monografias.ufrn.br · Web viewTanto um projeto de refrigeração predial, quando industrial,...

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

ANÁLISE DA PERFORMANCE DO CICLO DE

REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE VAPOR

DE SIMPLES ESTÁGIO FUNCIONANDO COM

ISOBUTANO (R600a)

DOMINIQUE MARIA DOS SANTOS

NATAL- RN, 2019




ANÁLISE DA PERFORMANCE DO CICLO DE REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE VAPOR

DE SIMPLES ESTÁGIO FUNCIONANDO COM ISOBUTANO (R600a)


Trabalho de Conclusão de Curso

apresentado ao curso de Engenharia

Mecânica da Universidade Federal do

Rio Grande do Norte como parte dos

requisitos para a obtenção do título de

Engenheiro Mecânico, orientado pelo

Prof. Dr. Cleiton Rubens Barbosa.

NATAL - RN

2019




ANÁLISE DA PERFORMANCE DO CICLO DE

REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE VAPOR

DE SIMPLES ESTÁGIO FUNCIONANDO COM

ISOBUTANO (R600a)


Banca Examinadora do Trabalho de Conclusão de Curso

Prof. Dr. Cleiton Rubens Formiga Barbosa ___________________________Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Orientador

Prof. Dr. Ângelo Roncalli Oliveira Guerra ___________________________Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Avaliador Interno

Msc. Luiz Henrique Pinheiro de Lima ___________________________Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Avaliador Interno

NATAL, 25 de Junho de 2019.

1

Dedicatória

Dedico este trabalho a minha família que sempre me apoiou em especial a

minha vó, que tem me abençoado do céu, junto a Deus desde a metade do curso.

1

Agradecimentos

Este trabalho não poderia ser concluído sem a ajuda do meu orientador,

Professor Doutor Cleiton Rubens Formiga Barbosa, que sempre me apoiou no

decorrer do curso e me ensinou muito, sou muito grata a Deus pela sua vida.

1

Santos, M. Dominique. ANÁLISE DA PERFORMANCE DO CICLO DE REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE VAPOR DE SIMPLES ESTÁGIO FUNCIONANDO COM ISOBUTANO (R600a). 2019. 27 p. Trabalho de Conclusão

de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal do Rio

Grande do Norte, Natal-RN, 2019.

1

ResumoEste trabalho tem como objetivo analisar a performance de um refrigerador

funcionando com R600a no ciclo de refrigeração simples estágio através de

simulações realizadas com auxílio do software Coolpack, com relação as

variações dos parâmetros operacionais: temperatura de condensação;

temperatura de evaporação; temperatura de superaquecimento; temperatura de

sub-resfriamento; queda de pressão no condensador; queda de pressão no

evaporador; queda de pressão nas linhas de sucção, na linha de líquido e nas

linhas de descarga dos compressores; e a eficiência isentrópica do compressor.

Após a simulação dos diversos parâmetros operacionais infere-se que a eficiência

isoentrópica e as temperaturas de condensação de evaporação e condensação

são os parâmetros com maior sensibilidade no coeficiente de performance (COP)

do ciclo de refrigeração por compressão de vapor simples estágio funcionando

com R600a.

Palavras-chave: coeficiente de performance, ciclo de refrigeração, refrigerante

natural, R600a.

Santos, M. Dominique. ANALYSIS OF THE PERFORMANCE OF THE REFRIGERATION CYCLE BY STEAM COMPRESSION OF SIMPLE STAGE FUNCTIONING WITH ISOBUTANE (R600a). 2019. 27 p. Conclusion work project

1

(Graduate in Mechanical Engineering) - Federal University of Rio Grande do Norte,

Natal-RN, 2019.

AbstractThe objective of this work is to analyze the performance of a cooler running with

R600a in the single stage refrigeration cycle through simulations carried out with

the help of Coolpack software, regarding the variations of the operating

parameters: condensation temperature; evaporation temperature; superheat

temperature; subcooling temperature; pressure drop in the condenser; evaporator

pressure drop; pressure drop in the suction lines, the liquid line and the discharge

lines of the compressors; and the isentropic efficiency of the compressor. After the

simulation of the various operating parameters, it is inferred that the iso-entropic

efficiency and the condensation and evaporation condensation temperatures are

the parameters with the highest sensitivity in the performance coefficient (COP) of

the refrigeration cycle by single-stage steam compression running with R600a.

Keywords: coefficient of performance, refrigeration cycle,natural refrigerant, R600a.

