Ciclos de Refrigeração

Ciclos de Refrigeração

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DO PIAUÍ

CURSO: ENGENHARIA MECÂNICA

DISCIPLINA: MÁQUINAS TÉRMICAS

PROFESSOR: FRANCISCO FERNANDES

CICLOS DE REFRIGERAÇÃO

RESUMO

Rafael Monteiro Veras

Teresina-PI, 19 de novembro de 2010

Em algumas aplicações é necessário que ocorra uma transferência de calor de um ambiente frio (em uma temperatura mais baixa) para outro mais quente (em uma temperatura mais alta), porém essa transferência de calor não ocorre naturalmente. Assim, alguns dispositivos (refrigeradores) são projetados para que essa transferência ocorra. Os ciclos no qual eles se baseiam são chamados de ciclos de refrigeração. Entre esses ciclos podemos destacar os ciclos de refrigeração a gás e por compressão de vapor. O rendimento, ou melhor, o coeficiente de peformace, dessas máquinas é calculado como sendo o calor retirado da fonte fria, QH, pelo trabalho líquido, Wliq., necessário para retirá-lo.

COPR = QH/Wliq.

1) CICLO DE CARNOT REVERSO

O ciclo de Carnot é um ciclo totalmente reversível e consiste em dois processos isotérmicos reversíveis e dois adiabáticos isoentrópicos. Ele possui o maior rendimento que um ciclo pode assumir e serve como padrão no qual os ciclos reais podem ser comparados.

Como sendo um ciclo reversível, todos esses processos podem ser revertidos, ou seja, ele opera no sentido anti-horário no diagrama T-s, mudando assim as interações de trabalho e calor. Nesse momento, ele passa a se chamar de Ciclo de Carnot Reverso, e os dispositivos, que se baseiam nesse ciclo, são chamados de refrigeradores de Carnot. O seu rendimento é calculado como sendo:

onde TF é a temperatura do ambiente frio, TQ é a temperatura do ambiente quente.

Apesar de ser o ciclo mais eficiente que opera em duas faixas de temperaturas, ele não é adequado para se tomar como um modelo para os ciclos de refrigeração. Isso se deve ao fato de se exigir um compressor que trabalhe com uma mistura de liquido e vapor, e uma turbina que opere com alta umidade. Contudo, poder-se-ia trabalhar com o fluido fora da zona de saturação, porém, se torna difícil de manter a temperatura constante nas transferências de calor. Dessa forma, ele não é utilizado como modelo para os ciclos de refrigeração.

2) CICLO IDEAL E REAL DE REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE VAPOR

Os problemas encontrados no ciclo de Carnot reverso podem ser eliminados com a vaporização total do refrigerante na entrada do compressor e a substituição da turbina por um dispositivo de estrangulamento, que pode ser uma válvula de expansão ou um tubo capilar. Assim, é obtido o ciclo ideal de refrigeração por compressão de vapor. Ele consiste em quatro processos: compressão isoentrópica em um compressor; rejeição de calor a pressão constante em um condensador; estrangulamento em um dispositivo de expansão e absorção de calor a pressão constante em um evaporador.

Um fato importante de ser observado é de que esse ciclo não é internamente reversível, fato que se observa em outros ciclos, já que envolve um processo irreversível (estrangulamento). Ele é mantido no ciclo para que este se aproxime de um ciclo real de refrigeração por compressão de vapor. Fora isso, se ele fosse substituído por uma turbina isoentrópica, essa substituição não é uma solução prática, uma vez que a complexidade e os custos adicionais, não justificariam os benefícios acrescidos. Uma regra prática nos mostra que para cada grau Celsius aumentado na temperatura de evaporação ou diminuído na de condensação, o COP aumenta de 2% a 4%.

O ciclo real difere do ciclo ideal em varias maneiras, como, por exemplo, as irreversibilidades nos diversos componentes. Duas causas dessas irreversibilidades são as quedas de pressões (atrito do fluido) e as transferências de calor da vizinhança para o fluido ou o contrário.

