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Capítulo 11 Ciclos de Refrigeração 643 REFERÊNCIAS E SUGESTÕES DE LEITURA 1. ASHRAE, Handbook of Fundamentals. Atlanta: American So- 4. W. F. Stoecker. "Growing Opportunities for Ammonia Refri- ciety of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers, geration." Proceedings of the Meeting of the International Ins- 1985. titute of Ammonia Refrigeration, Austin, Texas, 1989. 2. Heat Pump Systems-A Technology Review. OECD Report, 5. W. F. Stoecker and J. W. Jones. Refrigeration and Air Condi- Paris, 1982. tioning. 2. ed. New York: McGraw-Hill, 1982. 3. B. Nagengast. "A Historical Look at CFC Refrigerants." ASHRAE Journal 30, n. 11 (November 1988), pp. 37-39. PROBLEMAS* ciclo reverso de Carnot 11-6C Por que a válvula de expansão não é substituída por uma 11-1C Por que estudamos o ciclo de Carnot reverso mesmo sa- turbina isentrópica em um ciclo ideal de refrigeração por compres- bendo que ele não é um modelo realista para ciclos de refrigeração? são de vapor? 11-2C Por que o ciclo reverso de Carnot executado dentro do domo 11-7C É proposto o uso da água em vez do refrigerante-134a de saturação não é um modelo realista dos ciclos de refrigeração? como fluido de trabalho nas aplicações de condicionamento de ar, nas quais a temperatura mínima nunca cai abaixo do ponto de con- 11-3 Um ciclo de refrigeração de Carnot operando em regime gelamento. Você concorda com essa proposta? Explique. permanente utiliza o refrigerante-134a como fluido de trabalho. refrigerante muda de vapor saturado para líquido saturado a 40 °C 11-8C Em um sistema de refrigeração, o calor deve ser rejeitado no condensador enquanto rejeita calor. A pressão do evaporador é para um meio de resfriamento a 15 °C; nesse caso, você recomen- de 100 kPa. Mostre o ciclo em um diagrama T-s com as linhas de daria a condensação do refrigerante-134a a uma pressão de 0,7 ou saturação e determine (a) o coeficiente de performance, (b) a quan- 1,0 MPa? Por quê? tidade de calor absorvido do espaço refrigerado e (c) a entrada de 11-9C A área incluída pelo ciclo de um diagrama T-s representa trabalho líquido. a entrada de trabalho líquido do ciclo reverso de Carnot? E quanto Respostas: (a) 3,72; (b) 128 kJ/kg; (c) 34,6 kJ/kg ao ciclo de refrigeração ideal por compressão de vapor? 11-4E Refrigerante-134a entra no condensador de um refrigera- 11-10C Considere dois ciclos de refrigeração por compressão de dor de Carnot com escoamento em regime permanente como vapor vapor. refrigerante entra na válvula de expansão como líquido saturado a 90 psia, saindo com um título de 0,05. A absorção de ca- saturado a °C em um ciclo e como líquido sub-resfriado a °C lor do espaço refrigerado ocorre a uma pressão de 30 psia. Mostre no outro. A pressão do evaporador de ambos os ciclos é igual. Qual o ciclo em um diagrama T-s com as linhas de saturação e determine ciclo você acha que terá um COP mais alto? (a) coeficiente de performance, (b) o título no início do processo 11-11C COP dos ciclos de refrigeração por compressão de de absorção de calor e (c) a entrada de trabalho líquido. vapor melhora quando o refrigerante é sub-resfriado antes de en- trar na válvula de expansão. refrigerante pode ser sub-resfriado Ciclos de refrigeração reais por compressão de vapor indefinidamente para maximizar esse efeito, ou existe um limite 11-5C o ciclo ideal de refrigeração por compressão de vapor en- inferior? Explique. volve irreversibilidades? 