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Refrigeração e Liquefação

FURG/EQA : Universidade Federal do Rio Grande/Escola de Química e Alimentos FURG/EQA : Universidade Federal do Rio Grande/Escola de Química e Alimentos

DISCIPLINA: Termodinâmica I DISCIPLINA: Termodinâmica I

Pro

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Sumário



Introduç

Introdução e

ão e aplicações;

aplicações;



Refriger

Refrigerador de

ador de Carnot;

Carnot;



Ciclos de

Ciclos de refriger

refrigeração;

ação;



Escolha do fluido refrigerante;



Principais tipos de

Principais tipos de fluidos refriger

fluidos refrigerantes;

antes;



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Refrigeração e Liquefação

Gás natural para produção de GNL Refrigeração de alimentos

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Refrigeração

O ciclo de refrigeração é um processo de mudança do estado físico do fluido refrigerante (líquido e gasoso). Os fluidos refrigerantes são caracterizados por se condensarem a altas pressões e por evaporarem a baixas pressões. A geração do “frio” nos sistemas de refrigeração se dá justamente pela mudança de estado desse fluido refrigerante de líquido para gasoso. Esse processo é similar a umedecer as mãos com álcool e soprar. Ao evaporar, o álcool retira calor das mãos, assim como o fluido refrigerante, ao evaporar, retira calor dos alimentos.

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Refrigeração

Absorção de calor em um nível de temperatura mais baixo, usualmente efetuada através da evaporação de um líquido em um processo contínuo, em estado estacionário.

Ciclo de máquina térmica invertido: Calor é transferido de um nível de T mais baixo para um nível superior (fonte externa de energia).

Refrigerador de Carnot 2 etapas isotérmicas |Q _F|é absorvido no nível T_F |Q _Q|é rejeitado no nível T_Q 2 etapas adiabáticas

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Refrigeração

Refrigerador de Carnot T . C . B . F W W Q líquido trabalho taxa T na adsorvido calor taxa P . O . C







Coeficiente de desempenho de um refrigerador de Carnot BE em cada equipamento • Desprezando as variações da

energia cinética e potencial

• Regime permanente • constante

.

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Refrigeração

Refrigerador de Carnot B . 2 ^ 1 ^ . Q H H m 0 _        Coeficiente de desempenho de um refrigerador de Carnot . C 3 ^ 2 ^ . W H H m 0 _        C . 4 ^ 3 ^ . Q H H m 0 _        T . 1 ^ 4 ^ . W H H m 0 _       

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Refrigeração

Ciclos de refrigeração

• O ciclo de compressão de vapor (ciclo de Rankine inverso); • O ciclo de absorção: o compressor é substituído por

um absorvedor que dissolve o refrigerante num líquido:

é a enas

usado onde existe desperdício de calor disponível ou onde o

calor pode ser obtido por paineis solares.

• O ciclo de gás: trocadores de calor (sem mudança de fase ciclo de

Brayton inverso);

• O ciclo frigorífico Stirling: T_mín  fluídos He e H₂ sobre temperaturas

extremamente baixas, o aumento da pressão promove queda na temperatura do gás.

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Refrigeração

Ciclo com compressão de vapor (ciclo de Kelvin) 1->2 líquido evaporado a uma P cte

Fornece um meio para absorção de calor a T_F (isobárico)

2->3´ compressão isoentrópica (adiabática)

2->3 compressão real (irreversibilidades) e adiabática

3->4 Resfriado e condensado com rejeição de calor a T_Q(isobárico)

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Refrigeração

Ciclo com compressão de vapor (ciclo de Kelvin) Ex.: ar condicionado Vapor Líquido sat. superaquecido LV xL _{> x}V Vapor sat.

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Refrigeração

Ciclo com compressão de vapor

*Desprezando as pequenas variações de energia cinética e potencial queda de pressão dentro do sistema devida ao atrito, irreversibilidade termodinâmica durante a compressão e o comportamento do fluido refrigerante ser o de um gás não ideal.

*Evaporador arrefecimento do ar.

2 ^ 3 ^ 1 ^ 2 ^ . . 1 ^ 4 ^ 2 ^ 3 ^ . . . 3 ^ 4 ^ . . . 1 ^ 2 ^ . . . . . H H H H W Q P O C H H H H m W W H H m Q Q H H m Q Q C B C C Q B F            _            _  

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Refrigeração

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Principais fluídos refrigerantes

Tipos Exemplos Aplicações típicas

CFCs (1932)

R12 *ODP Fabricados até meados da década 1990 HCFCs R22 *ODP Refrigeração doméstica e comercial

HFCs R134a *GWP Refrigeração doméstica e comercial

HC R600a

R290

Isobutano: refrigeração doméstica e comercial Propano: Refrigeração comercial

Blends HCFCs e HFCs: R401a, R401b, R409a. Naturais CO₂R744

Amônia R717 SO₂

Refrigeração comercial leve Refrigeração industrial

ODP: sigla de ozone depletion potential. GWP: sigla de global warming potential .

