CICLO DE REFRIGERAÇÃO COMBINADO

7/28/2019 CICLO DE REFRIGERAO COMBINADO

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CICLO DE REFRIGERAO DE MLTIPLA COMPRESSO DE VAPOR DEREFRIGERANTE

Este ciclo tem a finalidade de aumentar a eficincia do sistema de refrigerao,seja pelo aumento da capacidade de refrigerao, e tambm, pela reduo dotrabalho de compresso, conforme demonstrado no ciclo a seguir:

Como podemos observar, este ciclo opera com trs presses distintas (deevaporao, de condensao e intermediria). O evaporador trabalha na baixapresso, de modo idntico ao ciclo terico, o mesmo acontece com o condensador,

que trabalha com a alta presso. Todavia, observamos 2 compressores, sendo queum deles opera entre a baixa presso e a presso intermediria, enquanto que ooutro trabalha entre a presso intermediria e a alta presso. O sistemacorrespondente ao ciclo acima demonstrado na figura a seguir.


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No esquema demonstrado anteriormente, verificamos que o ciclo derefrigerao opera entre a presso de evaporao e a presso intermediria, com oauxlio do tanque separador. Assim sendo, o fluido que bombeado pelocompressor de baixa presso no vai para o condensador, mas sim para o tanqueseparador, onde o fluido superaquecido de refrigerante tem sua temperaturareduzida para a temperatura de saturao da presso intermediria, sendo quenesse processo ir ocorrer a vaporizao de parte do lquido refrigerante

armazenado no tanque separador. Por outro lado, o refrigerante que se encontra noestado lquido, no tanque separador, ir ser direcionado para a vlvula de expansoe posteriormente para o evaporador, fechando assim o ciclo de refrigerao.

J no ciclo de condensao, o vapor saturado que se encontra no tanquemisturador direcionado para o compressor de alta presso, sendo entobombeado para o condensador. Todavia, o refrigerante que sai do condensador,que passar por uma vlvula de expanso, onde a presso ser reduzida da altapresso para a presso intermediria, no ser fornecido diretamente para o

evaporador, mas sim, sofrer uma separao das partes lquida e gasosa no tanqueseparador, onde a parte gasosa do refrigerante ser novamente direcionada para ocompressor de alta presso, fechando assim o ciclo de condensao.

Como pudemos observar, no tanque separador teremos uma mistura de fluidorefrigerante em diferentes estados fsicos (lquido, vapor saturado e vaporsuperaquecido), porm, todos eles na mesma presso intermediria, o que requerum estudo de balano de massa e energia, de modo a determinar algumasentalpias do sistema.

Fazendo o balano do sistema acima, teremos a seguinte condio:

ENTRA SA

mA . h6 + mB . h2 = mA . h3 + mB . h7


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Simplificando a equao anterior, teremos:

mB . ( h2 - h7 ) = mA . ( h3 - h6 )

No caso de um sistema de trs presses (baixa, intermediria e alta), teremos

m evaporador gerando refrigerao num ciclo com dois compressores. Deste modo,teremos:

Capacidade de refrigerao:

QRF = mB . ( h1 h8 )

Trabalho de compresso:

WCP alta = mA . ( h4 h3 )

WCP baixa = mB . ( h2 h1 )

WCP total = WCP alta + WCP baixa

Capacidade de condensao:

QCD = mA . ( h4 - h5 )

Coeficiente de performance:

COP = QRF / WCP total

Vamos avaliar os efeitos deste ciclo no exerccio a seguir:

EXEMPLO: Comparar o desempenho de um ciclo terico de compresso devapor de refrigerante, que opera na evaporao com uma presso de 160 kPa, e nacondensao com uma presso de 1.600 kPa, com uma vazo de refrigerante de

1.000 kg/h no evaporador. O comparativo deve ser feito com um sistema de duplacompresso, que trabalha com uma presso intermediria de 750 kPa, mantendoas demais presses e vazo no evporador.


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Exerccio SR31: Comparar o desempenho de um ciclo terico de compresso devapor de refrigerante, que opera na evaporao com uma presso de 140 kPa, e nacondensao com uma presso de 2.000 kPa, com uma vazo de refrigerante de2.000 kg/h no evaporador. O comparativo deve ser feito com um sistema de duplacompresso, que trabalha com uma presso intermediria de 900 kPa, mantendoas demais presses e vazo no evaporador.


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Exerccio SR32: Necessitamos manter uma cmara frigorfica refrigerada com umacapacidade de refrigerao de 40 TR. O sistema a ser utilizado dever ter pressode evaporao de 120 kPa, e uma presso de condensao de 1.800 kPa. Paratanto, comparar o desempenho de um sistema terico de compresso de vapor eum sistema de dupla compresso de vapor, utilizando uma presso intermediria de800 kPa.


