Refrigeração - Engenharia Aeroespacial UFABC

POSMEC
Universidade Federal do ABC
Aula 7
Refrigeração e bombeamento de calor
MEC202
MEC202 Termodinâmica Avançada
Refrigeração
• Transferência de calor a partir de
uma região de temperatura mais
baixa para uma região com
temperatura mais elevada.
• Dispositivos que produzem de
refrigeração são chamados
refrigeradores .
• Os ciclos em que operam são
chamados ciclos de refrigeração.
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Refrigeração
• O ciclo de refrigeração mais frequentemente
utilizado é o ciclo de refrigeração de
compressão de vapor no qual o refrigerante é
vaporizado e condensado alternadamente e é
comprimido na fase de vapor.
• Outro ciclo de refrigeração conhecido é o ciclo
de refrigeração em que o gás refrigerante
permanece na fase gasosa durante todo o
ciclo.
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Outros ciclos de refrigeração
• Refrigeração em cascata
– mais de um ciclo de refrigeração é usado
• Refrigeração por absorção
– o refrigerante é dissolvida em um líquido antes de
ser comprimido.
• Refrigeração termoelétrica
– refrigeração é produzida pela passagem de
corrente elétrica através de dois materiais
diferentes.
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Refrigeradores e bombas de calor
• O objetivo de um
refrigerador é retirar calor
(QL) de um meio frio.
Meio
quente
QH
R
QL
Espaço
refrigerado
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Wnet ,in
Refrigeradores e bombas de calor
• O objetivo de uma bomba de
calor é fornecer calor (QH)
para aquecer um meio.
Espaço
aquecido
QH
HP
QL
Meio frio
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Wnet ,in
Coeficiente de performance
Para valores fixos de QL e QH
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Capacidade de refrigeração
• Taxa de remoção de calor a partir do espaço
refrigerado.
• Expresso em termos de toneladas de refrigeração.
• A capacidade de refrigeração de um sistema capaz de
congelar uma tonelada de água líquida a 0°C em gelo a
0°C em 24 h é “uma tonelada de refrigeração”.
• Uma tonelada de refrigeração é equivalente a 211
kJ/min ou 200 Btu/min.
• A carga de refrigeração de uma residência típica de 200
m2 é de 3-ton (10 kW).
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O CICLO DE CARNOT INVERTIDO
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O ciclo de Carnot invertido
• O ciclo de Carnot é completamente reversível
pois consiste em dois processos isotérmicos e
dois processos isentrópicos.
• Tem a máxima eficiência térmica para os
limites de temperatura indicados, e serve
como um padrão para a comparação dos
ciclos de energia real.
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O ciclo de Carnot invertido
• Sendo de um ciclo reversível, todos os quatro
processos que constituem o ciclo de Carnot
pode ser revertidos.
• Invertendo-se o ciclo se também se invertem
as entradas e saídas de calor e interações de
trabalho.
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O ciclo de Carnot invertido
• O resultado é um ciclo que opera no sentido
anti-horário sobre um diagrama T-S.
• Um refrigerador ou bomba de calor que opera
sobre o ciclo de Carnot invertido é chamado
um refrigerador de Carnot ou uma bomba de
calor de Carnot.
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O ciclo de Carnot invertido: Diagrama T-S
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O ciclo de Carnot invertido
1-2: O refrigerante absorve
o calor isotermicamente a
partir de uma fonte de
baixa temperatura.
2-3: É comprimido para o
estado 3
isentropicamente.
3-4: Rejeita calor
isotermicamente para um
dissipador de alta
temperatura
4-3: Expande-se
isentropicamente para o
estado 1.
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O ciclo de Carnot invertido
• Durante o processo
3-4, o refrigerante
muda de um estado
de vapor saturado
para um líquido
saturado
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Coeficiente de performance
do ciclo de Carnot invertido
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Mas...
• O ciclo de Carnot invertido é o ciclo de
refrigeração de funcionamento mais eficiente
entre dois níveis de temperatura dados.
• É natural que seja o primeiro ciclo prospectivo
ideal para frigoríficos e bombas de calor.
