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SISTEMAS DE REFRIGERAO Parte 1
Autor: Arthur Garuti dos Santos - 7208776Prof. Dr. Silvio de Oliveira Jnior
Escola Politcnica da Universidade de So PauloPrograma de Ps Graduao em Engenharia Mecnica
Agenda
Introduo
Compresso de vapor
Ejeto compresso
Ciclo de Absoro
Ciclo Brayton
Referncias
PME5014 Termodinmica Avanada I Programa de Ps Graduao em Engenharia Mecnica 2
Introduo Objetivo: manter a
temperatura de um determinado corpo abaixo da temperatura do meio custa de um fornecimento de calor ou trabalho.
Os sistemas de refrigerao baseiam-se em ciclos termodinmicos para garantir o efeito desejado e rejeitar calor para o meio externo.
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Figura 1 Refrigerador (Boles, 2008)
Introduo Capacidade de refrigerao (): taxa de energia que o sistema
capaz de retirar na forma de calor do espao refrigerado.
Energia de acionamento ( ou ): taxa de energia necessria para o sistema funcionar.
Taxa de rejeio de calor ()
Unidades: quilowatt (kW); tonelada de refrigerao (TR); quilocaloria por hora (kcal/h); british thermal unit per hour (BTU/h).
1 TR = 3.520 W = 12.000 BTU/h = 3.024 kcal/h
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Introduo Coeficiente de eficcia (COP ou ): mede a eficcia do
sistema a partir do seu efeito til e o insumo energtico utilizado.
=
=
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Compresso de vapor
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Primeiro equipamento foi patenteado em 1834 por Jacob Perkins.
Sistema utiliza um fluido de trabalho (refrigerante) que circula em uma sistema fechado alternando de fase (lquido e gs).
Evaporao -> absoro de calor latente do processo.
Condensao -> rejeio de calor latente para o meio.
Aplicaes: uso domstico, industrial e sistemas de ar condicionado.
Figura 2 Esquema de uma geladeira domstica.
Compresso de vapor
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Principais elementos do sistema: Compressor: vapor de refrigerante a
baixa presso e temperatura entra no compressor onde comprimido para um estado de maior presso e temperatura. O vapor descarregado no condensador.
Condensador: Vapor a alta presso e temperatura condensado e resfriado, ou seja, rejeio de calor para o meio.
Vlvula de expanso: muda o estado do refrigerante lquido para uma temperatura e presso inferior (expanso de Joule-Thomsom)
Evaporador: serpentina onde ocorre a evaporao do refrigerante a baixa presso e temperatura.
Figura 3 Componentes de um sistema de
refrigerao de compresso a vapor (IGNOU,
2015).
Compresso de vapor
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Expanso de Joule-Thomsom
Variao de temperatura e presso de um gs entalpia constante.
Coeficiente de Joule-Thomsom:
Figura 4 Expanso de Joule-Thomsom (Bejan, 1988)
Compresso de vapor
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Expanso de Joule-Thomsom
Coeficiente deve ser positivo para ter
o efeito de resfriamento do gs, ou
seja, a linha de entalpia constante
que passa pelo estado do gs antes
da expanso deve ter inclinao
negativa no diagrama T-s.
Figura 5 Coeficiente de Joule-Thomsom no diagrama T-P (Bejan, 1988).
Compresso de vapor
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Ciclo Ideal (Reversvel):
1-2: Absoro de calor
isotrmica reversvel;
2-3: Compresso
adiabtica reversvel;
3-4: Rejeio de calor
isotrmica reversvel;
4-1: Expanso
adiabtica reversvel.
Figura 6 Ciclo ideal de refrigerao, Carnot (Boles, 2008)
Compresso de vapor
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Ciclo Padro
Vlvula de expanso substituindo a turbina;
Compresso de vapor saturado (compresso de lquido-gs pode causar problemas operacionais no compressor).
