Ciclos de Produção de Frio
Prof. José R. Simões Moreira
EPUSP/PME/SISEA
E-mail: [email protected]
www.pme.poli.usp.br/sisea
Julho/2003
COGEN – Cogeração, auto-produção e produção independente
Princípio de Funcionamento – ciclo de compressão a vapor
diagrama de pressão de vapor (ou curva de saturação) de uma substância simples qualquer
SISEA - Lab. Sistemas Energéticos Alternativos/EPUSP
Pre
ssão
Temperatura
curva de pressão de vapor ou de saturação
liquido
vapor
vapor
liquido
P1
T1
P2
T2
Baixa pressão e, portanto, baixa temperatura
(P1, T1)
Alta pressão e, portanto, alta temperatura
(P2, T2)
Princípio de Funcionamento – ciclo de compressão a vapor (cont…)
Evidentemente, interessa que haja um funcionamento contínuo do ciclo, como ilustrado abaixo.
Vapor a baixa pressão (e baixa temperatura) é comprimido no compressor B elevando sua pressão e temperatura. Processo 1-2.
Esse vapor a alta pressão e temperatura entra no condensador (serpentina vermelha) e, como o nome diz, esse vapor vai se condensar e sair como líquido, na condição indicada pelo estado 3. Calor é rejeitado para fora, no ambiente.
Líquido, agora no estado 3, passa pela válvula de expansão A, fazendo com que a pressão caia para um valor mais baixo. Com isso há uma diminuição de temperatura e evapo- ração parcial do líquido. Finalmente, o fluido se evapora no evaporador, tirando calor do meio a ser resfriado (serpentina azul). Aqui tem-se baixa pressão e temperatura.
SISEA - Lab. Sistemas Energéticos Alternativos/EPUSP
2
3 4
1
Q Calor
rejeitado ao ambiente
Fornecimento de trabalho (energia elétrica) ao
compressor
W
Ambiente/
Sistema
resfriado
Q
Calor retirado do ambiente
Ciclo de Compressão a Vapor (componentes básicos)
SISEA - Lab. Sistemas Energéticos Alternativos/EPUSP
Ciclo de Compressão a Vapor (ciclo padrão)
SISEA - Lab. Sistemas Energéticos Alternativos/EPUSP
O ciclo de compressão a vapor
Consiste de 4 processos básicos, a saber:
Compressão adiabática- reversível – isoentrópica. Elevação da pressão da pressão de evaporação para a pressão de condensação
Rejeição de calor para o meio externo a pressão constante mediante condensação do fluido frigorífico
Expansão isoentálpica estrangulamento da pressão do condensador (alta pressão) para a pressão do evaporador (baixa pressão)
Remoção isotérmica de calor para o ambiente condicionado mediante evaporação à baixa temperatura do fluido frigorífico
Efeito de Refrigeração e Capacidade de refrigeração - Definições
SISEA - Lab. Sistemas Energéticos Alternativos/EPUSP
Efeito de refrigeração, qR, é o calor recebido pelo
ciclo de refrigeração do ambiente que está
sendo refrigerado/ condicionado. Essa
grandeza constitui o objeto fundamental do
ciclo.
Como indicado pelo diagrama P-h ao lado, o
efeito de refrigeração é dado pela seguinte
expressão:
kJ/kg 4131 hhhhqR
QR,qR
Capacidade de refrigeração, QR, é o fluxo total de calor recebido pelo ciclo de
refrigeração do ambiente que está sendo refrigerado/ condicionado. Assim
como o efeito de refrigeração, essa grandeza também constitui o objeto
fundamental do ciclo. Na verdade, ambas estão interligadas por meio da
seguinte expressão:
kW RRR qmQ
kg/s terefrigeran de mássica vazãoRm
Efeito de Refrigeração e Capacidade de refrigeração – Exemplo resolvido
SISEA - Lab. Sistemas Energéticos Alternativos/EPUSP
O cálculo da capacidade de um sistema de ar condicionado resultou em 10 TR(*).