• No entanto, o ciclo de Carnot invertido não é
um modelo adequado para ciclos de
refrigeração.
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1-2 e 3-4: OK
• Os dois processos de
transferência de calor
isotérmicos não são difíceis
de conseguir na prática, pois
a manutenção de uma
pressão constante corrige
automaticamente a
temperatura de uma mistura
de duas fases em saturação.
• Portanto, os processos 1-2 e
3-4 pode ser obtidos em
evaporadores e
condensadores reais.
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2-3 e 4-1: não OK
• Os processos 2-3 e 4-1
não podem ser obtidos
facilmente na prática.
• O processo 2-3 envolve a
compressão de uma
mistura de líquido-vapor,
o que requer um
compressor que lida com
duas fases.
• O processo 4-1 exige uma
turbina para expansão do
refrigerante com alto teor
de alta humidade.
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O CICLO DE REFRIGERAÇÃO IDEAL
DE COMPRESSÃO DE VAPOR
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Pequenas mudanças
• Muitas das dificuldades práticas associadas
com o ciclo de Carnot invertido podem ser
eliminadas por
1. vaporização completa do refrigerante antes de
ser comprimido.
2. pela substituição da turbina por um dispositivo
de estrangulamento, tal como uma válvula de
expansão ou o tubo capilar.
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Alexander Catlin Twining
• Inventor da geladeira.
• Patenteou um sistema de
refrigeração a base de
compressão de vapor no início
de 1853, que era totalmente
capaz de produzir uma
tonelada de gelo por dia.
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“Ideal vapor-compression refrigeration cycle”
O ciclo de refrigeração
de compressão de
vapor é o mais
utilizado em
geladeiras, sistemas
de ar condicionado
e bombas de calor.
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Ciclo ideal de refrigeração de
compressão de vapor
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Ciclo de refrigeração
1-2 compressão isentrópica
(compressor)
2-3 de rejeição de calor a
pressão constante
(condensador)
3-4 expansão
4-1 absorção de calor a
pressão constante
(evaporador)
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Ciclo de refrigeração
1-2 compressão isentrópica
(compressor)
2-3 de rejeição de calor a
pressão constante
(condensador)
3-4 expansão
4-1 absorção de calor a
pressão constante
(evaporador)
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Ciclo de refrigeração
1-2 compressão isentrópica
(compressor)
2-3 de rejeição de calor a
pressão constante
(condensador)
3-4 expansão
4-1 absorção de calor a
pressão constante
(evaporador)
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Aumento do COP
• A área sob a curva em um
diagrama T-S representa a
transferência de calor para os
processos internamente
reversíveis.
• A área sob a curva de processo
4-1 representa o calor absorvido
pelo refrigerante no evaporador,
e a área sob a curva de processo
2-3 representa o calor rejeitado
no condensador.
• A regra geral é que a COP
aumenta em cerca de 2% a 4%
por cada °C (intervalo entre a
temperatura de evaporação e a
temperatura de condensação).
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Coeficiente de performance
do ciclo de refrigeração ideal
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O CICLO DE REFRIGERAÇÃO REAL
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Ciclo ideal de refrigeração de
compressão de vapor
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Desvios do ciclo ideal
• No ciclo ideal, o refrigerante sai do evaporador e entra
no compressor como vapor saturado. Na prática, no
entanto, pode não ser possível controlar o estado do
refrigerante com tanta precisão.
• Em vez disso, é mais fácil para a concepção do sistema,
de modo que o refrigerante seja ligeiramente
superaquecido na entrada do compressor.
• Isso assegura que o refrigerante seja completamente
vaporizado quando entra no compressor.
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Perdas energéticas
• Além disso, a linha que liga o evaporador ao
compressor é normalmente muito longa.
• A queda de pressão provocada pelo atrito do fluido e
de transferência de calor do ambiente para o fluido
refrigerante pode ser muito significativo.
• O resultado de ganho de sobreaquecimento, o calor da
linha de ligação, e a queda de pressão no evaporador e
na linha de conexão é um aumento do volume
específico.
• Logo, há um aumento dos requisitos de entrada de
energia para o compressor proporcional ao novo
volume específico.
