TÓPICOS

- Introdução

- Conceitos Fundamentais

- Ciclos de Refrigeração por Compressão de Vapor

Introdução

Dispositivo de Expansão

Evaporador

Condensador

Compressor

QC

QO

WC

Sistema de Refrigeração por Compressão de Vapor

Porta

Ar Externo

Dispositivo de Expansão

Evaporador

Condensador

Compressor

Porta

Dispositivode Expansão

Evaporador

Condensador

Compressor

WC

Bomba

ArExterno

VentiladorDispositivo

de Expansão

Evaporador

Condensador

Compressor

WC

Conceitos Fundamentais

Definições

Propriedades termodinâmicas Estado termodinâmico Processo Ciclo Substância Pura Temperatura de saturação Líquido Saturado Líquido Sub-resfriado Título (x) Vapor Saturado Vapor Superaquecido

Definições

Propriedades termodinâmicas São características macroscópicas de um sistema, como: volume, massa, temperatura, pressão etc.

Estado termodinâmico Pode ser entendido como sendo a condição em que se encontra a substância, sendo caracterizado pelas suas propriedades.

Processo É uma mudança de estado de um sistema. O processo representa qualquer mudança nas propriedades da substância.

Ciclo É um processo, ou mais especificamente uma série de processos, onde o estado inicial e o estado final do sistema (substância) coincidem.

PRECIPIENTE

Líquido

Definições

Substância Pura É qualquer substância que tenha composição química invariável e homogênea. Ela pode existir em mais de uma fase (sólida, líquida e gasosa), mas a sua composição química é a mesma em qualquer das fases

Definições

Estados de uma Substância Pura

Líquido

P

T

Líquido SubresfriadoT < TSAT

Líquido SaturadoT = TSAT

Título x = 0

P

Líquido

Vapor ÚmidoT = TSAT0 < x < 1

LíquidoVapor

P

Vapor Saturado

P

Vapor SaturadoT = TSAT

x = 1

Vapor Superaq.

P

Vapor SuperaquecidoT > TSAT

GásT >>>> TSAT

Gás

P

Líquido

P

T

Líquido SubresfriadoT < TSAT

Líquido

P

LíquidoLíquido

PPP

TT

Líquido SubresfriadoT < TSAT

Líquido SaturadoT = TSAT

Título x = 0

P

Líquido

Líquido SaturadoT = TSAT

Título x = 0

P

Líquido

PP

Líquido

Vapor ÚmidoT = TSAT0 < x < 1

LíquidoVapor

P

Vapor ÚmidoT = TSAT0 < x < 1

LíquidoVapor

P

LíquidoLíquidoVapor

P

VaporVapor

PP

Vapor Saturado

P

Vapor SaturadoT = TSAT

x = 1

Vapor Saturado

P

Vapor Saturado

P

Vapor SaturadoT = TSAT

x = 1

Vapor Superaq.

P

Vapor SuperaquecidoT > TSAT

Vapor Superaq.

P

Vapor Superaq.

P

Vapor SuperaquecidoT > TSAT

GásT >>>> TSAT

Gás

P

GásT >>>> TSAT

Gás

P

Gás

P

Gás

P

Definições

Substância Pura Temperatura de saturação Líquido Saturado Líquido Sub-resfriado Título (x) Vapor Saturado Vapor Superaquecido

Propriedades Termodinâmicas de uma Substância

Energia Interna (u)É a energia que a matéria possui devido ao movimento e/ou forças intermoleculares. Esta forma de energia pode ser decomposta em duas partes:-Energia cinética interna relacionada à velocidade das moléculas;-Energia potencial interna relacionada às forças de atração entre as moléculas.

Entalpia (h)

Entropia (s) Esta propriedade termodinâmica representa, segundo alguns autores, uma medida da desordem molecular da substância ou, segundo outros, a medida da probabilidade de ocorrência de um dado estado da substância.

Volume Específico v = V / m

vpuh

Equações de Estado

Relação matemática que correlaciona:

Pressão , Temperatura e Volume Específico(Sistema em equilíbrio termodinâmico.)