Ao projetista foram apresentadas duas tecnologias que usam dois tipos diferentes de
refrigerantes. Em ambos os casos a temperatura de evaporação é de 5 oC:
(a)um ciclo operando com isobutano
(b)Um ciclo operando com R134a
Considere que o líquido retorne do condensador com temperatura de 35 oC.
Pede-se calcular os efeitos refrigerantes e ass vazões mássicas de cada alternativa.
Refrigerante
Entalpia h1 (kJ/kg)
Entalpia h3 (kJ/kg)
R134a
253,3
100,8
Isobutano R600a
678,6 401,3
SOLUÇÃO:
(a) ISOBUTANO
sisobutano/ de kg 12703277
517310
isobutano de kJ/kg 277,3 34016678
,,
,*m
,,q
R
R
(b) R134a
R134a/s de kg 23105152
517310
R134a de kJ/kg 5521 81003253
,,
,*m
,,,q
R
R
Nota: TR significa tonelada de refrigeração e vale 3,517 kW
Conclusão: o efeito de refrigeração do
isobutano é maior que o do R134a, o
que significa que, para uma mesma
capacidade de refrigeração, uma vazão
mássica menor de refirgerante é
necessária, o que reduz o tamanho geral
do compressor e demais equipamentos.
Trabalho de Compressão e Potência de Compressão
SISEA - Lab. Sistemas Energéticos Alternativos/EPUSP
Trabalho específico de compressão, w, é o
trabalho por unidade de massa que o fluido
necessita receber para elevar seu estado de
vapor de baixa pressão (estado 1 no ciclo ao
lado) para vapor em alta pressão (estado 2 no
ciclo) Como indicado pelo diagrama P-h ao
lado, o trabalho específico de compressão é
dado pela seguinte expressão:
kJ/kg 12 hhw
A potência de compressão, W, é a potência que o fluido necessita receber para
elevar seu estado de vapor de baixa pressão (estado 1 no ciclo ao lado) para
vapor em alta pressão (estado 2 no ciclo) continuamente. A potência de
compressão é o produto do trabalho específico pela vazão mássica de
refrigerante, ou seja
kW 12 hhmwmW RR
Coeficiente de Desempenho ou de Eficácia - COP
SISEA - Lab. Sistemas Energéticos Alternativos/EPUSP
Coeficiente de Desempenho ou de Eficácia, COP,
vem do inglês “coeficient of performance” e é a
grandeza que indica uma espécie de
“rendimento” do ciclo. Ele é dado pela razão
entre o efeito de refrigeração, qR, e o trabalho
específico de compressão, w. Visto de outra
forma, ele também pode ser definido como
sendo a razão entre a capacidade de
refrigeração, QR, e a potência de compressão,
W. Em qualquer caso sua expressão é dada por
12
31
12
41
hh
hh
hh
hh
W
Q
w
qCOP RR
Geralmente o COP é maior que a unidade, o que significa que se obtém um efeito de
refrigeração superior ao “preço” que se paga por ele (o trabalho de compressão).
O COP deve ser analisado com critério. Alguns projetistas, e mesmo fabricantes,
costumam incluir junto com a potência de compressão, a potência de acionamento de
outros equipamentos e também de outros sistemas auxiliares.
