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Elementos de Refrigeração I

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Tópicos: Diagrama Pressão × Entalpia | Circuito de Refrigeração | Ciclo no Diagrama | Parâmetros do Ciclo de Refrigeração |

1) Diagrama Pressão × Entalpia

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É comum o uso do diagrama pressão × entalpia para o estudo do ciclo de refrigeração. A Figura 1-I dá um exemplo típico. Aqui são considerados somente estados abaixo do ponto crítico (ponto acima do qual não há transição definida entre líquido e vapor). É importante observar as linhas de propriedades termodinâmicas constantes, pois isso facilita a análise do ciclo. As linhas de pressão e entalpia constantes são naturalmente retas perpendiculares aos respectivos eixos.

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.

Diagrama pressão x entalpia
Fig 1-I

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).

Nota-se 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.


2) Circuito de Refrigeração

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A Figura 2-I dá o esquema do circuito clássico de refrigeração: recebendo um trabalho externo, o compressor aumenta a pressão do gás, que se condensa pela troca de calor com o ambiente.

Circuito clássico de refrigeração
Fig 2-I

Ao chegar à válvula de expansão, com o gás está na fase líquida, 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.


3) Ciclo no Diagrama

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A Figura 3-I mostra o ciclo de refrigeração no diagrama pressão × 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 (sem troca de calor com o exterior). Portanto a linha AB é uma isentrópica (isso não é indicado no gráfico do primeiro tópico por questão de clareza).

Circuito de refrigeração
Fig 3-I

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').


4) Parâmetros do Ciclo de Refrigeração

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A Figura 4-I 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,

$$q_{ref} = h_A - h_D \tag{4A}$$
O trabalho de compressão é dado por:

$$w_{comp} = h_B - h_A \tag{4B}$$
Calor cedido pelo condensador é calculado por:

$$q_{cond} = h_C - h_B \tag{4C}$$
Nota-se que o valor é negativo, significando sentido contrário ao do efeito de refrigeração.

Parâmetros do Ciclo de Refrigeração
Fig 4-I

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

$$c_{ef} = \frac{h_A - h_D}{h_B - h_A} \tag{4D}$$
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:

$$Q_m = \frac{Q}{q_{ref}} \tag{4E}$$
Portanto, a vazão volumétrica na entrada do compressor é V = Qm vA, onde vA é o volume específico em A. Substituindo os valores,

$$V = \frac{Q\ V_A}{h_A - h_D} \tag{4F}$$
A relação de compressão é dada por:

$$r_{comp} = \frac{p_B}{p_A} \tag{4G}$$
Com as igualdades informadas, é possível o projeto e cálculo de um ciclo de refrigeração para uma determinada capacidade do refrigerador, se disponível um diagrama pressão × entalpia com as curvas de volume específico e temperatura para o fluido a ser usado. Entretanto, os ciclos reais são diferentes 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 inclinadas.
Referências
Bouché, Ch. Leitner, A. Sans, F. Dubbel - Manual da Construção de Máquinas. São Paulo, Hemus, 1979.
Dossat, R. Princípios de Refrigeração. São Paulo, Hemus, 1980.
Yamane E. Saito H. Tecnologia do Condicionamento de Ar. São Paulo, Edgard Blücher, 1986.

Topo | Rev: Mai/2008