização do refrigerante no evaporador seja em torno de 8 a 10 OC T ti tv 8 a 10 OC ou seja ti 8 a 10 OC que tv A figura 10 ilustra a situação desrita acima Figura 10 Diferença de temperatura entre ti tv dentro de uma câmara fria TEMPERATURA DE CONDENSAÇÃO A temperatura do meio de condensação tamb ar atmosférico ou água para a qual o calor flui no condensador determina a temperatura à qual ocorrerá a condensação A medida que este meio tira calor do refrigerante a temperatura do meio de condensação sobe para manter o fluxo de calor a temperatura do refrigerante tc dentro do condensador deve estar sempre acima da temperatura do meio de condensação Como regra geral Para o ar atmosférico como meio externo refrigerante tamb temperatura de bulbo seco do ar externo mais 10oC Para a água como meio externo refrigerante tamb temperatura da água mais 5 oC A figura 11 ilustra a situação desrita acima Figura 11 Diferença de temperatura entre tCond tc no meio externo Ou seja 𝑡𝐶𝑜𝑛𝑑 𝑡𝑎𝑚𝑏 Obs A temperatura de bulbo úmido é a temperatura mais baixa que pode ser alcançada apenas pela evaporação da água É a temperatura que se sente quando a pele está molhada e está exposta a movimentação de ar Ao contrário da temperatura de bulbo seco a temperatura de bulbo úmido é uma indicação da quantidade de umidade no ar Quanto menor a umidade relativa do ar maior o resfriamento A figura 12 ilustra o umidostato aparelho que mede a temperatura de bulbo úmido Figura 12 Exemplo de umidostato simples Embora as variações na eficiência do ciclo com mudanças na temperatura de condensação não sejam tão grandes como as provocadas pelas mudanças na temperatura de evaporação elas não deixam de ser importantes Geralmente se a temperatura de evaporação permanece constante o rendimento do ciclo diminui conforme a temperatura de condensação aumenta Pelo que é evidente o sistema refrigerante deve ser sempre projetado para operar na mais alta temperatura possível de evaporação Embora o efeito da temperatura de condensação sobre a capacidade e eficiência do ciclo de refrigerante seja consideravelmente menor que o efeito da temperatura de evaporação aquele último sempre pode ser mantido tão baixo como desejável Exemplo 1 Considere um sistema de refrigeração padrão operando com fluido refrigerante R134a com temperatura de condensação de 42C e temperatura de evaporação de 12C Calcule o Coeficiente de Performance do sistema Considere para a solução deste problema a sequência de pontos indicada na figura plotada sobre o diagrama de Molier Solução É conveniente iniciar a solução de problema preenchendo uma tabela que resume as principais propriedades do fluido ao longo do ciclo de refrigeração A tabela permite sistematizar o cálculo do COP Inicialmente devemos traçar o ciclo no diagrama pressão versus entalpia específica conforme ilustrado na figura acima As propriedades do fluido refrigerante R134a podem ser encontradas em tabelas e diagramas de propriedades termodinâmicas ou aplicativos computacionais O preenchimento da tabela começa pelos pontos mais fáceis 1 3 e 4 O processo de evaporação acontece à temperatura constante 12 C e por isso o ponto 1 está localizado na linha de vapor saturado seco com título x 1 O ponto 3 42 C está localizado sobre a linha de líquido saturado O ponto 4 12 C tem a mesma entalpia específica que o ponto 3 e está sobre a linha de baixa pressão Já o ponto 2 está sobre uma linha isentrópica partindo de 1 e sobre uma linha isobárica na pressão de condensação Preenchendo a tabela Ponto T C P kPa skJkgK x Estado do fluido 1 12 100 Vapor saturado seco 2 Vapor superaquecido 3 42 0 Líquido saturado 4 12 x4 Liquido e vapor T C P kPa Entalpia kJkg Entalpia kJkgk h líquido h vapor s líquido s vapor 12 18522 1841 3917 09407 17456 42 107326 2596 4206 12006 17115 Com essa tabela preenchida podese obter as entalpias específicas nos pontos 1 3 e 4 Conforme a figura o ponto 1 está no estado de vapor saturado seco na temperatura de 12C e pressão de evaporação Logo a entalpia do ponto 1 pode ser obtida como sendo a entalpia para vapor saturado x 1 e temperatura de 12 C Esse valor é de 3915 kJkg Já a entalpia do ponto 3 pode ser obtida observando que no diagrama de pressão x entalpia o ponto 3 está no estado de líquido saturado sobre a curva de saturação sendo que seu valor pode ser lido