Sumário

1

Dedicatória ...................................................................................................... i

Agradecimentos ..............................................................................................ii

Resumo.......................................................................................................... iii

Abstract.......................................................................................................... iv

Sumário.......................................................................................................... ix

1 Introdução....................................................................................................1

1.1 Fundamentação teórica.........................................................................3

2 Revisão Bibliográfica....................................................................................7

2.1 Fluido refrigerante Isobutano (R600a).................................................11

2.2 Exemplos de citações..........................................................................10

3 Metodologia................................................................................................14

4 Resultados e Discussões...........................................................................14

5 Conclusões................................................................................................26

6 Referências................................................................................................27

1

1 Introdução

A refrigeração é o processo pelo qual se extrai calor de um determinado corpo ou

meio, proporcionando a este um nível de temperatura mais baixo que o meio que o

circunda, seja por meios mecânicos ou naturais. O ciclo de refrigeração é um

sistema térmico que continuamente transfere energia térmica (calor) de uma região

de baixa temperatura para outra de alta temperatura. Como esse processo é

contrário ao fluxo natural do calor, só é possível através da absorção de trabalho

externo. A refrigeração está envolta dos mais diversos ramos da sociedade, sendo

aplicada em casas, indústrias, comércios etc. facilitando a vida moderna. Como uma

das vertentes da termodinâmica, a refrigeração consiste na transferência de calor de

uma região com temperatura mais baixa para outra com temperatura mais alta

(ÇENGEL, 2006).

A área de refrigeração e ar-condicionado faz parte das diversas atividades que o

engenheiro mecânico deve dominar. Tanto um projeto de refrigeração predial,

quando industrial, faz-se necessário o domínio do sistema de refrigeração e ar-

condicionado e de estudos que possam aumentar a eficiência do ciclo.

Na natureza a transferência de calor ocorre em função da diminuição da

temperatura. Com base nesse fato, estudos foram realizados de modo a inverter

esse processo e, para tal, foram criados os ciclos de refrigeração.

Os ciclos de refrigeração são ciclos termodinâmicos que operam com o advento

de refrigeradores – dispositivos cíclicos que utilizam um fluido de trabalho,

denominado gás refrigerante, no qual este passa por processos de mudanças de

fase (condensação/evaporação) até voltar ao seu estado inicial. Esses processos de

mudança de fase são responsáveis pelo efeito de refrigeração.

O ciclo de compressão mecânica de vapor é o processo mais comumente

utilizado, e compreende os processos de vaporização e condensação de um fluido

refrigerante.

2

Figure 1 - Representação esquemática e diagrama T-s do ciclo de refrigeração por

compressão mecânica de vapor.

Da Figura (1), pode-se descrever quatro processos:

Processo 1 – 2 ( Processo de compressão - Wc ) : O compressor comprime o

vapor superaquecido proveniente do evaporador, aumentando a sua pressão e,

consequentemente a sua temperatura.

Processo 2 – 3 ( Processo de condensação – Qc ) : O vapor é direcionado

para o condensador, onde irá liberar calor para o ambiente. Neste processo, o fluido

é condensado e descarregado no estado líquido. É importante que o líquido seja

sub-resfriado, para evitar que entre uma parcela de fluido no estado gasoso na

válvula de expansão.

Processo 3 – 4 ( Processo de expansão ) : O líquido sub-resfriado flui através

da válvula de expansão e é descarregado na forma de uma mistura saturada,

contendo líquido e vapor. Este componente funciona como uma restrição na

tubulação, que causa uma abrupta queda na pressão do fluido.

Processo 4 – 1( Processo de evaporação – Qo ) : Esta mistura de líquido mais

vapor saturados, entra no evaporador aonde irá receber o calor proveniente da

câmara frigorífica. Ao absorver este calor, o fluido no estado líquido evapora até o

3

estado de vapor saturado ou superaquecido. É importante que este vapor seja

superaquecido para evitar o risco de entrar líquido no compressor.

Os refrigerados são os equipamentos utilizados na produção do frio,

operando nos chamados ciclos de refrigeração. O ciclo de refrigeração mais usado é

o ciclo de refrigeração por compressão mecânica de vapor, no qual o refrigerante é

vaporizado e condensado alternadamente e é comprimido na fase de vapor

(ÇENGEL, 2006).

1.1 Fundamentação Teórica

Como é possível perceber, da análise do volume de controle nos dispositivos –

compressor, condensador, válvula de expansão e evaporador - observa-se que

existe fluxo de massa atravessando as fronteiras de cada um dos componentes,

onde a massa que entra é igual a massa que sai (me=ms=m). Considerando o ciclo

como ideal, ou seja, desprezando-se as irreversibilidades e tomando como base a

Eq.(1) da energia para o volume de controle podemos descobrir os fluxos de energia

do ciclo.