11-12E Um refrigerador opera segundo o ciclo ideal de refrige- ração por compressão de vapor e usa refrigerante-134a como flui- do de trabalho. condensador opera a 300 psia, e o evaporador, Problemas identificados com "C" são conceituais, e os estudantes são a 20 °F. Considerando que um dispositivo de expansão reversível incentivados a respondê-los. Problemas identificados com "E" estão em adiabático disponível é utilizado para expandir o líquido que sai do unidades inglesas, e os usuários do SI podem ignorá-los. Problemas com o condensador, quanto o COP melhoraria utilizando esse dispositivo, icone devem ser resolvidos usando EES, e as soluções junta- em vez do dispositivo de estrangulamento? Resposta: 16,5% mente com os estudos paramétricos, estão incluídas no CD que acompanha este livro. Problemas com o ícone são mais abrangentes e devem ser 11-13 Um ciclo ideal de refrigeração por compressão de vapor resolvidos no computador, de preferência utilizando o programa EES que que utiliza refrigerante-134a como fluido de trabalho mantém um acompanha este livro. condensador a 1.000 kPa e o evaporador a 4 °C. Determine o COP644 Termodinâmica desse sistema e a potência necessária para atender uma carga de 11-18E Um refrigerador utiliza refrigerante-134a como fluido de resfriamento de 400 kW. Respostas: 6,46; 61,9 kW trabalho e opera segundo o ciclo ideal de refrigeração por compres. são de vapor. refrigerante evapora a 5 °F e condensa a 180 psia. Essa unidade atende uma carga de resfriamento de 45.000 QH Determine a vazão mássica do refrigerante e a potência que essa unidade irá exigir. 11-19E Usando o EES (ou outro programa), repita 0 Prob. 11-18E, substituindo o refrigerante-134a pela amônia. 2 11-20 Um refrigerador comercial com refrigerante-134a como fluido de trabalho é usado para manter o espaço refrigerado a 3 °C, rejeitando o calor dissipado para a água de resfriamento Condensador que entra no condensador a 18 °C a uma taxa de 0,25 kg/s, saindo Compressor a 26 °C. refrigerante entra no condensador a 1,2 MPa e Evaporador saindo a 42 °C. estado de entrada do compressor é kPa e Dispositivo de estrangulamento °C, e o compressor deve ganhar um calor líquido de 450 W da vizinhança. Determine (a) o título do refrigerante na entrada do evaporador, (b) a carga de refrigeração, (c) o COP do refrigerador 4 e (d) a carga máxima teórica de refrigeração para a mesma entrada de potência no compressor. Água 26 °C 18 °C 42 °C 1,2 MPa FIGURA P11-13 65 °C 2 3 Condensador 11-14 Um refrigerador usa refrigerante-134a como fluido de tra- Válvula de balho e opera em um ciclo ideal de refrigeração por compressão de expansão vapor entre 0,12 MPa e 0,7 MPa. A vazão mássica do refrigerante Evaporador Compressor é 0,05 kg/s. Mostre o ciclo em um diagrama T-s com as linhas de 60 kPa saturação. Determine (a) a taxa de remoção de calor do espaço re- -34 °C frigerado e a entrada de potência no compressor, (b) a taxa de re- 4 1 jeição de calor para o ambiente e (c) o coeficiente de performance. Respostas: (a) 7,41 kW; 1,83 kW; (b) 9,23 kW; (c) 4,06 11-15 Repita o Prob. 11-14, considerando uma pressão de con- FIGURA P11-20 densador igual a 0,9 MPa. 11-16 Considerando que a válvula de expansão do Prob. substituída por uma turbina isentrópica, determine o aumento per- 11-21 refrigerante-134a entra no compressor de um refrige- centual no COP e na taxa de remoção de calor do espaço refrigera- rador a 100 kPa e °C a uma taxa de 0,5 m³/min, saindo a 0,8 do. Respostas: 4,2%; 4,2% MPa. A eficiência isentrópica do compressor é 78%. refrigerante 11-17 refrigerante-134a entra no compressor de um refrigera- entra na válvula de expansão a 0,75 MPa e 26 °C, saindo do evapo- dor como vapor superaquecido a 0,2 MPa e -5 °C a uma taxa de rador como vapor saturado a °C. Mostre o ciclo em um dia- 0,07 kg/s, saindo a 1,2 MPa e 70 °C. refrigerante é resfriado no grama T-s com as linhas