Aula 2 Fundamentos de Refrigeracao

2. Fundamentos de Refrigeração

Prof. Luis Kanashiro

Sumário

• Revisão de Termodinâmica e Conceitos Básicos

• Ciclos Termodinâmicos

• Ciclo de Refrigeração

• COP

3

• Calor e trabalho

• Trabalho: Uma força f agindo através de um deslocamento x,

sendo este deslocamento na direção da força.

• Calor: é definido como sendo a forma de transferência de energia

através da fronteira de um sistema, numa dada temperatura, a um outro sistema (ou o meio), que apresenta uma temperatura

inferior, em virtude, única e exclusivamente, da diferença de temperatura entre os dois sistemas. (Van Wylen et al., 1998)

Conceitos Básicos



4

• Temperatura e escalas de temperatura

• A temperatura de uma substância indica seu estado térmico e a sua habilidade de trocar energia com outra substância que esteja em comunicação térmica. (Stoecker , 1985).

• T_abs[K]=T[ºC] + 273,15 • ΔT1ºC = ΔT1,8ºF

• 0ºC = 32ºF

5

• Pressão

• Pressão é o limite da força normal por unidade de área da

superfície sobre a qual a força atua

• Unidade SI: Pa=N/m² • 1bar=105_Pa=100kPa • 1atm=14,696psi=101,325kPa

Conceitos Básicos

A

F

p



6

• Pressão

• Pressão manométrica x absoluta

Conceitos Básicos

7

• Massa específica e volume específico

• A massa específica de um fluido, ρ, é a massa que ocupa uma

unidade de volume

• O volume específico, v, é o volume ocupado pela unidade de massa

8

• Entalpia

• Em muitos casos, a transferência de calor durante o processo é igual à variação da quantidade u + pv entre os estados inicial e final. Torna-se, portanto, conveniente definir uma nova

propriedade chamada entalpia, designada pela letra h (Van Wylen et al., 1998)

Conceitos Básicos

pv

u

h





onde u representa a energia interna do sistema e pv mensura a quantidade de energia associada ao conjunto sistema-vizinhança devido ao fato do sistema ocupar um volume v quando submetido à pressão constante p, ou seja, o máximo trabalho executável

9

• Primeira Lei da Termodinâmica

• Lei da conservação da Energia

10

• Segunda Lei da Termodinâmica

Conceitos Básicos

a) Enunciado de Kelvin - Planck

Enunciado de Kelvin-Planck:

É impossível a construção de uma máquina que, operando em um ciclo

termodinâmico, converta toda a

quantidade de calor recebido em trabalho.

Este enunciado implica que, não é possível que um dispositivo térmico tenha um rendimento de 100%, ou seja, por menor que seja, sempre há uma quantidade de calor que não se transforma em trabalho efetivo.

11

• Segunda Lei da Termodinâmica

Conceitos Básicos

O calor não pode fluir, de forma

espontânea, de um corpo de

temperatura menor, para um outro corpo de temperatura mais alta.

Tendo como consequência que o sentido natural do fluxo de calor é da temperatura mais alta para a mais baixa, e que para que o fluxo seja inverso é necessário que um agente externo realize um trabalho sobre este sistema.

12

• Segunda Lei da Termodinâmica

Conceitos Básicos

Ciclo Motor Ciclo de Refrigeração

Q_L

13

•

Princípios da refrigeração veicular

Fundamentos

Tubo de alta pressão

Filtro Secador

Condensador Caixa de ar condicionado

Evaporador, valv expansão

Compressor Tubo de baixa pressão

co n d e n sa d o r ve n ti la d o r ven ti lad or compressor e va p o ra d o r Válvula de expansão Ar Fresco Ar Quente Ar Fresco Ar Refrigerado Saída de Ar

Funcionamento

•

Princípios da refrigeração veicular

•

Bomba de Calor/ Ciclo de Refrigeração

Fundamentos

Q

=Q

+W

•

Coeficiente de Performance (COP)

Fundamentos

W

Q

COP



•

Ciclo de Carnot

Fundamentos

Q

=Q

+W

T

T

T

Carnot

COP

W

Q

COP







)

(

•

Exercícios

•

Qual é o COP de um sistema de ar condicionado

veicular de capacidade 6kW sabendo que nessas

condições o calor rejeitado no condensador é de 9kW?

•

Qual é o potência consumida do motor por um sistema

de ar condicionado de 7,5kW de capacidade frigorífica

e COP=1,5?

Fundamentos

•

Definições

•

Definições

•

Definições

•

Definições

24

•

Ciclo Termodinâmico

•

REFRIGERANTE durante a mudança de estado entre o líquido e o vapor.

• Os diferentes estados do refrigerante são mostrados no gráfico PRESSÃO x ENTALPIA, conhecido com DIAGRAMA P-h

•

Diagrama P-h

26

•

Ciclo Termodinâmico

Diagrama P-h:

• O “domo” da curva delimita as diferentes fases do refrigerante.

• Dentro do “domo” encontra-se duas fases da mistura de liquido e vapor

“saturado”, onde existe uma relação fixa entre pressão e vapor

•

Diagrama P-h

28

•

Ciclo Termodinâmico

• Diagrama P-h:

• A linha formada a direita do “domo” descreve que o refrigerante está

com 100% de vapor, conhecido como “vapor saturado”.

• Vapor encontrado além da direita do “domo” é referido como

SUPERAQUECIDO (SH – superheated)

• SH = temperatura atual – temperatura do vapor na pressão atual.