Q−W útil=dECV

dt+(h+1

2V

2+g⋅Δe )

s

ms−(h+ 12V

2+g⋅Δe )

e

me

Equation 1

Compressor:

Válvula de expansão:

Condensador:

Evaporador:

Tais fluxos de energia podem ser evidenciados no diagrama da Fig. (2)

4

Figura 2 - Diagrama P x h de ciclo ideal.

Em um ciclo de refrigeração o objetivo é a remoção de calor do ambiente, e seu

COP – coeficiente de performance representa a relação entre o calor retirado do

ambiente e o trabalho exercido pelo compressor para que tal efeito fosse possível.

Portanto, o COP se trata de uma medida de avaliar a eficiência energética de um

ciclo de refrigeração.

Quanto maior for o COP significa que menos energia está sendo gasta para

climatizar o ambiente. Porém alguns fatores podem influenciar na diminuição do

COP como: aumento da temperatura de condensação, diminuição da temperatura

de vaporização, diminuição do subresfriamento etc.

Para o cálculo do COP do ciclo de refrigeração, pode-se utilizar a equação

abaixo:

COP=QL

W c (2)

Escrevendo em termos das entalpias tem-se:

COP=¿¿ (3)

1. Compressor: Responsável por criar o fluxo de fluido refrigerante que

percorre todo o sistema e de aumentar a pressão do mesmo. Sempre

trabalhando com o fluido no estado gasoso (ar, vapor d’água, hidrogênio etc).

Nos compressores rotativos, os gases são comprimidos por elementos

5

giratórios. Outra particularidade desse tipo de compressor é, por exemplo, as

menores perdas mecânicas por atrito, pois dispensa um maior número de

peças móveis, a menor contaminação de ar com óleo lubrificante, a ausência

de reações variáveis sobre as fundações que provocam vibrações, o fato de a

compressão ser feita de modo contínuo e não intermitente, como sucedo nos

alternativos e a ausência de válvulas de admissão e de descargas que

diminui as perdas melhorando o rendimento volumétrico. Outro aspecto

importante para os diferentes tipos tem relação com a economia de energia,

com o rendimento volumétrico, associados a fugas, e aos movimentos

relativos entre as peças que constituem a máquina.

Figura 1 - Compressor Ar Condicionado Hyundai Elantra 1.8 2011 - 2012

2. Condensador: Transfere o calor do fluido refrigerante para o ambiente

externo. Sua finalidade é condensar vapores gerados pelo aquecimento de

líquidos em processos de destilação simples. Sendo dividido em duas partes:

a primeira parte é onde o vapor que se tem interesse em condensar passa, e

a outra onde passa o liquido resfriado para baixar a temperatura interna do

condensador. Um vapor aquecido entra no condensador e encontra uma

superfície com uma temperatura inferior ao seu ponto de ebulição, e então

condensa (ou liquefaz).

6

Figura 2 - Condensador Ar Condicionado Nissan Pathfinder 3.0 1993 - 1995

3. Evaporador: O evaporador é um trocador de calor que absorve o calor para o

sistema de refrigeração, ele recebe o líquido refrigerante frio de baixa

pressão, vindo do dispositivo de expansão e através da absorção do calor de

alguma substância vaporiza-o em seu interior. Essa substância pode ser o ar,

a água, outro fluido, ou mesmo um sólido. Logo, sua principal função é

transferir calor de um ambiente interno para o fluido refrigerante.

Figura 3 – Evaporador Ar condicionado Consul 10000 7MM 3 filas

4. Válvula de Expansão: É o dispositivo responsável pela queda de pressão do

fluido proveniente do condensador. Localizado entre a saída do condensador

e entrada do evaporador. O refrigerante com alta pressão e temperatura vinda

do condensador, entra no dispositivo de expansão e sai dele com uma

mistura de liquido e vapor de baixa pressão e baixa temperatura. Essa

mistura que entra no evaporador é conhecida como “flash gás”. É essa

diferença de pressão entre os lados de alta e de baixa pressão que faz com

que o refrigerante evapore no evaporador a uma temperatura suficientemente

baixa para absorver o calor do ar ambiente e que ele condense no

condensador a uma temperatura alta o suficiente para ele remover o calor

7

para o ar externo. Como não ocorre rejeição do calor no dispositivo de

expansão, apenas queda de temperatura, parte do calor sensível transforma-

se em calor latente. Dos diversos tipos de dispositivos existentes o tubo

capilar é o mais simples. Trata-se de um tubo de cobre de pequeno diâmetro

e comprimento fixo.