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CICLO DE REFRIGERAO COMBINADO

Neste sistema de refrigerao temos um misto de ciclo de mltipla evaporaocom mltipla compresso. O mesmo aplicado quando temos a necessidade detrabalhar com capacidades de refrigerao a temperaturas diferentes. O esquemabsico deste sistema est demonstrado na figura a seguir.

Como podemos observar, este sistema trabalha com evaporadores distintos,operando em temperaturas diferentes, como no ciclo de mltipla evaporao.

Todavia, para melhorar o desempenho, empregado o princpio da mltiplacompresso, com utilizao de um tanque separador de lquido.

Assim sendo, o sistema ir operar com uma presso de condensao e duasou mais presses de evaporao, com os respectivos tanques separadores paracada estgio intermedirio de presso.

A seguir demonstramos o diagrama P&h demonstrando o ciclo trmico dosistema demonstrado anteriormente.


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Observando os extremos do ciclo (pontos 1, 2, 4, 5, 7 e 8), podemos facilmenteidentificar a vazo que passa por estes pontos, bem como tambm fcildeterminar a entalpia em cada um deles. Todavia, na parte mista do sistema, temosuma situao de separao e mistura de refrigerante, com entalpias diferentes, quedevem estar em equilbrio para que o sistema funcione corretamente.

Aps o ponto 5 ocorre uma diviso da quantidade de refrigerante denominadapor m, sendo que uma parte, denominada de vazo m1, direcionada para oevaporador 1, propiciando a realizao da capacidade de refrigerao 1, sendoposteriormente direciona para o ponto 3. Neste processo, a vazo m1 ir absorvercalor durante a passagem pelo evaporador 1, onde o refrigerante ter sua entalpiaalterada do valor h6 para h3.

Outra parte da vazo m, denominada de m2, ser direcionada para otanque separador, onde ocorrer a separao da parte lquida do vapor. A partelquida, denominada de m3, ser direcionada para o evaporador 2. Paracompreendermos o efeito energtico que ocorre no tanque separador, bastafazermos uma anlise do balano energtico.

Avaliando isoladamente o tanqueseparador, teremos um fluxo de vaporconforme figura ao lado. Como todas aslinhas de entrada e sada esto a mesmapresso, podemos aplicar o conceito de que

a energia que entra deve ser igual aenergia que sai. Deste modo, teremos aseguinte condio.


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Balano energtico no tanque separador

Energia que entra = Energia que sai

Como podemos observar, a vazo m3 que passa pelo evaporador 2, absorvecalor durante o processo de realizao de refrigerao, ocorrendo uma alterao novalor da entalpia do refrigerante de h7 para h2. J a vazo de refrigerante m2que entra no tanque separador, possui na entrada uma mistura de lquido e vapor,

j na sada encontra-se totalmente em estado de vapor saturado, com ttulo igual a1 (X = 1), sendo ento direcionada para o ponto 3. A vazo m2, com entalpia h6, a quantidade de refrigerante que deve ser enviada ao tanque separador, parapropiciar a realizao da capacidade de refrigerao no evaporador 2, numacondio de equilbrio, fazendo com que a na sada do tanque separador, a vazo

m2 esteja totalmente vaporizada (vapor saturado), com entalpia h3.

Como a vazo m1 tambm chega ao ponto 3 com entalpia h3, teremos umacondio de equilbrio correspondente a m = m1 + m2.

Para compresso do funcionamento deste ciclo, iremos exemplificar odimensionamento de um sistema, com base nas necessidades que normalmenteso requeridas para um projeto de refrigerao.


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Exemplo: Uma empresa necessita de um sistema de refrigerao que produza

duas temperaturas de refrigerao diferentes, sendo uma a aproximadamente 3C,

e a outra a aproximadamente -12C, em cada ambiente refrigerado deveremos ter

uma capacidade de refrigerao de 10.000 kcal/h. A temperatura de condensao

dever ficar em aproximadamente 55C. Com base nestes dados, desenvolver um

sistema misto de evaporao que atenda as necessidades de projeto, e determinaro coeficiente de eficincia resultante. Posteriormente, em sala de aula, comparar o

desempenho com o ciclo de dupla evaporao normal e com dois ciclos individuais.

