Problemas de refrigeração

UNIVERSIDADE ESTADUAL DO MARANHÃO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA E PRODUÇÃO

CONTROLE TÉRMICO DE AMBIENTES

Prof. M.Sc. Valdirson P. Mendes


DEMECP 2

1. REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE GÁS

1.1) - Para o ciclo padrão de refrigeração a ar, como mostra a figura, admitir que tanto a compressão como a expansão sejam processos isentrópicos.

Determinar: a) coeficiente de efeito frigorífico b) rendimento do ciclo c) volume deslocado por TR d) efeito frigorífico volumétrico.

q

q

40ºC 7,5 kgf/cm

1,5 kgf/cm

- 25ºC

compressor expansor

2

2

C

E

1.2) - Um trocador de calor é incorporado ao ciclo padrão a ar do problema anterior, como mostra a figura. Admitir que tanto a compressão como a expansão fosse processos isentrópicos.

Determinar: a) coeficiente de efeito frigorífico b) rendimento do ciclo c) volume deslocado por TR d) efeito frigorífico volumétrico.

q

q

40ºC 7,5 kgf/cm

1,5 kgf/cm

- 25ºC

compressor expansor

30ºC

2

2

C

E


DEMECP 3

1.3) - Repetir o problema anterior admitindo um rendimento adiabático, para o compressor e para o expansor, de 80%.

2. REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE VAPOR

2.1) - Um ciclo de refrigeração por compressão de vapor ideal opera em regime permanente usando R - 134a como fluido de trabalho. O vapor saturado entra no compressor a -10°C e o líquido saturado deixa o condensador a 28°C. A vazão mássica é 5 kg/min.

Determine: a) a potência do compressor, em kW. b) a capacidade frigorífica, em TR. c) o coeficiente de desempenho.

2.2) - Um ciclo de refrigeração por compressão de vapor ideal opera em regime permanente usando R - 134a como fluido de trabalho. O vapor saturado entra no compressor a 1,6 bar e o líquido saturado deixa o condensador a 9 bar. A vazão mássica é 5 kg/min.

Determine: a) a potência do compressor, em kW. b) a capacidade frigorífica, em TR. c) o coeficiente de desempenho.

2.3) - Modifique o ciclo do problema anterior, para que o compressor possua uma eficiência isentrópica de 80%, e considere que a temperatura do líquido na saída do condensador é de 32ºC.

Para esse ciclo modificado, determine: a) a potência de acionamento do compressor, em kW. b) a capacidade frigorífica, em TR. c) o coeficiente de desempenho.

2.4) - No projeto de um refrigerador, o ciclo proposto prevê a utilização de refrigerante R-12, que é admitido no compressor como vapor superaquecido a 0,18 MPa e -10ºC, sendo descarregado a 0,7 MPa e 50ºC. O refrigerante é então resfriado no condensador até 24ºC e 0,65 MPa, sendo posteriormente expandido até 0,15 MPa. A carga térmica de projeto do refrigerador é de 6,0 kW. Despreze a perda de carga e a transferência de calor nas linhas de conexão entre os elementos do refrigerador.

a) Esboce em um diagrama Temperatura-Entropia o ciclo proposto, indicando sua posição relativa à curva de saturação, com base no esquema apresentado na figura abaixo. b) Calcule a vazão mássica, em kg/s, de refrigerante necessária para atender à carga térmica de projeto. c) Calcule a potência requerida pelo compressor, em kW, e analise a necessidade de se utilizar o superaquecimento do refrigerante admitido no compressor. d) Estuda-se o uso do refrigerante R-134 como forma de adequar o equipamento à legislação ambiental de outros países e possibilitar a sua exportação. Explique os efeitos ambientais de refrigerantes halogenados, como o R-12.