Figura 4 - VÁLVULA EXPANSÃO DANFOSS TEX2 N ROSCA 1.5M R22 S/ ORIFÍCIO

2 Revisão Bibliográfica

Nesta seção são abordadas metodologias e ferramentas amplamente utilizadas e

difundidas, mostrando diversos pontos de vistas de diferentes autores sobre os

sistemas de refrigeração por compressão mecânica de vapor.

Vários estudiosos e empreendedores contribuíram para a evolução da refrigeração

por compressão mecânica de vapor, seja descobrindo seus princípios físicos e/ou

desenvolvendo e construindo equipamentos.

O Dr. William Cullen era professor de química na Universidade de Endimburgo e

conhecia a sensação de resfriamento que o éter provocava quando evaporava em

contato com a pele. Em 1755, ele bombeou o vapor formado dentro de um vaso

hermético contendo éter líquido e mergulhado em água. A temperatura no vaso

baixava e a água congelava sobre sua superfície externa. Dois princípios

sustentavam esse fenômeno:

8

Todo líquido tende a se transformar em vapor: dentro de um vaso hermético o

líquido e seu vapor estão em equilíbrio termodinâmico na pressão de vapor

saturado. Se vapor é bombeado a pressão diminui e mais líquido evapora;

Para um líquido evaporar ele deve absorver calor: o calor absorvido pelo líquido na

mudança de fase sob pressão constante foi medido por Joseph Black e designado

de calor latente, pois não há variação de sua temperatura. Em termos modernos, o

calor latente é conhecido como entalpia de mudança de fase. Se uma fonte externa

não fornece calor, este é retirado do próprio líquido, que tem sua temperatura

reduzida.

Em 1834, Jacob Perkins, foi o primeiro a fazer uma descrição completa do ciclo de

refrigeração por compressão mecânica de vapor tal como o conhecemos hoje. A

máquina descrita e patenteada por Perkins é mostrada na Figura 1.3. O fluido volátil

(éter) evapora ao receber calor da água existente no tanque. A bomba manual

aspira e comprime o vapor até uma pressão em que ele possa ceder calor para a

água de resfriamento no condensador e liquefazer. O líquido condensado escoa

através do dispositivo de expansão, que mantêm a diferença de pressão entre o

condensador e o evaporador. A pequena bomba existente acima do dispositivo de

expansão serve para reposição da carga de refrigerante. Segundo relatos da época,

a máquina de Perkins não despertou qualquer interesse comercial devido ao seu

acionamento manual.

Somente em 1857, James Harrison e Daniel Siebe fabricaram a primeira máquina de

refrigeração por compressão mecânica de vapor que funcionou. Uma dessas

máquinas usadas para fabricação de gelo e cristalização de cera de parafina a partir

do óleo de xisto. O ponto de ebulição normal do éter (34,5°C) ocorre em pressões de

evaporação menores do que a pressão atmosférica. Por isso, há o perigo de entrada

de ar no sistema, que misturado ao éter resulta numa mistura potencialmente

explosiva. Em compensação, a pressão de condensação não é muita elevada; isso

permite construções leves e pouco robustas do condensador.

Em 1870, Carl Von Linde introduziu a amônia (NH3), que se tornou o refrigerante

mais importante em instalações de grande porte, depois que algumas limitações

9

mecânicas na construção do condensador foram superadas. Até a temperatura de –

33oC as pressões de evaporação eram superiores à pressão atmosférica (1atm =

101,325 kPa). Entretanto, para a condensação era necessária pressão superior a 10

atmosferas, o que encarecia bastante a construção do condensador.

Em 1886, Franz Windhausen de Berlim, introduziu o dióxido de carbono (CO2). A

pressão de condensação era elevadíssima − superior a 80 atmosferas − o que exigia

condensadores robustos e pesados. Entretanto, devido a seu baixo grau de

periculosidade tornou-se o principal refrigerante usado em navegação por mais de

50 anos, só sendo substituído por outros refrigerantes em 1955.

Nos anos 1929−30, Thomas Midgley, coordenou com uma equipe de pesquisadores

e obteve um refrigerante bastante promissor, que se tornaria um dos fatores

responsáveis pela expansão e consolidação da indústria da refrigeração: o

diclorodifluormetano (CCl2F2), com ponto de ebulição –29,8°C à pressão

atmosférica normal, tomou o nome comercial de Freon−12. Esses compostos

químicos, derivados do metano e do etano, denominados hidrocarbonetos cloro-

fluorados1, eram conhecidos desde o final do século 19; porém, suas propriedades

como refrigerante só então foram investigadas.