de saturação e determine (a) a entrada de condensador a 44 °C e 1,15 MPa e estrangulado até 0,21 MPa. Des- potência no compressor, (b) a taxa de remoção de calor do espaço prezando a transferência de calor e as quedas de pressão nas linhas refrigerado e (c) a queda de pressão e taxa de ganho de calor na de conexão entre os componentes, mostre o ciclo em um diagrama linha entre o evaporador e o compressor. T-s com as linhas de saturação e determine (a) a taxa de remoção de Respostas: (a) 2,40 kW; (b) 6,17 kW; (c) 1,73 kPa; 0,203 kW calor do espaço refrigerado e a entrada de potência no compressor 11-22 Reconsidere o Prob. 11-21. Usando o EES (ou outro (b) a eficiência isentrópica do compressor e (c) o COP do refrige- programa), investigue os efeitos da variação da efi- rador. Respostas: (a) 9,42 kW; 3,63 kW; (b) (c) 2,60 ciência isentrópica do compressor, considerando um intervalo deCapítulo 11 Ciclos de Refrigeração 645 60 a 100%, e da variação de 0,1 m³/min até 1,0 m³/min da vazão 11-25 Um refrigerador real opera segundo o ciclo de refrigeração volumétrica na entrada do compressor na entrada de potência e na por compressão de vapor, utilizando refrigerante-22 como fluido de taxa de refrigeração. Trace um diagrama considerando a taxa de trabalho. o refrigerante evapora a e condensa-se a °C. refrigeração e a entrada de potência no compressor como funções A eficiência isentrópica do compressor é de 83%. refrigerante é da eficiência do compressor para as vazões volumétricas na entrada superaquecido em °C na entrada do compressor e sub-resfriado do compressor, correspondentes a 0,1 m³/min, 0,5 m³/min e 1,0 m³/ em °C na saída do condensador. Determine (a) o calor removido min e discuta os resultados. do espaço refrigerado e o trabalho fornecido, em kJ/kg, bem como 11-23 Um refrigerador utiliza o refrigerante-134a como fluido o COP do ciclo. Defina (b) os mesmos parâmetros, considerando de trabalho e opera no ciclo ideal de refrigeração por compressão que o ciclo é operado segundo o ciclo de refrigeração por compres- de vapor. refrigerante entra no evaporador a 120 kPa com um são de vapor ideal entre as mesmas temperaturas de evaporação e título de 30% e sai do compressor a °C. Considerando que o condensação. As propriedades do considerando a compressor consome 450 W de potência, determine (a) a vazão operação real, são: 402,49 kJ/kg, h₂ 454,00 kJ/kg, = mássica do refrigerante, (b) a pressão do condensador e (c) o COP 243,19 kJ/kg. As propriedades do refrigerante-22, considerando a do operação ideal, são: h₁ 399,04 kJ/kg, 440,71 kJ/kg, = Respostas: (a) 0,00727 kg/s; (b) 672 kPa; (c) 2,43 kJ/kg Nota: estado 1: entrada do compressor; estado 2: saída do compres- estado 3: saída do estado 4: entrada do evaporador. QH Ambiente quente 11-26 Um refrigerador utiliza refrigerante-134a como fluido de 3 2 trabalho e opera no ciclo de refrigeração por compressão de vapor. As pressões do evaporador e do condensador são 200 kPa e 1.400 Condensador 60 °C kPa, respectivamente. A eficiência isentrópica do compressor é de 88%. refrigerante entra no compressor a uma taxa de 0,025 kg/s Válvula de superaquecido em 10,1 °C e sai do condensador sub-resfriado a expansão 4,4 °C. Determine (a) a taxa de resfriamento fornecida através do evaporador, a potência fornecida e o COP. Determine (b) os mes- Evaporador Compressor mos parâmetros, considerando que o ciclo é operado no ciclo de refrigeração por compressão de vapor ideal entre os mesmos limi- tes de pressão. 4 1 Ambiente Análise de segunda lei para ciclos de refrigeração por frio compressão de vapor 11-27C De que modo a eficiência exergética de um refrigerador FIGURA P11-23 operando no ciclo de refrigeração por compressão de vapor é defi- nido? Forneça duas definições alternativas e explique cada termo. 