Análise de Sistemas de Refrigeração por Compressão de Vapor

Sistema de Potência a Vapor e de Refrigeração 199 85 Sistemas de Refrigeração a Vapor 200 Ciclo de Carnot de refrigeração a vapor 201 86 ANANALISANDO SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO POR COMPRIMIDA DE VAPOR Sistemas de refrigeração por compressão de vapor são os sistemas de refrigeração mais comuns em uso atualmente O objetivo desta seção é apresentar alguns aspectos importantes de sistemas desse tipo e ilustrar como eles podem ser modelados termodinamicamente onde dotW dotm é a taxa de trabalho por unidade de massa de refrigerante Em seguida o refrigerante passa pelo condensador onde se condensa e ocorre uma transferência de calor do refrigerante para a vizinhança que está mais fria Para um volume de controle que engloba o lado do refrigerante no condensador a taxa de transferência de calor por unidade de massa de refrigerante esc onde CICLE DE REFRIGERAÇÃO IDEAL POR COMPRIMIDA DE VAPOR Refrigerante 134a e o fluido de trabalho em um ciclo ideal de refrigeração por compressão de vapor que se comunica termicamente com uma região fria a 0C e uma região quente a 26C Vapor saturado entra no compressor a 0C e líquido saturado deixa o condensador a 26C A vazão mássica do refrigerante é de 008 kgs Determine a a potência do compressor em kW b a capacidade de refrigeração em TR c coeficiente de desempenho e d coeficiente de desempenho de um ciclo de refrigeração de Carnot operando entre as regiões quente e fria a 26 e 0C respectivamente 2 Exceto para a expansão através da válvula que é um processo de estrangulamento todos os processos do refrigerante são internamente reversíveis 3 O compressor e a válvula de expansão operam adiabaticamente 4 Os efeitos das energias cinética e potencial são desprezados 5 Vapor saturado entra no compressor e líquido saturado sai do condensador Análise a O trabalho do compressor é Ẇc ṁ hs hi onde ṁ é a vazão mássica de refrigerante Inserindo valores Ẇc 008 kgs2647 24723 kJkg 1 kW 14 kW b A capacidade de refrigeração é a taxa de transferência de calor fornecida ao refrigerante que passa através do evaporador Isso é dado por Ẇentrada ṁ hi hu 008 kgs60 smin24723 8575 kJkg 1 TR 211 kJmin 367 TR c O coeficiente de desempenho β é β ẆentradaẆc hi hu hs hi 924 d Para um ciclo de refrigeração de Carnot operando a TH 299 K e TC 273 K o coeficiente de desempenho determinado pela Eq 818 é β TCT1 TC 105 7 Figura 814 Diagrama Ts de um ciclo por compressão de vapor real 8 Análise a O trabalho do compressor é Ẇc ṁ hs hi onde ṁ é a vazão mássica do refrigerante Inserindo valores Ẇc 008 kgs27239 24135 kJkg 1 kW 248 kW b A capacidade de refrigeração é Ẇentrada ṁ hi hu 008 kgs60 smin24135 9956 kJkg 1 TR 211 kJmin 323 TR c O coeficiente de desempenho β é β ẆentradaẆc hi hu hs hi 457 Comparando os resultados deste exemplo com aqueles do Exemplo 85 vemos que a potência de entrada requerida pelo compressor é maior neste caso Além disso a capacidade de refrigeração e o coeficiente de desempenho são menores neste exemplo do que no Exemplo 85 Isso ilustra a influência considerável da transferência de calor irreversível entre o refrigerante e as regiões fria e quente no desempenho EXEMPLO 87 CLICO DE REFRIGERAÇÃO REAL POR COMPRIMIDA DE VAPOR Reconsiderar o ciclo de refrigeração por compressão de vapor do exemplo 86 mas inclua na análise o fato do compressor possuir uma eficiência de 80 Também admite que a temperatura do líquido que saiu do condensador seja de 30C Determinase para o ciclo modificado a a potência do compressor em kW b a capacidade de refrigeração em TR e c o coeficiente de desempenho Solução Dados Um ciclo de refrigeração por compressão de vapor tem uma eficiência de 80 Determinar A potência do compressor em kW a capacidade de refrigeração em TR e coeficiente de desempenho Esquema e Dados Fornecidos Hipóteses 1 Cada componente do ciclo é analisado como um volume de controle em regime estacionário 2 Não há perdas de pressão através do evaporador e do condensador 3 O compressor opera adiabaticamente com uma eficiência de 80 A expansão através da válvula é um processo de estrangulamento 4 Os efeitos das energias cinética e potencial são desprezados 5 Vapor saturado entra no compressor e líquido saturado a 30C sai do condensador Propriedades Iniciamos fixando os estados principais O estado 1 é o mesmo do Exemplo 86 logo h1 24135 kJkg Devido à presença de irreversibilidades durante o processo de compressão adiabática há um aumento na entropia específica desde a entrada do compressor até a saída O estado na saída do compressor estado 2 pode ser fixado utilizando a eficiência do compressor ηc ṅw ṅm h2s h1 h2 h1 onde h2s é a entalpia específica para o estado 2s conforme indicado no diagrama Ts Da solução do Exemplo 86 h2s 27239 kJkg Resolvendo para h2 e inserindo os valores conhecidos h2 h2s h1 080 24135 28015 kJkg O estado na saída do condensador estado 3 está na região de líquido A entalpia específica é aproximada utilizandose a Eq 414 junto com os dados do líquido saturado a 30C conforme segue h3 hf 9149 kJkg Análise a A potência do compressor é ṅw ṅmh1 h1 008 kgs28015 24135 kJkg 1 kW 31 kJs b A capacidade de refrigeração é ṅq ṅmh1 h3 008 kgs60 smin24135 9149 kJkg 1 TR 211 kJmin 341 TR c O coeficiente de desempenho é β h1 h3 h2 h1 24135 9149 28015 24135 386 87 SISTEMAS DE BOMBA DE CALOR POR COMPRIMIDA DE VAPOR O objetivo de uma bomba de calor é manter a temperatura dentro de uma residência ou de outra edificação acima da temperatura da vizinhança ou fornecer calor para certos processos industriais que discutem a temperaturas elevadas Os sistemas de bomba de calor por compressão de vapor possuem diversas características em comum com os sistemas de refrigeração considerados até agora Em particular o método de análise de bombas de calor por compressão de vapor é mesmo daqueles dos ciclos de refrigeração por compressão de vapor considerados anteriormente Também se aplica à discussão anterior sobre o desvio de sistemas reais em relação às condições ideais tanto as bombas de calor por compressão de vapor quanto ciclos de refrigeração por compressão de vapor Conforme ilustrado na Fig 815 uma bomba de calor por compressão de vapor típica para aquecimento dos ambientes de uma casa de calor Qx ṅaiash h2 h1 h2 h1 O valor de γ nunca pode ser menor do que a unidade Muitas fontes possíveis estão disponíveis para a transferência de calor para o refrigerante que passa através do evaporador o ar exterior o solo e a água de lagos rios ou poços Um líquido armazenado em um tanque isolado e que antes têm passado por um coletor solar também pode ser utilizado como fonte para uma bomba de calor Bombas de calor industriais empregam calor rejeitado ou correntes quentes de líquidos ou de gases como fonte de baixa temperatura e são capazes de atingir temperaturas relativamente elevadas no condensador Figura 815 Sistema de bomba de calor por compressão de vapor com fonte de ar