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ESCOLHA DO REFRIGERANTE
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Refrigerantes
• Existem vários refrigerantes no
mercado:
– Clorofluorocarbonetos (CFC)
Eu prefiro
éter etílico!
– Amônia
– Hidrocarbonetos (propano, etano,
etileno, etc)
– Dióxido de carbono do ar (no ar
condicionado de aeronaves)
– Água (aplicações acima do ponto de
congelamento).
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Características desejáveis de um fluido
refrigerante (1)
• O intervalo de pressão correspondente às
temperaturas no evaporador e no
condensador deve ser pequeno, a fim de
reduzir o trabalho de compressão.
• A pressão do vapor dever ser baixa para
reduzir o custo do condensador, sendo,
porém, superior à pressão atmosférica, para
que o ar não possa vazar para o interior do
evaporador.
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Características desejáveis de um fluido
refrigerante (2)
• O calor latente de vaporização deve ser alto a fim
de que o fluxo (em massa) do refrigerante possa
ser baixo.
• Analogamente, um baixo calor específico na fase
líquida reduz o grau de vaporização no processo
de estrangulamento na fase líquida reduz o grau
de vaporização no processo de estrangulamento
e resulta de mais calor do evaporador.
• Isso leva a uma redução de fluxo.
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Características desejáveis de um fluido
refrigerante (3)
• As característica do refrigerante deve ser tais que
sejam possíveis taxas elevadas de transferência
de calor e temperaturas cômodas.
• Caracaterística especialmente desejável consiste
em ponto crítico bem acima da temperatura
elevada (TH) do ciclo, para que o refrigerante, ao
entrar no condensador, esteja próximo da região
de duas fases.
• Desta forma, podem ser exploradas maiores taxas
de transferência de calor isotérmico, com maior
tendência à irreversibilidade.
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Características desejáveis de um fluido
refrigerante (4)
• O refrigerante deve ser de baixo custo, estável,
inerte, não tóxico e não deve congelar nas
temperaturas mais baixas do processo.
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Exemplo: R407C
O R-407C é uma mistura de
hidrofluorocarbonetos utilizados
como um refrigerante.
É uma mistura azeotrópica de
difluorometano (R-32),
pentafluoroetano (R-125), e
1,1,1,2-tetrafluoroetano (R134a).
• difluorometano: fornece a
capacidade de calor
• Pentafluoroetano: diminiu a
inflamabilidade
• Tetrafluoroetano: reduz a pressão
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Tabela de refrigerantes
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BOMBAS DE CALOR
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Bombas de calor
• A fonte de energia mais comum para as bombas de
calor é a atmosférica do ar (ar de sistemas de ar).
• O principal problema com os sistemas a base de ar é o
congelamento, quando a temperatura cai abaixo de 2
ou 5 ° C.
• A acumulação de gelo nas serpentinas do evaporador é
altamente indesejável pois pode prejudicar seriamente
a transferência de calor.
• As bobinas podem ser descongeladas, no entanto,
através da inversão do ciclo da bomba de calor
(poperando como um condicionador de ar).
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Modo “aquecimento”
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Modo “refrigeração”
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SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO A
COMPRESSÃO DE VAPOR INOVADORES
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Sistemas em cascata
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Performance
Um sistema de refrigeração
em cascata melhora o
COP.
Alguns sistemas de
refrigeração usar três ou
quatro etapas da cascata.
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Sistemas de refrigeração multiestagiados
• Quando o fluido usado em todo o sistema de
refrigeração em cascata é o mesmo, o trocador
de calor entre as fases pode ser substituído por
uma câmara de mistura (chamada câmara flash),
uma vez que tem melhores características de
transferência de calor.
• Tais sistemas são chamados sistemas de
refrigeração de múltiplos estágios de
compressão.
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Sistemas de refrigeração multiestagiados
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CICLO DE REFRIGERAÇÃO A GÁS: O
CICLO BRAYTON INVERTIDO
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O ciclo Brayton invertido
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O ciclo Brayton invertido
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O ciclo Brayton invertido
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Ciclo Brayton invertido aberto
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Ciclo Brayton invertido com regeneração
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Na próxima aula...
Relações
termodinâmicas!
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