1-2: Compresso
isentrpica;
2-3: Rejeio de calor a
presso constante;
3-4: estrangulamento
adiabtico (Joule-
Thomsom);
4-1: Absoro de calor
a presso constante
Figura 7 Ciclo padro (Boles, 2008)
Compresso de vapor
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Ciclo Padro
Trabalho de compresso: = ! ( "# - "$)
Calor rejeitado no condensador: = ! ( "% - "#)
Expanso adiabtica: "% = "&
Capacidade de refrigerao: = ! ( "$ - "&)
COP = "$ - "& / ("# - "$)
Figura 8 Ciclo padro, diagrama P-h (Boles, 2008)
Compresso de vapor
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Ciclo Real
Superaquecimento na entrada do compressor: garante que no ocorra compresso mida, evitando problemas operacionais.
Aumento da capacidade
de refrigerao;
Aumento do volume
especfico;
Maior trabalho de
compresso.
Figura 9 Ciclo real com superaquecimento,
diagrama P-h (IGNOU, 2015).
Compresso de vapor
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Ciclo Real
Subresfriamento no condensador:
Aumento da capacidade
de refrigerao;
Reduz o efeito flash na
vlvula de expanso.
Os efeitos na eficcia do sistema relacionados ao superaquecimento e
subresfriamento dependem do refrigerante utilizado.
Os efeitos positivos apresentados no ciclo real so superados pelos efeitos
negativos (perda de carga na tubulao, irreversibilidades da compresso,
vlvula no isentlpica, etc)
Figura 10 Ciclo real com subresfriamento, diagrama P-h (IGNOU, 2015).
Compresso de vapor
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Modificaes no ciclo bsico:
Ciclo bsico opera com diferenas de temperaturas na ordem de 40 a 50C;
Para maiores diferenas de temperatura (criogenia, liquefao de gases) surgem problemas operacionais com diminuio do COP.
Solues: compresso em mltiplos estgios, sistemas em cascata, entre outros.
Ejeto Compresso
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Introduo
Ejetor foi inventado em 1858 por Henry Giffard: soluo para o abastecimento de gua em reservatrios de vapor.
Ejetores passaram a ser utilizados para aprimorar sistemas de refrigerao.
Em 1910, Le Blanc inventa o ejetor de vapor, utilizados em sistemas de refrigerao que utilizam rejeitos trmicos como calor.
Em 1931, Gay inventa o ejetor de 2 fases, utilizado para aumentar a eficcia de sistemas de refrigerao.
Figura 11 Ejetor patenteado por Giffard em 1864 (Elbel, 2008).
Ejeto Compresso
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Funcionamento Princpio: converte energia interna e presso do escoamento primria em energia cintica.
a. Um bocal convergente-divergente acelera o escoamento primrio;
b. Alta velocidade interage com o escoamento secundrio na cmara de suco;
c. Momento transferido do fluido primrio para o secundrio resultando na acelerao do secundrio;
d. Seo de mistura projetada com seo transversal constante, este processo acompanhado de ondas de choque ocasionando aumento de presso;
e. Escoamento na sada da seo de mistura possui alta velocidade;
f. Difusor no final do ejetor converte energia cintica em potencial (aumento de presso);
g. Em geral, o escoamento final possui uma presso intermediria em relao as presses de entrada.
Figura 12 Esquema de um ejetor (Elbel, 2008).
Ejeto Compresso
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Sistemas de refrigerao que utilizam rejeitos trmicos (low-grade energy)
Figura 13 Ciclo de refrigerao com ejeto compresso, R744, com correspondente diagrama P-s (Elbel, 2008).
Ejeto Compresso
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Sistemas de refrigerao que utilizam rejeitos trmicos (low-grade energy)
Vantagens e desvantagens:
utiliza fontes de energia como gases de combusto, luz solar, rejeitos trmicos em geral.
Bomba + Gerador de vapor + ejetor => compressor
Bomba necessita de menos trabalho do que o compressor para um mesmo aumento de presso.
Diminui a necessidade de lubrificao.