DEMECP 4

CONDENSADOR

EVAPORADOR

1

2

23

3

4

4 1

COMPRESSOR

DISPOSITIVODE

EXPANSÃO

QE

QC

Pm

2.5) - No projeto de um refrigerador, o ciclo proposto prevê a utilização de refrigerante R-

12, que é admitido no compressor como vapor superaquecido a 1,6 bar e 4ºC, sendo descarregado a 12 bar e 115ºC. O refrigerante entra no condensador com 11,8 bar e 105ºC onde é então resfriado no condensador até 38ºC e 11,6 bar, sendo posteriormente expandido até 2 bar. Em seguida o refrigerante deixa o evaporador a -7ºC e 1,8 bar. A potência do compressor é 2,5 HP. A capacidade do compressor é 100 kg/h. As transferências de calor nas linhas de conexão entre os elementos do condicionador são desprezadas. a) Esboce em um diagrama Ph o ciclo proposto, indicando sua posição relativa à curva de saturação, com base no esquema apresentado na figura abaixo. b) Calor transferido pelo compressor, em W. c) Calor transferido pelo R-12 no condensador, em kW. d) Capacidade de refrigeração, em BTU/h. e) Eficiência de compressão. f) Coeficiente de performance.

CONDENSADOR

EVAPORADOR

1’

2

2’3

3

4

4 1

COMPRESSOR

DISPOSITIVODE

EXPANSÃO

QE

QC

Pm


DEMECP 5

2.6) - Um sistema de refrigeração por compressão a vapor com uma capacidade frigorífica de 10 TR admite, na entrada do compressor, o R - 134a na forma de vapor superaquecido a 15°C, 4 bar, enquanto na saída têm-se 12 bar. O processo de compressão pode ser modelado por

pv1 01, constante:=

Na saída do condensador a pressão é 11,6 bar e a temperatura é 44°C. O condensador é

resfriado a água, que entra 20°C e sai a 30°C. A transferência de calor no exterior do condensador pode ser desprezada. Determine a) a vazão mássica do refrigerante, em kg/s. b) a potência de acionamento e a transferência de calor no compressor, ambas em W. c) coeficiente de desempenho. d) a vazão mássica da água de resfriamento, em kg/s.

2.7) - Para uma instalação que utiliza R - 717 como fluido refrigerante e que tem uma

capacidade de refrigeração de 30.000 Btu/h, prevê um ciclo conforme esquema mostrado abaixo. Considerar o superaquecimento útil e o rendimento adiabático de 80%. Determinar: a) efeito frigorífico b) potência mecânica

c) calor total rejeitado

C

Cond

en sad

or

Eva

por

ad

or

1 2’

2’

3

3’

3’

4’

1

1’

4’

1 - g

g

2.8) Uma instalação frigorífica, conforme figura, que utiliza R – 717 como fluido

refrigerante, supondo compressão isentrópica e título igual a 1 na admissão do compressor, apresenta as seguintes características:

Carga térmica• QT 12000kcal

h:=

Temperatura da câmara• tcamara 0C:=

Temperatura da água entrando no condensador• teágua 28C:=

Variação de temperatura entre câmara e evaporador: • ∆tce 5C:=

Variação de temperatura entre o R -717 condensando•e da água saindo do condensador

∆tca 7C:=

Vazão por TR utilizada para a condensação 3 gpm (galões por minuto) • V1 3gpm:= gpm


DEMECP 6

CÂMARA


DEMECP 7

Determinar : a) Temperatura de descarga b) Coeficiente de performance c) Calor rejeitado no condensador d) Relação entre calor no condensador e carga térmica da câmara e) Trabalho gasto no compressor (compressão teórica) f) Mudando-se a bomba de água de condensação, a vazão passa a ser de 5 gpm por TR, nesse caso qual o novo valor do COP e a nova potência absorvida pelo compressor? g) Sem as considerações do ítem e, para se obter na câmara a temperatura de -20C, com a mesma carga térmica, quais os novos valores do COP e da potência do compressor? 3. REFRIGERAÇÃO COM MÚLTIPLAS COMPRESSÃO 3.1) Para a instalação frigorífica abaixo que utiliza R - 717 como fluido refrigerante , com

uma potência frigorífica de 350 kW, com temperatura de condensação de 35C e temperatura de evaporação de - 30C , com subresfriamento intermediário de 5C.

