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Refrigeracao e Ar CondicionadoIntroducao aos Ciclos Refrigeracao por Compressao de Vapor
Filipe Fernandes de [email protected]
Departamento de Engenharia de Producao e MecanicaFaculdade de Engenharia
Universidade Federal de Juiz de Fora
Engenharia Mecanica
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Introducao
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Introducao
I O ciclo de Carnot e um importante ciclo termodinamico teorico,pois nos permite estudar de modo simplificado os principaisprocessos de um ciclo de potencia e refrigeracao;
I Mesmo sendo seus processos idealizados, e possıvel, atraves do ciclode Carnot, tirar conclusoes sobres ciclos de potencia e refrigeracaoque podem ser estendidas para os ciclos reais;
I Sera utilizado o ciclo de Carnot com mudanca de fase, por ser maisapropriado para o ciclo de refrigeracao.
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Ciclo de Carnot de Potencia
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Ciclo de Carnot de PotenciaI O ciclo de Carnot e um ciclo termodinamico em que todos seus
processos sao reversıveis;I E composto pelos seguintes processos:
I 1 - 2: O gas sofre uma compressao adiabatica, mudando suatemperatura e pressao;
I 2 - 3: O gas e expandido isotermicamente, recebendo calor QH doreservatorio quente;
I 3 - 4: O gas continua a ser expandido adiabaticamente;I 4 - 1: O gas e comprimido isotermicamente ate seu estado inicial,
transferindo energia QL para o reservatorio frio.
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Ciclo de Carnot de Potencia
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Ciclo de Carnot de Potencia
I A eficiencia do ciclo de Carnot pode ser calculada utilizando a
seguinte relacao:
ηCarnot = 1 − TL
TH
I O ciclo de Carnot e o ciclo mais eficiente possıvel que pode operar
entre dois reservatorios determinados;
ηCarnot ≥ ηqualquer
I Todos os motores operando segundo o ciclo de Carnot entre dois
reservatorios de temperaturas constantes, possuem a mesmo
eficiencia.
ηCarnot,1 = ηCarnot,2
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Ciclo de Carnot de Potencia
I O ciclo de Carnot tambem pode ser utilizado com fluidos detrabalho com mudanca de fase;
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Ciclo de Carnot de Refrigeracao
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Introducao
I Como visto antes, o ciclo de Carnot e o ciclo termodinamico depotencia com maior rendimento, isso tambem e valido para o cicloinverso, ou seja, ciclo de refrigeracao;
I O fluido de trabalho utilizado em ciclos de compressao sao fluidoschamados de refrigerantes, e possuem caracterısticas que permitemuma maior eficiencia do ciclo;
I O intervalo de pressao correspondente as temperaturas no evaporadore no condensador deve ser pequeno, a fim de reduzir o trabalho decompressao;
I A pressao do vapor dever ser baixa para reduzir o custo docondensador, mas superior a pressao atmosferica, para que o ar naonao infliltre no evaporador;
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Introducao
I Um ciclo de refrigeracao possui quatro principais componentes:I Evaporador - Trocador de calor responsavel por remover calor do
ambiente a ser refrigerado;I Condensador - Trocador de calor responsavel por ceder calor do
refrigerante;I Compressor - Responsavel pelo aumento de pressao da mistura
vapor-lıquido que sai do evaporador;I Dispositivo de expansao - Responsavel pela queda de pressao e
expansao do lıquido apos sair do condensador;
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Ciclo de Carnot de RefrigeracaoI 1 - 2: Compressao adiabatica;I 2 - 3: Rejeicao de calor isotermica;I 3 - 4: Expancao adiabatica;I 4 - 1: Absorcao de calor isotermica.
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Ciclo de Carnot de RefrigeracaoI Coeficiente de Desempenho (COP)
I A razao entre o efeito de refrigeracao (no evaporador) e o trabalholıquido necessario para atingir este efeito.
βCarnot =Qevaporador
Wcompressor − Wturbina
=TC
TH − TC
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Impraticidades do Ciclo de Carnot
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Transferencia de Calor sem Variacao de TemperaturaI As trocas de Calor no Evaporador e Condensador ocorrem sem
variacao de temperatura, devido a necessidade do processo serreversıvel;
I Na realidade, existe variacao de temperatura entre ocondensador/evaporador e o reservatorio;
I Esse fato gera irreverssibilidades que diminuem o COP do ciclo.
β′
=T
′C
T′H − T
′C
βcarnot > β′
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Compressao UmidaI O processo de compressao ocorre com uma mistura de vapor e
lıquido (compressao umida);I A presenca de lıquido no processo de compressao danifica o
compressor;I A compressao seca no ciclo de Carnot poderia ser obtida
utilizando-se dois compressores: um isentropico e outro isotermico;
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Compressao Umida
I Apesar de evitar a compressao umida, este ciclo de Carnotmodificado nao teria utilidade pratica, pois:
I Dificuldade de se obter compressao isotermica utilizandocompressores em rotacao elevada;
I A utilizacao de dois compressores ao inves de um, em geral, nao sejustifica economicamente.
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Baixa Eficiencia e pouco Trabalho na TurbinaI O processo de expansao na turbina de mistura lıquido-vapor com
baixo tıtulo produz um valor pequeno de potencia;I A operacao de turbinas nestas condicoes resultaria em baixa
eficiencia.
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Exemplo
I Exemplo 1 - Refrigerante 22 e o fluido de trabalho de um ciclo deCarnot de refrigeracao em regime permanente. O refrigerante entrano condensador como vapor saturado a 32°C e sai como lıquidosaturado. O evaporador opera a 0°C . Qual o coeficiente dedesempenho do ciclo? Determine, em kJ/kg de refrigerante,
(a) Trabalho do compressor;(b) O trabalho extraıdo da turbina;(c) O calor transferido para o refrigerante no evaporador.
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Exemplo
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