O ciclo de refrigeração ideal é um ciclo termodinâmico que possui dois reservatórios,

um de baixa temperatura e outro de alta, e necessita de trabalho para obter a

transferência de calor entre os mesmos (WYLEN, 2003).

Figura 5 - À esquerda: representação esquemática do refrigerador. À direita: Diagrama P-h

de um ciclo de refrigeração ideal de compressão por vapor.

10

Quatro processos acontecem, em regime permanente, no ciclo:

Processo 1→2 - Compressão isoentrópica em um compressor;

Processo 2→3 - Rejeição de a calor a pressão constante em um condensador;

Processo 3→4 - Estrangulamento em um dispositivo de expansão

Processo 4→1 - Absorção de calor constante em um evaporador. A Figura 5 mostra

a representação esquemática do refrigerador e o diagrama termodinâmico de

pressão versus entalpia específica (Pxh) do ciclo ideal de refrigeração por

compressão de vapor.

Os fluidos refrigerantes se caracterizam por evaporarem a baixas pressões (baixas

temperaturas) e condensarem a altas pressões (altas temperaturas). Com essas

mudanças, o fluido refrigerante retira o calor de dentro do sistema de refrigeração

(evaporador) e libera para o ambiente externo (condensador), completando assim o

ciclo de refrigeração. Para manter a diferença de pressão entre a região de alta e a

de baixa, entram em cena dois importantes componentes: o elemento de controle e

o compressor. O elemento de controle pode ser o tubo capilar ou a válvula de expansão. Ele é

responsável por manter a diferença de pressão entre o condensador (alta pressão) e

o evaporador (baixa pressão). Ao criar uma resistência à circulação do fluido, o

elemento de controle faz com que o refrigerante, vindo do condensador, passe de

líquido aquecido a alta pressão para líquido resfriado a baixa pressão, indo em

direção ao evaporador.

No evaporador, ambiente de baixa pressão, o fluido passa do estado líquido para o

estado gasoso, absorvendo calor do ambiente interno nesse processo. Ao sair do

evaporador, o fluido refrigerante é succionado pelo compressor. Então, o

compressor comprime o gás, aumentando pressão e elevando a temperatura do

fluido.

Após isso, o refrigerante é bombeado para o condensador. No condensador, o

fluido sob alta pressão libera o calor para o ambiente e transforma-se em líquido.

Então, o fluido passa pelo filtro secador e segue para o elemento de controle, dando

continuidade ao ciclo.

11

2.1 Fluido refrigerante Isobutano (R600a)

Segundo a ASHRAE (2010), os ciclos de termodinâmica de refrigeração transferem

energia térmica do meio de temperatura fria, para o meio de temperatura mais alta.

Pode-se entender a lógica de funcionamento dos principais sistemas de refrigeração

atuais estudando o funcionamento de um refrigerador doméstico comum, é sistema

de compressão a vapor mais comum. Ele funciona a partir da aplicação dos

conceitos de calor e trabalho, utilizando-se um fluido refrigerante. Fluido refrigerante

é uma substância que, circulando dentro de um circuito fechado, é capaz de retirar

calor de um meio enquanto se vaporiza a baixa pressão. ( Jesué Graciliano, 2004).

Cada fluido refrigerante possui pressões específicas de trabalho. Os refrigeradores

mais modernos possuem fluido R600a e as pressões de trabalho desse refrigerante

são muito diferentes do R134a, fluido que normalmente era usado em sistemas

refrigeração. Por esse motivo, é importante estar alerta na hora de fazer uma carga

de gás, evitando carga em excesso.

O Protocolo de Montreal sobre Substâncias que destroem a Camada de Ozônio é

um tratado internacional que objetiva proteger a Camada de Ozônio por meio da

eliminação da produção e consumo das substâncias destruidoras do Ozônio (SDOs).

Foi adotado em 1987 em resposta à destruição da Camada de Ozônio que protege a

Terra contra a radiação ultravioleta emitida pelo Sol. O Protocolo de Montreal

estabeleceu metas de eliminação para todos os Países, respeitando o princípio das

responsabilidades comuns, porém, diferenciadas. Para prover assistência técnica e

financeira aos países em desenvolvimento, em 1990 foi instituído o Fundo

Multilateral para a Implementação do Protocolo de Montreal (FML).

Tendo como objetivo principal a preservação do meio-ambiente, e obedecendo ao

Protocolo de Montreal, foi adotado um fluido refrigerante natural para a prática das

simulações.