Equação dos Gases Ideais

Refrigerantes compostos de hidrocarbonetos fluorados

Pv RT

Tabelas de Propriedades Termodinâmicas dos Fluidos Frigoríficos

Tabelas de Propriedades Termodinâmicas dos Fluidos Frigoríficos

Na região de Líquido + vapor pode-se determinar as propriedades dos fluidos conhecendo-se o título (x), através das seguintes equações:

l v lu u x u u

l v lv v x v v

l v lh h x h h

l v ls s s s s

Tabelas de Propriedades Termodinâmicas dos Fluidos Frigoríficos

Diagramas de MOLLIER para Fluidos Refrigerantes

Temperatura

Pressão

En

talp

ia

Títu

lo

Ent

ropi

a

Volume específico

Sistema Fechado

Primeira Lei da Termodinâmica (Princípio da conservação de energia)

Sistema Aberto(Volume de controle)

Primeira Lei da Termodinâmica

vcent sai

EE E

t

2

cV

E m2

pE mgz h u p v

2 2

ent sai

V VQ m h g z m h g z W

2 2

Energia Cinética

Energia Potencial

Entalpia Calor Trabalho

Q W

Calor Sensível x Calor Latente

• Calor Sensível: associado à variação de temperatura

TcmQ psen

cp da água líquida 4,20 kJ/kg.ºC (1,0 kcal/kg.ºC)

• Calor Latente: associado à mudança de fase

latlat hmQ

Líquido-vapor => Calor latente de vaporização

água 2500 kJ/kg (600 kcal/kg)

Líquido-Sólido => Calor latente de solidificação

água 340 kJ/kg (80 kcal/kg)

Transferência de Calor

Meios de Transferência de Calor

Condução

Convecção

Radiação

Transferência de Calor por Condução

TQ k A

x

Q

k Condutividade térmica [W/m.K];

A Área normal ao fluxo de calor [m2];

T Diferença de temperatura [K];

x Espessura da placa [m]

Fluxo de calor [W];

Transferência de Calor por Condução em Cilindros

Q

k Condutividade térmica [W/m.K];

L Comprimento do cilindro [m];

T Diferença de temperatura [K];

r1 Raio interno do cilindro [m]

Fluxo de calor [W];

21

TQ 2 kL

rr

ln

r2 Raio externo do cilindro [m]

Transferência de Calor por Condução

Condutividade Térmica de Alguns Materiais

Transferência de Calor por Convecção

Q

Coeficiente de convecção [W/m2.K];

A Área normal ao fluxo de calor [m2];

T Diferença de temperatura [K];

Fluxo de calor [W];

Q A T

Coeficiente de convecção entre o ar e a parede em câmaras frigoríficas

Ar externo = 29,0 W/m2.K (25 kcal/h.m2.C),

Ar interno varia entre 8,15 e 17,45 W/m2.K (7 a 15 kcal/h.m2.C)

Transferência de Calor por Radiação

• A transferência de calor se dá por deslocamento de Fótons de uma superfície a outra

• Ao atingir esta superfície esses Fótons podem ser absorvidos, refletidos ou transmitidos

• Função: - Temperatura absoluta dos corpos

- Emissividade de cada corpo

- Área

- Fator de forma

Absorvida

Transmitida

Refletida

Emissividade

Transferência de Calor por Radiação

1 2Q

Constante de Stefan-Boltzman (5,669 x 10-8 W/m2.K4)

A Área superficial do corpo 1 [m2];

T1 Temperatura do corpo 1 [K];

Fluxo de calor do corpo 1 para o corpo 2 [W];

4 41 2 E A 1 2Q F F A T T

T2 Temperatura do corpo 2 [K];

FA Fator de forma que leva em conta a posição das superfícies;

FE Fator de emissividade que leva em conta as características

ópticas como emissividade, absortância, transmissividade e refletividade;

Fator de Forma – FA

• A radiação deixa a superfície em todas as direções

• Características geométricas, como:

• Forma

• Distância

• Posicionamento

determinam a parcela do total irradiado que

incide sobre a superfície considerada

Fator de Forma – FA

Analogia entre fluxo de calor e fluxo elétrico

t

TQ

R

e

Vi

R

Fluxo elétrico Fluxo de calor

Analogia entre fluxo de calor e fluxo elétrico

t

TQ

R

TQ k A

L

21

TQ 2 kL

rr

ln

Q A T

tL

Rk A

21

t

rln rR

2 kL

t1

RA

Resistência Térmica Global (RG)

