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Refrigeração I: ciclo, fluido, processo de compressão



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Valores do ciclo de refrigeração |
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Diagrama pressão x entalpia

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Na série Termodinâmica, é dado exemplo de diagrama temperatura x entropia para mudanças de estado líquido/gás. É mais comum o uso do diagrama pressão x entalpia para o estudo do ciclo de refrigeração. A Figura 01 dá um exemplo típico. Aqui são considerados somente estados abaixo do ponto crítico (ver definição na série citada).

É importante observar as linhas de propriedades termodinâmicas constantes, pois isso facilita a análise do ciclo. As linhas de pressão e entalpia constantes são obviamente retas perpendiculares aos respectivos eixos.

Diagrama pressão x entalpia
Figura 01
A linha de líquido saturado marca o início da vaporização, ou seja, nela ainda há 100% de líquido e 0% de vapor. E pontos à sua esquerda significam líquidos abaixo da temperatura de vaporização ou sub-resfriados.

A linha de vapor saturado marca o fim da vaporização e nela há 100% de vapor e 0% de líquido. Pontos à direita são vapores acima da temperatura de evaporação, ou vapores superaquecidos.

Entre as duas linhas, há misturas de líquido e vapor e as proporções de cada são tanto maiores quanto mais próximas das respectivas linhas de saturação. Considerando o vapor, as linhas verdes indicam proporções constantes (a da esquerda, 10% de vapor e a da direita, 90% de vapor).

Notar que as linhas de temperatura constante são diferentes de acordo com a região do diagrama. Na área do líquido, é uma reta praticamente vertical, devido à sua incompressibilidade. Na vaporização (ou no processo inverso da condensação), é uma linha horizontal, uma vez que, sob pressão constante, há somente troca de calor latente. Na parte gasosa, uma curva próxima do formato indicado.



O circuito de refrigeração

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A Figura 01 abaixo dá o esquema do circuito clássico de refrigeração.

Circuito de refrigeração
Figura 01
Recebendo um trabalho externo, o compressor aumenta a pressão do gás, que se condensa pela troca de calor com o ambiente.

Ao chegar à válvula de expansão, o gás está na fase líquida e a perda de carga devido ao estrangulamento reduz a pressão e o líquido é evaporado, retirando calor do meio que se deseja refrigerar e reiniciando o ciclo ao retornar para o compressor.



O ciclo no diagrama

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A Figura 01 mostra o ciclo de refrigeração no diagrama pressão x entalpia. É uma aproximação da situação real, uma vez que, por exemplo, não são consideradas perdas de carga e trocas de calor nas tubulações que ligam os dispositivos.

A compressão se dá teoricamente de forma adiabática. Portanto a linha AB é uma isentrópica (isso não é indicado no gráfico da Figura 01 do Tópico Diagrama pressão x entalpia por questão de clareza).

Ciclo de refrigeração no diagrama pressão x entalpia
Figura 01
A condensação é isobárica e ocorre sob temperatura constante, com redução da entalpia do fluido pela troca de calor com o ambiente (notar que, no diagrama mencionado, linhas isobáricas e isotérmicas, para condensação e evaporação, são coincidentes).

A expansão é isentálpica, com redução da pressão do fluido, que passa para a região líquido + vapor (ponto D).

Na evaporação isotérmica e isobárica, o aumento de entalpia corresponde ao calor removido do refrigerador.

Na saída do compressor, o vapor está superaquecido e o resfriamento para o início da condensação (BB') é também dado pelo condensador. Na saída do condensador, é comum o líquido estar sub-resfriado (C) e não na saturação (C').



Valores do ciclo de refrigeração

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A Figura 01 deste tópico contém o mesmo ciclo anterior, sem a representação gráfica dos dispositivos. Desde que é um processo de fluxo contínuo, os valores de entalpia são específicos, isto é, por unidade de massa de fluido (kJ/kg, kcal/kg, etc).

O efeito de refrigeração é a quantidade de calor removida do refrigerador, o que corresponde à variação de entalpia no processo de evaporação. Assim,

qref = hA − hD  #A.1#.

O trabalho de compressão é dado por:

wcomp = hB − hA  #B.1#.

O calor cedido pelo condensador é calculado por:

qcond = hC − hB  #C.1#.

Parâmetros do ciclo de refrigeração
Figura 01
Notar que o valor é negativo, significando sentido contrário ao do efeito de refrigeração.

O coeficiente de eficiência é a relação entre o efeito de refrigeração e o trabalho de compressão:

cef hA − hD   #D.1#.
hB − hA


A capacidade de um refrigerador Q é normalmente dada pela quantidade de calor removida por unidade de tempo (watt, kcal/h, etc). Assim, o fluxo de massa do fluido é calculado por:

Qm Q   #E.1#.
qref

Portanto, a vazão volumétrica na entrada do compressor é

V = Qm vA, onde vA é o volume específico em A. Substituindo os valores,

V =  Q vA   #F.1#.
hA − hD

A relação de compressão é dada por:

rcomp pB   #G.1#.
pA

Com as igualdades informadas, é perfeitamente possível o projeto e cálculo de um ciclo de refrigeração para uma determinada capacidade do refrigerador, se disponível um diagrama pressão x entalpia com as curvas de volume específico e temperatura para o fluido a ser usado.

Os ciclos reais, é claro, são um pouco diferente dos ideais. Além do sub-resfriamento do líquido (C'C), o vapor na entrada do compressor está superaquecido, isto é, o ponto A não está exatamente na linha de saturação. E os processos de condensação e evaporação não são perfeitamente isotérmicos, ou seja, as linhas BC e DA são ligeiramente inclinadas.


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