Em um circuito de refrigeração, o mesmo fluido refrigerante pode trabalhar com

diferentes pressões e temperaturas. Essa variação de condições permite que o

refrigerante mude de estado físico: de líquido para gasoso e de gasoso para líquido.

Para essa simulação foi escolhido o R600a , por ser um refrigerante natural e estar

de acordo com o protocolo de Montreal.

12

O principal motivo para a substituição do R134a para o R600a pela indústria esta

associado às características termodinâmicas e físicas dos dois fluidos refrigerantes.

No processo de compressão, o R600a alcança um nível de eficiência maior do que o

R134a. Isso significa que o compressor se torna mais eficiente energeticamente.

Além disso, o fluido refrigerante R134a é sintético e não é facilmente decomposto no

meio ambiente. Já o R600a é um refrigerante natural. Por esse motivo, quando é liberado no meio ambiente ele rapidamente se torna

água e gás carbônico, causando impacto mínimo no aquecimento global. Se

comparado com o R600a, o R134a possui impacto 476 vezes maior sobre o

aquecimento global. Em outras palavras, isso quer dizer que cada 1 kg de R134a no

meio ambiente (quantidade de fluido para sete refrigeradores domésticos) equivale a

476 kg de R600a (quantidade de fluido para 7933 refrigeradores domésticos). Por

não ter cloro na sua composição, o R600a também não causa dano nenhum na

destruição da camada de ozônio.

Figura 6 - Comparação da diferença de pressão de vapor com R134a

Como pode ser observado o isobutano (R600a) apresenta menores pressões de

vapor que o R134a em toda a faixa de temperatura. O R600a é compatível com os

principais materiais metálicos utilizados nos sistemas de refrigeração como aço,

cobre, latão e alumínio. Elastômeros como Viton, Neoprene, Nylon, Teflon, e alguns

tipos de borrachas nitrílicos são adequadas para o uso com o R600a. Entretanto,

borracha natural e silicone não são recomendados.

13

3 Metodologia

Nesta pesquisa foi utilizado o software de simulação de ciclos de refrigeração

“Coolpack” que utiliza como base a plataforma “EES” (Engineering Equation Solver).

Este software foi desenvolvido pelo departamento de engenharia mecânica da

Universidade Técnica da Dinamarca (DTU).

As simulações termodinâmicas realizadas tinham como propósito inicial investigar a

performance do ciclo de refrigeração por compressão a vapor de simples estágio

funcionando com o refrigerante isobutano (R600a). Foi objeto também da presente

pesquisa verificar a sensibilidade das principais variáveis operacionais no coeficiente

de performance (COP) do ciclo de refrigeração.

A Tabela 1 mostra os valores do ciclo de referência (em negrito) e o intervalo das

variáveis operacionais que foram considerados nas simulações. Estes valores foram

adotados com base nos dados da literatura de sistemas de refrigeração empregados

com baixas temperaturas de evaporação.

Tabela 1 – Ciclo de referência e intervalo de simulação das variáveis

VARIÁVEIS INTERVALO CICLO DE REFERÊNCIA

Temperatura de evaporação (0C) 10 a 10 0Temperatura de condensação (0C) 25 a 35 30Superaquecimento útil (K) 0 a 10 5

Sub-resfriamento (K) 1 a 5 3

Queda de pressão no evaporador (bar) 0,1 a 0,5 0,3Queda de pressão no condensador (bar) 0,1 a 0,5 0,3

Queda de pressão na linha de sucção (bar) 0,1 a 0,5 0,3

Queda de pressão na linha de líquido (bar) 0,1 a 0,5 0,3

Queda de pressão linha de descarga (bar) 0,1 a 0,5 0,3

Eficiência isentrópica (%) 0,5 a 0,7 0,6

Na simulação de cada ciclo termodinâmico, foram arbitrados pelo menos 05 (cinco)

valores de cada variável, de modo que possibilitasse a varredura completa do

intervalo de valores das variáveis definidos na Tabela 1. Os dados obtidos das

simulações com o software Coolpack foram posteriormente apresentados na forma

de gráficos, para melhor visualização e análise comparativa da performance do ciclo

de refrigeração de simples estágio funcionando com R600a.

14

4 Resultados e Discussões

Na simulação do ciclo de refrigeração por compressão mecânica de vapor de

simples estágio funcionando com o refrigerante R600a (Iso-butano), realizado com

auxílio do software Coolpack, foi possível averiguar a sensibilidade do coeficiente de

performance (COP) do ciclo em relação aos principais parâmetros operacionais.