Em relao aos sistemas de absoro, este no necessita de misturas de substncias.
COP baixo
Experimentos:
R113: = 0,4kW a 2,2kW ; COP entre 0,02 e 0,26. (Huang et al., 1985)
R141b: = 10,5kW ; COP = 0,5 (Tge = 90 , Tcond = 28 , Tevap = 8 . (Huang et al., 1998)
Ejeto Compresso
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Recuperao do trabalho de expanso
Objetivo: melhorar a eficcia de sistemas de refrigerao recuperando o trabalho desperdiado nas vlvulas de expanso.
Substitui um processo isentlpico por um isentrpico.
Figura 14 Ciclo de refrigerao com ejeto compresso de duas fases, R744, com correspondente diagrama P-s (Elbel, 2008).
Ejeto Compresso
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Recuperao do trabalho de expanso
Vantagens e desvantagens:
Aumento do efeito til do sistema
Diminuio do trabalho de compresso
Aumento do COP
Experimentos tericos: aumento de at 21% no COP em relao a um sistema convencional. (Kornhauser, 1990)
Ejeto Compresso
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Recuperao do trabalho de expanso
Figura 15 Comparao entre ciclo com ejeto compresso e ciclo padro (Kornhauser, 1990)
Ciclo de Absoro
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Introduo
Patenteado em 1860 por Ferdinand Carr.
Motivao: utilizar rejeito trmico de processos industriais para refrigerao (cogerao).
Alternativa ecolgica, pois no utiliza CFCs como refrigerante.
Opera com misturas binrias (absorvedor/refrigerante) como fluido de trabalho
COP baixo.
Ciclo de Absoro
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Princpio de operao
Vaporizao do refrigerante no evaporador;
Absoro do refrigerante no absorvedor;
Dessoro do refrigerante no gerador;
Condensao do refrigerante no condensador.
Figura 16 Princpio de operao de um ciclo de absoro (Fiorelli, 2014)
Ciclo de Absoro
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Sistema de refrigerao por absoro
Figura 17 Ciclo padro de absoro(Fiorelli, 2014)
Ciclo de Absoro
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Rendimento mximo
Figura 18 Rendimento de mximo para um ciclo de absoro ideal (Fiorelli, 2014)
Ciclo de Absoro
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Balano de massa e energia no gerador
Balano de massa total: ! ! ( ) !
Balano de massa do solvente: ! * ! (*(, * ,-./012
,2.23/
Assim, ! ! . 4-
4-54
f
Substituindo no balano total:! ( = ! (f 1)
Balano de energia: ! " )! ("( ! "
Substituindo, 6 " ) 7 1"( 7"
Portanto o COP do ciclo padro dado por:
Ciclo de Absoro
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Fluido de trabalho
Misturas binrias: H2O/NH3 ; LiBr/H2O
A concentrao da mistura necessria para determinar seu estado termodinmico, alm da temperatura e presso.
Miscibilidade o principal fator para definir o fluido de trabalho em sistemas de absoro.
A combinao absorvedor/refrigerante deve ter uma boa miscibilidade dentro das temperaturas de operao do ciclo.
As temperaturas de ebulio do absorvedor e refrigerante (a uma dada presso) devem ter a maior diferena possvel.