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Refrigeração

Propriedades como toxidez, flamabilidade, custo, propriedades de corrosão e variação da P_vap com T são de grande importância na escolha do refrigerante.

ar não pode penetrar no sistema de refrigeração: P_vapdo refrigerante na T_evaporador = T_F> P_atm.

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Exemplo 1

Um ar condicionado de um automóvel utiliza um ciclo de refrigeração baseado na compressão do vapor, onde o fluido de trabalho utilizado é o HFC-134 , o qual é inofensivo ao meio ambiente. Os seguintes dados estão disponíveis para o ciclo. Considere o fluxo de refrigerante de 1 lb_m.s-1_.

Ponto Estado do fluido Temperatura 1 Líquido saturado 55 °C = 131 °F

a) Preencha a tabela com as temperaturas, pressões entalpias e entropias. b) Avalie o coeficiente de desempenho do ciclo de refrigeração descrito.

2 Mistura L-V

3 Vapor saturado 5 °C = 41° F

4 Vapor

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Exemplo 1

B . 3 ^ 2 ^ . Q H H m 0 _         3 ^ 4 ^ 2 ^ 3 ^ C . B . H H H H W Q P . O . C





0 W H H m 0 C . 4 ^ 3 ^ .           C . 1 ^ 4 ^ . Q H H m 0 _       

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Exemplo 1

Ponto caminho para próximo ponto T (°F) P (psia) ) R lb / Btu ( S m ^ ) lb / Btu ( H m ^ 1 ↓ isoentálpico 131 216,354 56,5 0,1113 2↓ Isobárico 3↓ isoentrópico 41 50,745 109 0,2219 4↓ isobárico

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Exemplo 1

Ponto caminho para próximo ponto T (°F) P (psia) ) R lb / Btu ( S m ^ ) lb / Btu ( H m ^ 1 ↓ isoentálpico 131 216,354 56,5 0,1113 2↓ Isobárico 41 50,745 56,5 0,1170 3↓ isoentrópico 41 50,745 109 0,2219 4↓ isobárico 139,87 216,354 121,899 0,2219

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Carta de propriedades termodinâmicas 432

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Liquefação

N₂(l)  refrigeração a baixas temperaturas O₂ (l) _ transportado em foguetes

C₃ (l) _ combustível domésticos HClO_desinfetante

Liquefação ocorre quando gás é resfriado até uma T na região bifásica (LV).

• Transferência de calor a uma P cte.

• Processo de expansão com obtenção de W. • Processo de estrangulamento.

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Liquefação

Processo de Liquefação de Linde

T_ambiente

Vapor saturado

A temperatura do gás diminui durante a expansão, exceções He e H_2. ↓ T₇ ↑ fração de gás liquefeita. C o m p r e s s o r

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Liquefação

Processo de Liquefação de Claude

C o m p_r e s s o r e x p_a n s o r Vapor saturado

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Exemplo 2

Deseja-se produzir gás natural liquefeito (GNL), que pode ser considerado metano puro. Metano na corrente de entrada do compressor está nas condições de 1 bar e 280 K (ponto 1), deixa o cooler a 100 bar e 210 K (ponto 3). O tambor de flash é adiabático e opera a 1 bar (P₄= 1 bar). Assume-se que o compressor opera reversível e adiabaticamente. Devido à elevada variação de pressão, um compressor com três estágios com cooler é utilizado. O primeiro estágio comprime o gás de 1 até 5 bar, o segundo de 5 até 25 bar e o terceiro estágio de 25 até 100 bar, entre os estágios o gás é isobaricamente resfriado até 280 K.Dica: utilize o Perry para consultar as propriedades

.

a) Calcule a quantidade de trabalho requerida para cada kg de metano que passa através do compressor no processo de liquefação simples .

Reposta: 782,89 kJ/kg

b) Calcule as frações de vapor e de líquido do metano de saída do tambor de flash no processo simples de liquefação e a quantidade de trabalho requerido no compressor para cada kg de GNL produzido.

Resposta x V _{=0,81 e x}L_{=0,18 W}

C=4202,12 kJ/kg GNL produzido.

Densidade do GNL 600 > GN V_GNL<<< V_GN

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Exemplo 2

Purificação do GN antes de se converter a GNL

Eliminação dos gases ácidos (CO₂, H₂S) antes e depois do processo de pré-resfriamento.;

Desidratação , evitar que a água se congele no processo de liquefação;

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Exemplo 2

5

compressor Resfriador Válvula de expansão Tambor de flash

2 3 4

6

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T_C= 190,6 K