O refrigerante que sai do evaporador e entra no compressor, ele é vapor saturado, mas na realidade não podemos controlar a saída dele de modo preciso. Assim, é criado um sistema para que ele entre no compressor ligeiramente superaquecido, garantindo que ele esteja totalmente vaporizado na entrada do compressor, e também as linhas que ligam o compressor e o evaporador não são longas, garantindo uma menor queda de pressão. Contudo, há um aumento no trabalho requisitado pelo compressor.

No processo de compressão do ciclo ideal é isoentrópico, no entanto, no real, ele não é. O refrigerante tanto pode aumentar sua entropia como pode diminuí-la. O melhor seria se ela diminuísse, pois assim haveria uma redução no volume específico, e com isso do trabalho também. Assim, sempre é de bom grado que haja um resfriamento durante o processo, mas desde que seja prático e econômico.

3) SELEÇÃO DO REFRIGERANTE CORRETO

Para selecionar o refrigerante, dois parâmetros são importantes que são as temperaturas do espaço refrigerado e do ambiente nos quais o refrigerante irá trocar calor. Para que haja uma taxa de transferência de calor razoável, é preciso que exista uma manutenção de uma diferença de 5 a 10 °C entre o refrigerante e o meio no qual ele troca calor.

A menor pressão no ciclo ocorre no evaporador, e ela deve ser maior que a pressão atmosférica local, para que não ocorre a infiltração de ar no sistema. A temperatura dele no condensador não pode ficar abaixo da temperatura do meio refrigerado (temperaturas mais baixas no condensador aumentam o COP, por exemplo, trocando o ar por água líquida como meio de resfriamento do refrigerante), e, além disso, a pressão de saturação do refrigerante a essa temperatura deve ser bem abaixo da sua pressão critica, para que haja uma garantia que o processo de rejeição de calor seja aproximadamente isotérmico. Se isso não puder ser efetuado, ou seja, se não houver um refrigerante que atenda a essas especificações, deve-se, portanto, usar dois ou mais ciclos de refrigeração, com diferentes refrigerantes, em série (sistema em cascata).

Fora estas características, existem outras bastantes desejáveis, que incluem: não ser tóxico; não ser corrosivo; não ser inflamável; ser quimicamente estável; ter uma alta entalpia de vaporização (diminuição da vazão mássica) e estar disponível a um baixo custo.

4) SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO EM CASCATA

Em algumas aplicações industriais exigem que a faixa de temperatura no ciclo seja alta, o que inviabiliza que um único ciclo de refrigeração por compressão de vapor seja utilizado. Esse grande intervalo de temperatura significa, também, um grande intervalo de pressões no ciclo e um desempenho ruim de um compressor alternativo. Para solucionar o problema, dois ou mais ciclos são criados operando em série, para executar uma refrigeração em estágios. Tais ciclos são chamados de ciclos de refrigeração em cascata.

Em um ciclo de dois estágios, é introduzido um trocador de calor entre os dois ciclos, no qual ele funciona para um como o evaporador (ciclo superior, onde este está em contato com o meio de temperatura mais alta) e para o outro como condensador (ciclo inferior, onde este está em contado com o ambiente refrigerado). Para um trocador de calor bem isolado, a relação entre as vazões mássicas deve ser a razão entre as variações de entalpias (a de entrada menos a de saída) dos fluidos que estão no trocador de calor.

Um fato a ser observado é que os fluidos de trabalhos nos ciclos podem ou não serem os mesmos, uma vez que não há mistura no trocador de calor. Assim, podem-se utilizar refrigerantes mais adequados em cada um dos ciclos (superior e inferior).

5) SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO EM MÚLTIPLOS ESTÁGIOS

Se o refrigerante no sistema de refrigeração em cascata for o mesmo, o trocador de calor pode ser substituído por uma câmera de mistura, fato que melhora a transferência de calor. Essa câmera de mistura também é conhecida como separador de líquido.