para um título x 0 e temperatura de 42 C Esse valor é de líquido 2596kJkg Como o processo de expansão é considerado isoentálpico temos então a entalpia do ponto 4 como sendo igual a do ponto 3ou seja 2596kJkg Na tabela podese obter informações apenas da região da saturação No ponto 2 saída do compressor o fluido encontrase superaquecido Logo é possível encontrar a entalpia específica do ponto 2 por meio gráfico no diagrama pressão entalpia Para obter a entalpia do ponto 2 indicase o ponto 1 na temperatura de 12 C e traçase uma isoentrópica partindo deste ponto até encontrar a linha horizontal da pressão de condensação Neste encontro temse o ponto 2 A entalpia pode ser obtida lendose o valor diretamente na extremidade horizontal do diagrama Nesse exemplo o valor da entalpia específica do ponto 2 é aproximadamente 430 kJkg Completando a tabela s4 4 Ponto T C p kPa h kJkg s kJkgK Título Estado do fluido 1 12 18522 3917 17456 100 Vap sat seco 2 52 107326 430 17456 100 Vap superaquec 3 42 107326 2596 12006 0 Líquido saturado 4 12 18522 2596 s4 x4 Líquido e vapor Na tabela anterior notase que o título do ponto 4 propriedade que define a quantidade de vapor contido na mistura pode ser calculado por x4 h4 h1pE h4pE h1pE 2596 1841 3917 1841 036 Onde as grandezas hl e h correspondem à entalpia do líquido saturado v e do vapor saturado respectivamente ou seja sobre a curva de saturação Nesse caso o valor do título é de 036 ou 36 Ou seja no evaporador o fluido refrigerante entra com aproximadamente 36 de fluido no estado de vapor e com 64 no estado líquido Já a grandeza entropia específica do ponto 4 pode ser calculada por s4 s4líq x4s4vap sat s4líq s4 09407 03617456 09407 108104 kJkgK Podese ainda calcular o COP do sistema através dos valores das entalpias encontradas na tabela COP 3917 2596 430 3917 345 Podese observar também que a vazão mássica não foi necessária para solucionar esta equação uma vez que este termo aparece no numerador e no denominador da equação 9 Sistema de absorção de calor A figura 13 apresenta a composição de um sistema de refrigeração por absorção simplificado Figura 13 Sistema frigorífico de absorção de calor tipo água amônia Os componentes são Gerador onde há separação dessorção do refrigerante da substância absorvente Condensador onde o refrigerante é condensado e há transferência de calor para o meio Válvula de expansão destinada a reduzir a pressão do fluxo de refrigerante do nível do condensador para o nível do evaporador Evaporador onde o refrigerante passa da fase líquida para a fase vapor devido ao calor transferido da região a ser refrigerada Absorvedor onde o refrigerante é absorvido pela substância absorvente com transferência de calor para o meio Bomba de solução responsável pela transferência da mistura pobre em absorvente do absorvedor para o gerador 10 Ciclo real de refrigeração Nenhum ciclo ocorre na realidade sem a presença de irreversibilidades ou seja sem perda de pressão e temperatura para o meio em conecções e componentes A figura 7 ilustra essa situação onde podese perceber o que acontece na realidade Figura 7 Ciclo real de compressão e o ciclo teórico Apesar das irreversibilidades presentes no sistema as equações de 1 a 11 apresentadas podem ser usadas pois as medições de pressão e temperatura conforme figura 7 serão realizadas em pontos estratégicos os quais já englobam os efeitos das irreversibilidades nos pontos considerados ou seja pontos 1 2 3 e 4 no gráfico da figura 20 Outro aspecto que se nota na figura 7 é a existência de subresfriamento do líquido que saí do condensador ponto 3 e do superaquecimento do vapor que sai do evaporador ponto 1 O subresfriamento e o superaquecimento aumentam o Efeito refrigerante do ciclo ER h1 h4 além de garantir que não vai nenhum líquido para o compressor situação indesejável Abaixo o digrama de Mollier para o R134a B2 Pressão MPa Entalpia kJkg Pressão bar Pressao MPa 20 10 8 6 4 2 1 08 06 04 02 016 014 012 01 008 006 004 003 001 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 610 650 700 0030 00060 0008 0010 0015 0020 0030 0040 0050 0060 0070 015 020 030 040 060 080 10 15 20 v m³kg vsatlíquido 0001043 m³kg temperatura 0 C 10 20 30 40 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 various curved and diagonal lines representing thermodynamic properties