GA BG A P B

G G 1 2

TT T 1 L 1Q R R R R

R R A k A A

Coeficiente Global de Transferência de Calor (UG)

A BG G

1 2

T TQ U A T

1 L 1A k A A

G

1 2

1U

1 L 1k

Diferença de Temperatura Média Logarítmica

Trocador de calor de correntes paralelas

AE BE AS BSe s

e AE BE

s AS BS

T T T TT TTml

T T Tln ln

T T T

Diferença de temperatura média logarítmica

Trocador de calor de contracorrentes

AE BS AS BEe s

e AE BS

s AS BE

T T T TT TTml

T T Tln ln

T T T

Ciclos de Refrigeração por Compressão de Vapor

Ciclo de Refrigeração por Compressão de Vapor

Ciclo Teórico de Refrigeração por Compressão de Vapor

Ciclo Real de Refrigeração por Compressão de Vapor

Balanço de Energia para o Ciclo

Aplicação da Primeira lei da Termodinâmica para cada Componente do Sistema

2 2

ent sai

V VQ m h g z m h g z W

2 2

Balanço de Energia para o Ciclo

Evaporador o f 1 4Q m (h h )

Compressorc f 2 1W m (h h )

Balanço de Energia para o Ciclo

Condensadorc f 2 3Q m (h h )

Balanço de Energia para o Ciclo

Dispositivo de Expansão 3 4h h

Balanço de Energia para o Ciclo

Evaporador...........................

Compressor..........................

Condensador........................

Dispositivo de Expansão.....

o f 1 4Q m (h h )

c f 2 1W m (h h )

c f 2 3Q m (h h )

3 4h h

RESUMO:

Balanço de Energia para o Ciclo

Coeficiente de Performance do Ciclo - COP

Evaporador...........................

Compressor..........................

Condensador........................

Dispositivo de Expansão.....

o f 1 4Q m (h h )

c f 2 1W m (h h )

c f 2 3Q m (h h )

3 4h h

o 1 4

2 1c

Q h hEnergia UtilCOP

Energia Gasta h hW

Bomba de Calor - COPB

c c o o

Bc c

Q W Q QCOP 1 1 COP

W W W

Parâmetros que Influenciam no COP do Ciclo de Refrigeração

Influência da Temperatura de Vaporização

Influência da Temperatura de Condensação

Influência do Subresfriamento

Influência do Superaquecimento Útil

Influência da Temperatura de Vaporização

-30.00 -20.00 -10.00 0.00 10.00Tem peratura de Vaporização, To, em C elsius

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

Coefic

iente

de P

erf

orm

ance

, C

.O.P

.

LEG EN D A

R -717

R -134a

R -22

Tc = 40o C

Influência da Temperatura de Vaporização

Influência da Temperatura de Condensação

30.0 40.0 50.0 60.0Tem peratura de C ondensação, Tc , em C els ius

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

Coe

ficie

nte

de P

erfo

rman

ce, C

.O.P

. LEG EN D A

R -717

R -134a

R -22

To = - 10 Co

Influência da Temperatura de Condensação

Influência do Subresfriamento

Influência do Subresfriamento

0.0 4.0 8.0 12.0 16.0Sub-R esfriam ento, , em C elsius

3.0

3.2

3.4

3.6

3.8

4.0

4.2

4.4

Coe

ficie

nte

de P

erfo

rman

ce,

C.O

.PTsr

Legenda

R -717

R -134a

R -22

Tc = 45 CTo = - 10 C

o

o

Influência do Superaquecimento Útil

Influência do Superaquecimento Útil

0.0 4.0 8.0 12.0 16.0 20.0Superaquecim ento Ú til, , em Celsius

3.50

3.60

3.70

3.80

3.90

Coe

ficie

nte

de P

erfo

rman

ce,

C.O

.P.

LEG ENDA

R-717

R-134a

R-22

Tc = 45 CTo = - 10 Co

o

Tsa

Trocador de Calor Intermediário