11-24 fabricante de um condicionador de ar estabelece uma ra- 11-28C De que modo a eficiência exergética de uma bomba de zão de eficiência energética sazonal (REES) de 16 (Btu/h)/W para calor funcionando no ciclo de refrigeração por compressão de va- uma de suas unidades. Essa unidade opera segundo o ciclo normal de por pode ser definida? Forneça duas definições alternativas e mos- refrigeração por compressão de vapor e utiliza refrigerante-22 como tre que uma pode ser obtida da outra. fluido de trabalho. Essa REES é própria das condições de operação em que a temperatura de saturação do evaporador está a -5 °C e a 11-29C Considere um compressor isentrópico de um ciclo de re- temperatura de saturação do condensador está a 45 °C. Dados sele- frigeração por compressão de vapor. Qual é a eficiência isentrópica cionados para o refrigerante-22 são fornecidos na tabela seguinte. e a eficiência exergética desse compressor? Justifique suas respos- tas. A eficiência exergética de um compressor é necessariamente kPa kJ/kg hn kJ/kg igual à sua eficiência isentrópica? Explique. -5 38,76 248,1 0,9344 11-30 Um espaço é mantido a por um sistema de refrige- 45 1.728 101 261,9 0,8682 ração por compressão de vapor em um ambiente a °C. espaço ganha calor continuamente a uma taxa de 3.500 kJ/h, e a taxa da (a) Faça um esboço desse condicionador de ar e do seu diagrama rejeição de calor no condensador é de 600 kJ/h. Determine a po- T-s. tência fornecida, em kW, o COP do ciclo e a eficiência de segunda (b) Determine o calor absorvido pelo refrigerante no evaporador lei do sistema. por unidade de massa do refrigerante-22, em kJ/kg. 11-31 Bananas devem ser resfriadas de 28 °C até 12 °C a uma (c) Determine o trabalho fornecido ao compressor e o calor re- taxa de 1.140 kg/h em um refrigerador que opera no ciclo de jeitado no condensador por unidade de massa do refrigeran- refrigeração por compressão de vapor. A potência fornecida ao re- te-22, em kJ/kg. frigerador é de 8,6 kW. Determine (a) a taxa de calor absorvido646 Termodinâmica das bananas, em kJ/h, e o COP; (b) a potência mínima entregue 11-35 Um refrigerador opera no ciclo de refrigeração por com. para o refrigerador, e (c) a eficiência de segunda lei e a destruição pressão de vapor ideal que utiliza refrigerante-134a como fluido de exergia para o ciclo. calor específico das bananas acima do de trabalho. refrigerante evapora a e condensa-se a congelamento 57,9 °C, além de absorver calor de um espaço a e rejeitá-lo Respostas: (a) 61.100 kJ/h; 1,97; (b) kW; (c) 5,4%; para o ar ambiente a °C. Determine (a) a carga de 8,14 kW to, em kJ/kg, e o (b) a destruição de exergia em cada um 11-32 Um sistema de refrigeração por compressão de vapor ab- dos componentes do ciclo e a destruição total da exergia no ciclo. sorve calor de um espaço a 0 °C a uma taxa de 24.000 Btu/h e e (c) a eficiência de segunda lei do compressor, do evaporador e do ciclo. rejeita calor para a água no condensador. A água sofre um aumento de temperatura de no condensador. COP do sistema é esti- 11-36 Um sistema de refrigeração opera no ciclo de refrige- mado em Determine (a) a potência fornecida ao sistema, em ração por compressão de vapor ideal utilizando amônia como (b) a vazão mássica de água através do condensador e (c) a efi- refrigerante. As pressões do evaporador e do condensador são ciência de segunda lei e a destruição da exergia para o refrigerador. de 200 kPa e 2.000 kPa, respectivamente. As temperaturas dos Considere T₀ e água meios a baixa e a alta temperatura são e °C, respecti- vamente. Considerando que a