Ciclo de Compressão a Vapor (coeficiente de Desempenho - COP)
SISEA - Lab. Sistemas Energéticos Alternativos/EPUSP
Exemplo – Refrigerante R134a é utilizado em um ciclo de compressão a vapor, tendo a temperaratura de evaporação 0oC e de condensação 26oC. A vazão mássica do refrigerante é de 0,08 kg/s. Determine: (a) a potência de compressão em kW e em HP; (b) a capacidade de refrigeração em kW e em TR (toneladas de refrigeração); (c) o COP. Dados: h1=247,23 kJ/kg; h2=264,7 kJ/kg; h3= h4 =85,75 kJ/kg (dados extraídos de uma tabela de propriedades termodinâmicas do refrigerante R-134a)
Solução
*24,947,17
48,161
TR 3,67 kW 12,93 48,16108,0
kJ/kg 161,48 75,8523,247
HP 1,87 kW 1,4 47,1708,0
kJ/kg 47,1723,2477,264
41
12
comp
ref
refref
ref
compcomp
comp
w
qCOP
qmQ
hhq
wmW
hhw
NOTA: ** O valor do COP obtido é, neste caso, bastante elevado, pois se trata de um exemplo ilustrativo, com efeito didático. Valores mais comuns para sistemas de média capacidade giram em torno de 3 a 4, para ciclos de compressão a vapor.
Ciclo Real de Compressão a Vapor
SISEA - Lab. Sistemas Energéticos Alternativos/EPUSP
Condições operacionais e perdas associadas ao
escoamento do refrigerante impedem a
realização prática de um ciclo de compressão a
vapor. As principais diferenças são:
perdas por atrito associadas ao escoamento do fluido – perdas de carga tanto no condensador, como no evaporador. Note no gráfico ao lado que durante os processos de evaporação e de condensação há uma diminuição das pressões correspondentes.
o líquido que sai do condensador (estado 3) e entra no evaporador está ligeiramente subresfriado. Isso é feito para garantir que, apenas líquido entre no dispositivo de expansão – veja válvula de expansão a seguir em componentes do ciclo.
o vapor que sai do evaporador (estado 1) e entra no compressor não pode carregar líquido ou gotículas de líquido consigo, pois pode danificar alguns tipos de compressores. Assim, provoca-se um superaquecimento do vapor a fim de garantir que apenas a fase vapor seja aspirada pelo compressor.
o vapor do refrigerante sofre um processo não ideal de compressão no compressor.
Componentes do ciclo: Compressor – tipo alternativo
SISEA - Lab. Sistemas Energéticos Alternativos/EPUSP
São os compressores mais largamente utilizados na
indústria do frio. Suas principais características são:
podem ser mono ou multicilindros,
potências de menos de 1 kW até centenas de kW,
rotações tão baixas quanto 120 rpm até da ordem de
3000 rpm,
podem ser do tipo aberto, hermético e semi-hermético.
Tipo aberto
Permitem um eixo de acionamento externo (como na
figura) que atravessa a carcaça do compressor – Grande
capacidade – muito usado com amônia Tipo hermético
Nos tipos herméticos, o motor de acionamento e o compressor perfazem uma única unidade
selada do meio exterior, evitando vazamentos e entradas de ar. Em alguns casos o próprio vapor
refrigerante é utilizado no resfriamento do motor. São geralmente de pequeno porte, com
empregos destinados a geladeiras e aparelhos de ar condicionado de janela, entre outros.
Tipo Semi-hermético
Em sistemas de capacidade maior, compressores herméticos possuem a tampa do cabeçote
removível para manutenção e daí a designação de semi-herméticos.
Outros tipos de compressores
SISEA - Lab. Sistemas Energéticos Alternativos/EPUSP
Compresso r tipo parafuso
– uso industrial
Compressor palheta – uso
em geladeiras e pequenos
sistemas de ar
condicionado
Compressor tipo centrífugo
– mais utilizados em
grandes instalações
Componentes do ciclo: VET – Válvula de Expansão Termostática
SISEA - Lab. Sistemas Energéticos Alternativos/EPUSP
A válvula de expansão termostátiva, VET, é o equipamento responsável pela “queda” de pressão, isto é, pela diminuição da pressão de condensação para a pressão de evaporação. Além disso, ela também tem a função de controlar o fluxo de refrigerante que circula pelo circuito.