Nesse sistema é utilizado compressor de dois estágios, um de baixa pressão e outro de alta pressão, e também duas válvulas de expansão. O líquido é expandido na primeira válvula e entra no separador de líquido (pressão igual à pressão entre os estágios do compressor), onde parte do líquido vaporiza-se durante o processo. Este é misturado ao vapor superaquecido, e a nova mistura entra no segundo estágio do compressor. Esse processo é essencialmente um processo de regeneração. Este processo é bem parecido com uma compressão de dois estágios com resfriamento intermediário. Um fato a se observar, é que as vazões mássicas são diferentes nas diferentes partes do ciclo. Assim, deve-se tomar cuidado com a interpretação das áreas do diagrama T-s.

5) SISTEMAS DE REFRIGERAÇÃO COM VÁRIAS FINALIDADES COM UM ÚNICO COMPRESSOR

Em algumas aplicações exigem refrigeração a mais de uma temperatura. O que exigiria um compressor e uma válvula de expansão para cada evaporador que opera em diferentes temperaturas. Isso torna o sistema volumoso e provavelmente oneroso. Uma forma de se driblar o problema de maneira barata e prática é utilizando apenas um compressor e direcionar todas as saídas dos evaporadores para ele. Assim, deixando que apenas um compressor realizasse todo o processo de compressão. Um exemplo desse sistema é a geladeira, onde um compartimento deve ser mantido a uma certa temperatura, e o outro, o congelador, a uma temperatura bem abaixo da outra.

6) LIQUEFAÇÃO DE GASES

Em uma temperatura acima da crítica, uma substância somente existe na fase gasosa, como é o caso do hélio (Tc = -268 °C), do hidrogênio (Tc = -240 °C) e do nitrogênio (Tc = -147 °C) que são gases liquefeitos normalmente usados. Tais temperaturas não são obtidas com técnicas comuns de refrigeração. Então, vários ciclos, alguns complexos e outros mais simples, são utilizados para atingir temperaturas baixas como essas. Um desses ciclos é o ciclo de Linde-Hampson.

O gás a ser liquefeito é misturado com a parte de não liquefeita do ciclo anterior, e então segue para um compressor de múltiplos estágios (esse processo se aproxima de um processo isotérmico devido os resfriamentos intermediários). Depois é resfriado por um meio de resfriamento ou um sistema separado de refrigeração, então passa por um trocador regenerativo (é aproveitada a parte do gás que não foi liquefeito, que passa em contracorrente, e depois segue para o inicio do ciclo). Em seguida, é estrangulado (o estado final se encontra na região de mistura) e segue para um compartimento onde a parte líquida é recolhida e a parte ainda gasosa retorna ao ciclo.

7) CICLO DE REFRIGERAÇÃO A GÁS

Assim como os ciclos de potências a vapor podem ser revertidos, os ciclos de potência a gás também podem, e, dessa forma, funcionarem como um ciclo de refrigeração.

O processo é o mesmo do ciclo a vapor: o gás entra em um compressor; sai à alta pressão e temperatura e então é resfriado até a temperatura do ambiente; passa para uma turbina aonde é expandido e por último vai para o espaço refrigerado, no qual retira calor do mesmo e depois volta ao início do ciclo. Todos esses processos, em um ciclo ideal são internamente reversíveis, contudo, no real, os processos de compressão e expansão não são isoentrópicos e a temperatura na qual ele sai do trocador de calor com o ambiente é superior a do mesmo.

Ele se difere do ciclo reverso de Carnot, porque os processos de transferência de calor não são isotérmicos, assim, os COPs dos ciclos de refrigeração a gás são mais baixos que o ciclo reverso de Carnot e, também pelo mesmo motivo, eles são mais baixos que os de compressão de vapor. Apesar disso, eles têm características bastante desejáveis, que são: a utilização de componentes simples e mais leves, e, também, eles podem incorporar a regeneração, fato que os tornam adequados para aplicações criogênicas e liquefação de gases.

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