Calcular: a) efeito frigorífico b) efeito calorífico c) efeitos mecânicos

d) potências mecânicas

CB

SL SL

4"

1 - g

g

3'4'

3 = 3'

21'2'1 - g1

CA

1 2

3.2) Para a instalação frigorífica abaixo que utiliza R -717 como fluido refrigerante, com as

temperatura e as potências frigoríficas fornecidas, calcular: a) efeitos frigoríficos b) efeito calorífico c) efeitos mecânicos d) coeficiente de performance e) potências mecânicas

Dados :Tc = 35ºC, Ti = -15ºC, Te = -30ºC


DEMECP 8

T

CB

SL SL

4"

1 - g

g

3'4'

3 = 3'

21'2'1 - g - g1

1 - g - g

T

T

CA

E

1

2

i

2

2

2

C

4. COMPRESSORES 4.1) Dados de catálogo para um compressor de seis cilindros, operando com R-22 a 29 rps,

indicam uma capacidade de refrigeração de 96,4 kW e potencia de 28,9 kW para uma Te = 5ºC e uma Tc = 50ºC. O desempenho é baseado em 3ºC de subresfriamento do líquido e 8ºC de superaquecimento do gás de aspiração no compressor. O diâmetro do cilindro é de 67 mm e o percurso é de 57 mm.

Calcule: a) A eficiência volumétrica de espaço nocivo se a fração é 4,8%. b) A eficiência efetiva. c) A eficiência de compressão.

4.2) Calcule a velocidade periférica do rotor para comprimir vapores dos seguintes refrigerantes desde a condição de vapor saturado a 10ºC até a pressão correspondente a uma Tc = 30ºC: (a) R-11 e (b) R-717.

4.3) Um compressor de amônia com 5% de fração de espaço nocivo e uma taxa de deslocamento de 80 L/s, opera a uma Tc = 40ºC. Admitindo a eficiência volumétrica de espaço nocivo, determine a vazão de refrigerante para as Te de -10ºC e 10ºC.

4.4) Um catálogo mostra uma capacidade de refrigeração de 115 kW para um compressor hermético de quatro cilindros, rotação de 29 rps e operando com R - 22 às temperaturas de evaporação e condensação de -4ºCe 40ºC. Nesse ponto de operação, o motor, cuja eficiência é de 90%, exige 34,5 kW. O diâmetro do cilindro é de 87 mm e o deslocamento do êmbolo é de 70 mm entre pontos mortos. Os dados de desempenho são baseados em 8ºC de subresfriamento do líquido que deixa o condensador. Determine

a) a eficiência volumétrica efetiva e b) a eficiência de compressão.


DEMECP 9

4.5) Um compressor com taxa de deslocamento de 60 L/s opera em um sistema de refrigeração que mantém a Tc constante de 30ºC, com R-22. Calcule e faça um gráfico da potência para as Te de -20, -10, 0, 10 e 20ºC. Use as eficiências volumétricas efetivas da Figura abaixo e os seguintes trabalhos de compressão isentrópica para as cinco Te 39,9; 30,2; 21,5; 13,7 e 6,5 kJ/kg, respectivamente.

4.6) Um condicionador de ar de automóvel, trabalhando com R-12, apresenta um

condicionador total de ar do condensador, de modo que a pressão de condensação se eleva até que a eficiência volumétrica caia até zero. Extrapole a curva de eficiência volumétrica da fig. do exercício anterior até zero e estime a máxima pressão de descarga, admitindo que a temperatura de evaporação seja de 0ºC.