O coeficiente de desempenho, COP, é um parâmetro fundamental na análise de

sistemas de refrigeração. A capacidade de retirar calor sobre a potência consumida

pelo compressor deve ser a maior possível. Quando maior o COP menores os

custos operacionais.

15

Figura 6 - Ciclo de Referência

Figura 7 - Dados iniciais

Figura 8 - Valores Base de comparação

I. SIMULAÇÃO: Variando a temperatura no Evaporador -10ºC a +10ºC.

A partir do ciclo padrão foi feita a primeira simulação variando a

temperatura do evaporador de -10 a 10 obtemos os seguintes

resultados:

16

Figura 9 – Representação gráfica do primeiro Ciclo

Legenda:

Ciclo 1 RosaCiclo 2 AmareloCiclo 3 PretoCiclo 4 LaranjaCiclo 5 Vermelho

A linha rosa indica ( T= -10ºC, COP = 2,62), a linha amarela ( T = -5ºC , COP=

3,15),a linha preta (T= 0º, COP = 3,81) , a linha laranja ( T= +5ºC , COP = 4,69 ) , a

linha vermelha ( T = +10ºC, COP = 5,92 ).

Nessa primeira simulação variando a temperatura do evaporador que o melhor COP

foi de +10ºC no evaporador de 5,92. Percebe-se uma redução do COP com o

decréscimo da temperatura, uma vez que ocorre o acréscimo do trabalho de

compressão. Analisamos também que a área do ciclo aumentou, dessa forma já é

esperado a diminuição do COP.

17

II. SIMULAÇÃO: Variando a temperatura no Condensador: +25ºC a +35ºC :

A partir do ciclo padrão foi feita a simulação variando a temperatura do

condensador de +25ºC a +35ºC obtemos os seguintes resultados:

Figura 10 - Representação gráfica do segundo Ciclo

Legenda:

Ciclo 1 RosaCiclo 2 LaranjaCiclo 3 PretoCiclo 4 VermelhoCiclo 5 Azul

A linha rosa indica ( T = +25º C , COP = 4,46 ), a linha laranja ( T = +27,5C , COP =

4,11), a linha preta ( T = +30ºC , COP = 3,81), a linha vermelha ( T= + 32,5º, COP =

3,54), e a linha azul ( T = +35ºC, COP = 3,30) . Percebemos também pelo gráfico

que quanto menor a área , maior será o COP do ciclo.

18

Na Fig. 12 tem-se que o aumento na temperatura do condensador resulta num

decréscimo do COP do ciclo de refrigeração.

III. Variando o Superaquecimento de 0K a +10K.

A partir do ciclo padrão foi feita a simulação variando a temperatura de

superaquecimento de 0K a +10K obtemos os seguintes resultados:

Figura 11 - Representação gráfica do terceiro ciclo

Legenda

Ciclo 1 RosaCiclo 2 VerdeCiclo 3 PretoCiclo 4 AzulCiclo 5 Vermelha

A linha rosa indica ( T = 0K , COP = 3,79 ), a linha verde ( T = +2,5K , COP = 3,80),

a linha preta ( T = +5K , COP = 3,81), a linha azul ( T= + 7K, COP = 3,82), e a linha

vermelha ( T = +10K , COP = 3,83) .

19

Na Fig. 13 tem-se que o aumento na temperatura de superaquecimento resulta no

aumento do COP, mesmo com o aumento do trabalho do compressor, há também o

aumento do Qe.

IV. Variando a temperatura sub-resfriamento de +1K a +5K.

Figura 12 - Representação gráfica do quarto ciclo

Legenda


A linha rosa indica ( T = 1 K , COP = 3,75 ), a linha verde ( T = 2 K, COP = 3,78 ), a

linha preta ( T = 3K , COP = 3,81), a linha azul ( T= + 4K , COP = 3,84), e a linha

vermelha ( T = +5K COP = 3,87) . Na Fig. 15 tem-se que o aumento na temperatura

20

de subresfriamento resulta no aumento do COP, mesmo não havendo alteração no

trabalho do compressor, há o aumento do Qe, o que aumenta o COP.

V. Variando a queda de pressão no evaporador (Bar) de 0,1 a 0,5.

Figura 13 – Representação gráfica do quinto ciclo

Legenda


21

A linha rosa indica ( P = 0,1 bar , COP = 3,81 ), a linha verde (P = 0,2 bar , COP =

3,81), a linha preta (P = 0,3 bar , COP = 3,81), a linha azul (P = 0,4 bar , COP =

3,81), e a linha vermelha (P = 0,5 bar , COP = 3,81) . Na Fig. 15 tem-se que a

variação da pressão no evaporador não provoca nenhuma alteração no COP do

ciclo.