bulbo
Ciclos de Absorção de Calor
SISEA - Lab. Sistemas Energéticos Alternativos/EPUSP
Princípio de Funcionamento
Ciclos de Absorção de Calor – Coeficiente de Eficácia
SISEA - Lab. Sistemas Energéticos Alternativos/EPUSP
Características do par refrigerante-absorvente
SISEA - Lab. Sistemas Energéticos Alternativos/EPUSP
Características do par refrigerante-absorvente - cont
SISEA - Lab. Sistemas Energéticos Alternativos/EPUSP
Características do par refrigerante-absorvente - cont
SISEA - Lab. Sistemas Energéticos Alternativos/EPUSP
Os pares água-brometo de lítio e água-amônia são, atualmente, os únicos que têm largo emprego comercial e que satisfazem muitos desses critérios. Entretanto, eles também possuem alguns inconvenientes.
Relação de volatilidades para o par amônia-água é muito baixo e tem restrições quanto ao seu emprego mais geral, devido à toxidade.
O par água-brometo de lítio pode apresentar formação de fase sólida, o que inviabiliza seu emprego em refrigeração, ficando restrito à ar condicionado apenas. Além disso, o brometo de litio pode se cristalizar em valores moderados de concentração.
Propriedades da concentração LiBr-Água
SISEA - Lab. Sistemas Energéticos Alternativos/EPUSP
Exemplo de cálculo de um ciclo de absorção – vazões mássicas
SISEA - Lab. Sistemas Energéticos Alternativos/EPUSP
Calcule a vazão em massa de refrigerante (água) através do condensador e evaporador do ciclo mostrado abaixo se através da bomba circula uma vazão de 0,6 kg/s. As temperaturas estão indicadas.
Solução
Exemplo de cálculo de um ciclo de absorção – balanço térmico
SISEA - Lab. Sistemas Energéticos Alternativos/EPUSP
Para o ciclo de absorção anterior calcule qq, qa, qc, qe e o CDE
Solução
Entalpia da Solução
BrLi
SISEA - Lab. Sistemas Energéticos Alternativos/EPUSP
Melhorando o ciclo com um Trocador de Calor
SISEA - Lab. Sistemas Energéticos Alternativos/EPUSP
Note que do exemplo resolvido, que a solução sai no ponto 1 a 30 oC (do absorvedor) e precisa ser aquecida até 100 oC (gerador) – ponto 2, o que aumenta a quantia de calor a ser fornecida ao gerador, qg. Também precisa ser resfriada (ponto 3) de 100 oC para 30 oC (ponto 4). Com isso, a solução mais lógica e que aumenta a eficiência do ciclo é a introdução de um trocador de calor entre esses dois fluxos como indicado.
Exemplo de melhora da eficiência do ciclo com um trocador de calor
SISEA - Lab. Sistemas Energéticos Alternativos/EPUSP
O ciclo anterior foi modificado pela introdução de um trocador de calor entre a solução que é bombeada do absorvedor (ponto 1) e que entra no gerador de tal forma que no ponto 2 a temperatura vale 52 oC. A vazão em massa da bomba continua em 0,6 kg/s. Qual é o fluxo térmico em cada componente e o novo coeficiente de eficácia?
Muitas coisas permanecem inalteradas, são elas:
Exemplo de melhora da eficiência do ciclo com um trocador de calor. cont…
SISEA - Lab. Sistemas Energéticos Alternativos/EPUSP
Unidades de Absorção industriais - exemplos
SISEA - Lab. Sistemas Energéticos Alternativos/EPUSP
100-1400 TR Gama de Capacidades
0.68 C.O.P.
40 °F Temperatura Mínima de Saida de Agua Gelada
45 °F Temperatura Mínima de Entrada de Agua Condensacao
3.6 GPM/TR Para 17°F Diferencial de Torre Resfrimento.
Vapor de 0 a 15 PSIG (0 a 1 Kg./Cm2)
Agua Quente de 240 °F (115 °C) (nominal)
Agua Quente de 266 °F (130 °C) (opcional)
Agua Resfriada por Motor de Combustao Interna
Gases de escape de Turbinas, Motores comb. Interna e Procesos
Turbinas de Vapor
Procesos Industriais
Outros