Ciclo de Absoro
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Tipos de sistemas de absoro
Simples efeito
Mais utilizado no mercado;
Sistemas que utilizam H2O/NH3 adiciona-
se um retificador na sada do gerador;
Utilizao de regenerador para aumentar
a eficincia do equipamento;
COP 0,6
Figura 19 Simples efeito (SRIKHIRIN, 2009)
Figura 20 Chiller a absoro de Simples efeito da TRANE
(Fiorelli, 2014)
Ciclo de Absoro
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Tipos de sistemas de absoro
Simples efeito
Figura 21 Ciclo de absoro com retificador (Boles, 2008)
Ciclo de Absoro
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Tipos de sistemas de absoro
Duplo efeito
Objetivo: aumentar o COP do sistema;
Combinao de 2 sistemas de simples efeito;
COP 0,9
Figura 22 Duplo efeito (SRIKHIRIN, 2009)
Figura 23 Chiller a absoro de duplo efeito da TRANE (Fiorelli,
2014)
Ciclo Brayton
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Introduo
Ciclo bsico
Trabalho de compresso: = ! ( "# - "$)
Calor rejeitado no condensador: = ! ( "% - "#)
Expanso adiabtica: = ! ( "& - "%)
Capacidade de refrigerao: = ! ( "$ - "&)
Figura 24 Ciclo Brayton (Fiorelli, 2014)
Ciclo Brayton
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Ciclo Brayton de refrigerao com regenerador
Figura 25 Ciclo Brayton de refrigerao com regenerador (Boles, 2008)
Ciclo Brayton
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Ciclo Brayton de refrigerao com regenerador
Ciclo Brayton est
escondido em
qualquer sistema
de refrigerao
que utiliza turbina.
Considerando gs
ideal possvel
analisar as
irreversibilidades
do sistema.
Figura 26 Decomposio dos ciclos. (Bejan, 1988)
Ciclo Brayton
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Irreversibilidades Ciclo ideal
Capac. de refrigerao:
Acrscimo de n turbinas:
A diferena entre os valores deve-se s
irreversibilidades do aquecimento 5-6.
(rea pontilhada do grfico)
Figura 27 Ciclo Brayton ideal. (Bejan, 1988)
Ciclo Brayton
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Irreversibilidades Ciclo real
a. Perda de presso no trocador de calor de alta presso
(trecho 3-4).
b. Trocador de calor finito, portanto:
& :
% $
c. Expanso no isentrpica na turbina:
d. Perda de presso no trocador de calor de baixa presso
(trecho 5-1).
Diminuio do efeito til (rea hachurada):
Figura 28 Ciclo Brayton real. (Bejan, 1988)
Ciclo Brayton
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Irreversibilidades Ciclo real
Combinando as irreversibilidades com a mxima capacidade de refrigerao obtm-se a
seguinte expresso adimensional:
Deste modo, pode-se determinar
numericamente como as
irreversibilidades atuam em todo
sistema.
Ex: G>?ABC, 10EF!,
1EF!, 300HI 30H
Figura 29 Irreversibilidades de um ciclo Brayton. (Bejan, 1988)
Referncias
PME5014 Termodinmica Avanada I Programa de Ps Graduao em Engenharia Mecnica 38
Bejan, A., Advanced Engineering Thermodynamics, John Wiley and Sons Inc., 1988.
CENGEL, Y. A.; BOLES, M. A. Thermodynamics : an engineering approach., McGrawHill, 2008.
Elbel, Stefan and Hrnjak, Predrag, Ejector Refrigeration: An Overview of Historical and Present
Developments with an Emphasis on Air-Conditioning Applications (2008). International
Refrigeration and Air Conditioning Conference. Paper 884. http://docs.lib.purdue.edu/iracc/884
FIORELLI, F. A. S., Notas de aula PME2513 Refrigerao Industrial. Universidade de So Paulo,
2014.
FIORELLI, F. A. S., Sistemas de Refrigerao por Absoro. Universidade de So Paulo.
KORNHAUSER, A. A., The Use of an Ejector as a Refrigerant Expander (1990). International
Refrigeration and Air ConditioningConference. Paper 82.http://docs.lib.purdue.edu/iracc/82
Refrigeration Cycle. Indira Gandhi National Open University, 2015.
http://www.ignou.ac.in/upload/Unit%202-32.pdf
SRIKHIRIN, P.; APHORNRATANA, S.; CHUNGPAIBULPATANA, S. A review of absortption refrigeration
technologies (2001). Mechanical Engineering Program, Sirindhorn International Institute of
Technology, Thammasat University, PO Box 22 Thammasat Rangsit Post Office, Patumthani 12121,
Thailand.
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