4.7) Determinar a taxa de deslocamento máxima de um compressor de duas palhetas, cujos cilindros e rotor apresentam diâmetro de 190 mm e 170 mm. O cilindro tem um comprimento de 80 mm. A rotação é de 29 rps.

4.8) Um compressor centrífugo de dois estágios, operando a 60 rps, deve comprimir R-11 desde uma Te de 4ºC até uma Tc de 35ºC. Qual deve ser o diâmetro dos rotores, admitindo que eles sejam iguais?

4.9) Um compressor centrífugo, operando a 60 rps, deve comprimir R-717 desde uma Te de 4ºC até uma Tc de 35ºC. Quantos estágios podem ser utilizados e qual deve ser o diâmetro dos rotores, admitindo que eles sejam iguais?


DEMECP 10

RESPOSTAS 1. REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE GÁS.

1.1. (a) 1,7; (b) 45%; (c) 0,034 m³/s; (d) 104,2 kJ/kg 1.2. (a) 1,7; (b) 30%; (c) 0,027 m³/s; (d) 132,6 kJ/kg 1.3. (a) 0,45; (b) 7,8%; (c) 0,04 m³/s; (d) 88,16 kJ/k

2. REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE VAPOR 2.1. (a) 2,208 kW; (b) 3,632 TR; (c) 5,8 2.2. (a) 3 kW; (b) 3,3 TR; (c) 3,86 2.3. (a) 3,75 kW; (b) 3,4 TR; (c) 3,2 2.4. (a)

4

1

2

3

T

s

(b) 0,049 kg/s; (c) 1,66 m³/s. O superaquecimento é utilizado para evitar que refrigerante na fase líquida seja admitido no compressor, mesmo que em pequenas quantidades. A admissão de líquido pelo compressor pode causar falhas mecânicas como quebra de válvulas e erosão em pás, assim como promover a diluição do óleo de lubrificação; (d) Destruição da camada de Ozônio. Efeito estufa - Aquecimento Global. 2.5. (a)

h

P (bar)

12,011,811,6

2,01,81,6

115ºC

105ºC

38ºC

4ºC

-7ºC

2’

3

4 1 1’


DEMECP 11

(b) 85,75 W; (c) 4,92 kW; (d) 10751 BTU/h; (e) 0,91; (f) 1,77. 2.6. (a) 0,024 kg/s; (b) 0,557 kW, 11,91 W; (c) 6,3; (d) 0,097 kg/s. 2.7. (a) 1088,7 kJ/kg; (b) 2,92 kW; (c) 11,79 kW. 2.8. (a) 99,14C; (b) 5,12; (c) 16,68 kW; (d) 0,84; (e) 2,72 kW; (f) 5,34; 2,63 kW; (g) 2,88; 4,84

kW. 3. REFRIGERAÇÃO COM MÚLTIPLAS COMPRESSÃO

3.1. (a) 943,94 kJ/kg; (b) 1255,6 kJ/kg; (c) 159,7 kJ/kg, 151,9 kJ/kg; (d) 59,2 kW, 56,3 kW. 3.2.

4. COMPRESSORES 4.1. (a) 90,1%; (b) 77,3%; (c) 68%. 4.2. (a) 113,14 m/s; (b) 296,65 m/s. 4.3. 0,37 kg/s. 4.4. (a) 77,50%; (b) 70,85%. 4.5. Potências

Pmi

23.035

28.841

29.557

27.784

18.198

⎛⎜⎜⎜⎜⎜⎝

⎞

⎟⎟⎟

⎠

:=

Gráfico

Potência x Temperatura de Evaporação

15

17

19

21

23

25

27

29

31

33

35

-25 -15 -5 5 15 25

Temperatura de evaporação [ºC]

Potê

ncia

[kW

]

4.6. 5,31 x 103 kPa. 4.7. 21,88 L/s. 4.8. 0,71 m. 4.9. Seis estágios, 1 m.

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