Determinao das presses:

Tcd = ~ 55C Pcd = 1.500 kPa (55,2C)

Tev1 = ~ 3C Pev1 = 320 kPa (2,46C)

Tev2 = ~ -12C Pev2 = 180 kPa (-12,71C)

Determinao das entalpias:

Ponto 1: Pev2 e X = 1 h1 = 391,2 kcal/kg

S1 = 1,7361 kcal/kg.K

Ponto 2: Pev1 e S2 = S1 h2 = 402,8938 kcal/kg


S3 = 1,7265 kcal/kg.K

Ponto 4: Pcd e S4 = S3 h4 = 432,3403 kcal/kg

Ponto 5: Pcd e X = 0 h5 = 280,1 kcal/kg

Ponto 6: Pev1 e h6 = h5 h6 = 280,1 kcal/kg


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Ponto 8: Pev2 e h8 = h7 h8 = 203,3 kcal/kg

Determinando as vazes nos evaporadores:

Evaporador 1: m1 = Qrf1 / (h3 h6) m1 = 83,2639 kg/h

Evaporador 2: m3 = Qrf2 / (h1 h8) m3 = 53,2198 kg/h

Determinando a vazo para o tanque separador:

m2 = m3 . [ (h2-h7) / (h3-h6) ] m2 = 88,4458 kg/h

Portanto: m = m1 + m2 m = 171,7097 kg/h

Determinando os trabalhos de compresso:

Wcp1 = m.(h4 h3) Wcp1 = 5.518,8013 kcal/h

Wcp2 = m3.(h2 h1) Wcp2 = 622,3417 kcal/h

Determinando o coeficiente de eficincia:

Cef = (Qrf1 + Qrf2) / (Wcp1 + Wcp2) Cef = 3,2567 = 325,67%

CICLO DE MLTIPLA EVAPORAO

h3 = h4 = h7 = 280,1 kcal/kg

h5 = h6 = 400,2 kcal/kg

h8 = 391,2 kcal/kg

m1 = 83,2639 kg/h

m2 = Qrf2 / (h8 h7) m2 = 90,0090 kg/h

m = m1 + m2 m = 173,2729 kg/h

h1 = ( m1.h6 + m2.h8 ) / m h1 = 395,5248 kcal/h

h S

393,5 1,7448

395,5248 S1 S1 = 1,7524 kcal/kg.K

397,7 1,7606

Como S2 = S1, e ponto 2 est em Pcd:


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S h

1,7427 437,8

1,7524 h2

1,7601 443,7 h2 = 441,0891 kcal/kg

Determinao do trabalho de compresso:

Wcp = m.((h2 h1) Wcp = 7.895,0584 kcal/h

Determinao do coeficiente de eficincia:

Cef = (Qrf1 + Qrf2) / Wcp Cef = 2,5332 = 253,32%

CICLOS INDIVIDUAIS

SISTEMA 1 SISTEMA 2

Pev 320 180 kPa

Qrf 10.000 10.000 kcal/h

m 83,2639 90,0090 kg/h

h1 400,2 391,2 kcal/kg

S1 1,7265 1,7361 kcal/kg.K

h2 432,3403 435,5757 kcal/kg

h3 280,1 280,1 kcal/kg

Wcp 2.676,1267 3.994,2124 kcal/h

Cef 3,7367 2,5036

Cef (%) 373,67% 250,36%

Coeficiente de eficincia global: 2,9983 = 299,83%Exerccio: Um sistema deve operar com trs diferentes temperaturas de evaporao, nas

presses de 100 kPa, 250 kPa e 400 kPa, com capacidades de refrigerao de 1.000 kcal/h em

cada evaporador. A linha de condensao ir operar a presso de 1.700 kPa. Determinar o

coeficiente de eficincia do sistema.


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Determinao das entalpias:

h1 = 382,8 h4 = 405,8804 h8 = 288,6

S1 = 1,7484 h5 = 403,9 h9 = 212,1

h2 = 401,1975 S5 = 1,7234 h10 = 212,1

h3 = 396,3 h6 = 433,8697 h11 = 194,3

S3 = 1,7303 h7 = 288,6 h12 = 194,3

Determinao das vazes nos evaporadores:

m1 = Qrf1 / (h5 h8) m1 = 8,6730 kg/h

m4 = Qrf2 / (h3 h10) m4 = 5,4289 kg/h

m6 = Qrf3 / (h1 h12) m6 = 5,3050 kg/h

Fazendo o balano trmico no tanque separador 2, teremos:

m5 = m6 . [ (h2 h11) / (h3 h10) ]


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m5 = 5,9587 kg/h

m3 = m4 + m5

m3 = 11,3876 kg/h

Fazendo o balano trmico no tanque separador 1, teremos:

m2 = m3 . [ (h4 h9) / (h5 h8) ]

m2 = 19,1387 kgh

m = m1 + m2

m = 27,8117 kg/h

Determinando os trabalhos de compresso:

Wcp1 = m . (h6 h5) Wcp1 = 833,5083 kcal/h

Wcp2 = m3 . (h4 h3) Wcp2 = 109,0978 kcal/h

Wcp3 = m6 . (h2 h1) Wcp3 = 97,5987 kcal/h

Determinando o coeficiente de eficincia:

Cef = (Qrf1 + Qrf2 + Qrf3) / (Wcp1 + Wcp2 + Wcp3) Cef = 2,8840 = 288,40%


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