VI. Variando a queda de pressão no condensador (Bar): 0,1bar a 0,5bar.

Figura 14 - Representação gráfica do sexto ciclo

Legenda


22

A linha rosa indica ( P = 0,1 bar , COP = 3,76 ), a linha verde (P = 0,2 bar , COP =

3,78), a linha preta (P = 0,3 bar , COP = 3,81), a linha azul (P = 0,4 bar , COP =


variação da pressão no condensador provoca aumento no COP do ciclo, à medida

que a pressão aumenta.

VII. Variando a queda de pressão na sucção (Bar): 0,1bar a 0,5bar.

Figura 15 - Representação gráfica do sétimo ciclo

Legenda


23

A linha rosa indica (P = 0,1 bar , COP = 4,37 ), a linha verde (P = 0,2 bar , COP =

4,08 ), a linha preta (P = 0,3 bar , COP = 3,81), a linha azul (P = 0,4 bar , COP =


diminuição na pressão na queda de pressão aumenta o COP, pois diminui o trabalho

do compressor.

VIII. Variando a pressão na queda de pressão da linha de liquido (Bar): 0,1bar a 0,5bar.

Figura 16 - Representação gráfica do oitavo ciclo

Não houve alteração do COP com a mudança da pressão, na linha de pressão de

líquido. O trabalho de compressão e o Qe mantiveram-se inalterados.

24

IX. Variando a queda de pressão linha de descarga (bar): 0,1bar a 0,5bar.

Figura 17 - Representação gráfica do nono ciclo

Legenda


25

A linha rosa indica (P = 0,1 bar, COP = 3,96 ), a linha verde (P = 0,2 bar , COP =

3,88 ), a linha preta (P = 0,3 bar , COP = 3,81), a linha azul (P = 0,4 bar , COP =

3,74), e a linha vermelha (P = 0,5 bar , COP = 3,67) .

Na Fig. 19 tem-se que a diminuição na pressão na linha de descarga diminui o COP,

pois diminui o trabalho de compressão, e mantêm-se o Qe inalterado.

X. Variando a eficiência isoentrópica de 0,5 a 0,7 %.

Figura 18 - Representação gráfica do décimo ciclo

Legenda


26

A linha rosa indica ( Eficiência = 0,5 , COP = 3,17 ), a linha verde ( Eficiência = 0,55 ,

COP = 3,49 ), a linha preta ( Eficiência = 0,6 , COP = 3,81 ), a linha azul ( Eficiência

= 0,65 , COP = 4,13 ), e a linha vermelha ( Eficiência = 0,7 , COP = 4,44) .

Na Fig. 20 tem-se que o aumento na eficiência isoentrópica aumentará o COP.

Havendo diminuição no trabalho de compressão.

5 Conclusões

Após a simulação do ciclo de refrigeração mecânica de simples estágio de

compressão funcionando com o refrigerante R600a, pode-se concluir que:

a) O COP do ciclo de refrigeração com R600a é fortemente influenciado

pela temperatura de condensação, temperatura de evaporação e

eficiência isoentrópica do compressor;

b) O COP do ciclo de refrigeração funcionando com R600a é menos

sensível à variação do superaquecimento e subresfriamento;

c) A queda de pressão na linha de líquido e no evaporador não modifica

o COP do ciclo de refrigeração;

d) A queda de pressão nas linhas de descarga e sucção modifica em

menor grau o COP do ciclo de refrigeração.

e) Quanto menor a área do ciclo, maior será o COP, pela análise gráfica

é possível fazer uma estimativa do COP, se aumentará ou diminuirá.

27

6 Referências

Çengel, Y. A. e Boles, M.A. , 2011, Termodinâmica. 7ª edição. São Paulo:

McGraw-Hill.

Wylen, G.; Sonntag, R.; Borgnakke, C., 1994. Fundamentos da Termodinâmica clássica, Blücher , 4.ed. São Paulo.

Shapiro, H. N., 2006, “Fundamentals of Engineering Thermodynamics”, 5th edition, John Wiley and Sons, 847p

Graciliano, S. Jesué, 2004 , Introdução á Tecnologia de Refrigeração e Climatização, 2. Ed. São Paulo.

Verdério, S. A. J., “Ciclo de Refrigeração por Compressão de Vapor”.

Universidade Estadual Paulista Faculdade de Engenharia, Bauru.

monografias.ufrn.br · Web viewTanto um projeto de refrigeração predial, quando industrial,...

Documents

Transcript of monografias.ufrn.br · Web viewTanto um projeto de refrigeração predial, quando industrial,...