Fundamentos

•

Diagrama P-h

30

•

Ciclo Termodinâmico

Diagrama P-h:

• A linha formada a esquerda do “domo” descreve que o refrigerante está

resfriado com 100% de liquido, conhecido como “liquido saturado”.

• Liquido resfriado encontrado além da esquerda do “domo” é referido

como “SUB REFRIGERADO” (SC – subcooled)

• SC = temperatura do liquido saturado na pressão atual – temperatura

atual.

•

Diagrama P-h

32

•

Ciclo Termodinâmico

Diagrama P-h:

• Dentro da região de duas fases, o estado termodinâmico é especificado pela “título” do refrigerante

• título = x = massa de vapor/massa total: x = 100% = vapor saturado

x = 0% = liquido saturado

x = 50% = ½ vapor + ½ liquido x = 75% = ¾ vapor + ¼ liquido

•

Diagrama P-h

•

Diagrama P-h do R-134a

•

Tabela de propriedades do R-134a

•

Tabela de propriedades do R-134a

38

•

Exemplo

•

A pressão de sucção medida na entrada do compressor é

de 2,5 bar (manométrica). Qual é a temperatura de

evaporação ? (Considerando R-134a e perdas de carga

desprezíveis). Qual é o volume específico nessa condição?

•

Um termômetro nesse mesmo local mede 15C. Qual é o

superaquecimento do fluido refrigerante?

•

Qual é o sub-resfriamento do R-134a à 15,4bar

(manométrico) e 55C, medidos na saída do condensador?

•

Tabela de propriedades do R-134a

40

•

Exemplo

•

A pressão de sucção medida na entrada do compressor é

de 2,5 bar (manométrica). Qual é a temperatura de

evaporação ? (Considerando R-134a e perdas de carga

desprezíveis). Qual é o volume específico nessa condição?

•

Um termômetro nesse mesmo local mede 15C. Qual é o

superaquecimento do fluido refrigerante?

•

Qual é o sub-resfriamento do R-134a à 15,4bar

(manométrico) e 55C, medidos na saída do condensador?

•

Tabela de propriedades do R-134a

42

•

Exemplo

•

A pressão de sucção medida na entrada do compressor é

de 2,5 bar (manométrica). Qual é a temperatura de

evaporação ? (Considerando R-134a e perdas de carga

desprezíveis). Qual é o volume específico nessa condição?

•

Um termômetro nesse mesmo local mede 15C. Qual é o

superaquecimento do fluido refrigerante?

•

Qual é o sub-resfriamento do R-134a à 15,4bar

(manométrico) e 55C, medidos na saída do condensador?

Fundamentos

43

•

Exemplo

•

A pressão de sucção medida na entrada do compressor é

de 2,5 bar (manométrica). Qual é a temperatura de

evaporação ? (Considerando R-134a e perdas de carga

desprezíveis). Qual é o volume específico nessa condição?

•

Um termômetro nesse mesmo local mede 15C. Qual é o

superaquecimento do fluido refrigerante?

•

Qual é o sub-resfriamento do R-134a à 15,4bar

(manométrico) e 55C, medidos na saída do condensador?

•

Tabela de propriedades do R-134a

45

•

Exemplo

•

A pressão de sucção medida na entrada do compressor é

de 2,5 bar (manométrica). Qual é a temperatura de

evaporação ? (Considerando R-134a e perdas de carga

desprezíveis). Qual é o volume específico nessa condição?

•

Um termômetro nesse mesmo local mede 15C. Qual é o

superaquecimento do fluido refrigerante?

•

Qual é o sub-resfriamento do R-134a à 15,4bar

(manométrico) e 55C, medidos na saída do condensador?

Fundamentos

46

•

Ciclo Termodinâmico

•

• O refrigerante passa por quatro processos básicos enquanto passa pelo sistema: • Expansão (Throttling) • Evaporação (Evaporation) • Compressão (Compression) • Condensação (Condensation)

Fundamentos

•

Evaporador

48

•

Ciclo Termodinâmico

• Processo de Evaporação:

• O liquido restante a baixa pressão é evaporado a temperatura/pressão constante, através da absorção de calor do ar externo.

• O ar externo é resfriado e desumidificado e entregue ao interior do veículo.

•

Compressor

50

•

Ciclo Termodinâmico

• Processo de Compressão:

• Vapor saturado/superaquecido a baixa pressão é mecanicamente comprimido aumentando a pressão e temperatura e este pode ser condensado transferindo calor para o ambiente externo.

• Neste processo, existe a necessidade de “potência” do motor.

Fundamentos

•

Condensador

52

•

Ciclo Termodinâmico

• Processo de Condensação:

• Vapor a alta pressão é condensado a pressão/temperatura constantes através da rejeição de calor para o ambiente externo.

• O processo resulta em liquido a alta pressão saturado/sub resfriado, completando o ciclo.

•

Válvula expansão

54

•

Ciclo Termodinâmico

• Processo de Expansão:

• O liquido a alta pressão saturado/sub refrigerado passa através de um restritor de vazão reduzindo a pressão do refrigerante.

• O processo de entalpia (h) constante, resulta em evaporação parcial (30%-50% vapor) e BAIXA TEMPERATURA.

•

Diagrama P-h do R-134a

Fundamentos

Evaporação

Fundamentos

Fundamentos

Condensação

Fundamentos

Diagrama P-h do R-134a

60

•

Ciclo Termodinâmico

• O Ciclo produz os seguintes efeitos:

• Esfria e desumidifica o ar para o interior do veículo;

• Consome potência do motor;

• Rejeita calor para o exterior

•

Ciclo Real e Teórico