taxa de calor rejeitado no conden- 11-33E Um refrigerador operando no ciclo de refrigeração por sador kW, determine (a) a vazão volumétrica de amônia compressão de vapor utilizando refrigerante-134a como fluido re- frigerante é considerado. A temperatura do espaço refrigerado e o na entrada do compressor, em (b) a potência fornecida, e COP; e (c) a eficiência de segunda lei do ciclo e a destruição to- ar ambiente estão a 10° F e °F. respectivamente. refrigerante- -134a entra no compressor a 20 psia como vapor saturado e sai a tal da exergia no ciclo. As propriedades da amônia nos diferen- tes estados são as seguintes: h₁ = 1.439,3 s₁ 5,8865 kJ/ 140 psia e 160 °F. refrigerante sai do condensador como líquido saturado. A taxa de resfriamento fornecido pelo sistema é 45.000 m³/kg, h₂ 1.798,3 kJ/kg, Btu/h. Determine (a) a vazão mássica de refrigerante-134a e o COP; 1,9469 Nota: estado 1: entrada (b) a destruição de exergia em cada um dos componentes do ciclo, do compressor; estado 2: saída do compressor; estado 3: saída do bem como a eficiência exergética do compressor, e (c) a eficiência estado 4: entrada do evaporador. de segunda lei do ciclo e a destruição total de exergia no ciclo. 11-37 Usando o EES (ou outro programa), repita o pro- 11-34 Um ambiente é mantido a por um ciclo de refri- blema anterior considerando que a amônia, o refri- geração por compressão de vapor que utiliza o R-134a como re- gerante-134a e o refrigerante-22 são utilizados como refrigerante. frigerante. Calor é rejeitado para a água de resfriamento que entra Além disso, para o caso da amônia, investigue os efeitos das pres- no condensador a 20 °C a uma taxa de 0,15 kg/s e sai a sões no evaporador e no condensador sobre o COP, a eficiência de refrigerante entra no condensador a MPa e 50 °C e sai como segunda lei e a destruição total da exergia. Considere que a pressão líquido saturado. Considerando que o compressor consome 2,2 kW do evaporador varia entre 100 e 400 kPa, e a pressão do condensa- dor, entre 1.000 kPa e 2.000 kPa. de potência, determine (a) a carga de refrigeração, em Btu/h, e o COP; (b) a eficiência de segunda lei do refrigerador e a destruição Seleção do refrigerante correto total de exergia no ciclo; e (c) a destruição de exergia no conden- sador. Considere T₀ e água Respostas: 11-38C Ao selecionar um refrigerante para determinada aplica- (a) 9.610 1,28; (b) 15,7%; 1,85 kW; (c) 0,349 kW ção, quais qualidades ele deveria ter? 11-39C Considere um sistema de refrigeração que utiliza o refri- Água 20 °C gerante-134a como fluido de trabalho. Para que esse refrigerador 28 °C kg/s opere em um ambiente a °C, qual deve ser a pressão mínima de compressão do refrigerante? Por quê? 1,2 MPa MPa 11-40C Um refrigerador a refrigerante-134a deve manter o es- Líquido sat. 50 °C paço refrigerado a °C. Você recomendaria uma pressão para o evaporador de 0,12 MPa ou 0,14 MPa nesse sistema? Por quê? Condensador 11-41 Um refrigerador que opera no ciclo ideal por compressão de vapor com o refrigerante-134a deve manter o espaço refrigerado Válvula de expansão Compressor a e rejeitar o calor para o ambiente a °C. Selecione pres- sões razoáveis para o evaporador e o condensador e explique por Evaporador que selecionou esses valores. 11-42 Uma bomba de calor que opera no ciclo ideal por com- pressão de vapor com o refrigerante-134a é usada para aquecer uma casa e mantê-la a 26 °C, usando água subterrânea a 14 °C como a fonte de calor. Selecione pressões razoáveis para o evapo- rador e o condensador, e explique por que você selecionou esses FIGURA P11-34 valores.Capítulo 11 Ciclos de Refrigeração 647 Sistemas de bombas de calor e a uma taxa de 0,065 saindo a °C. refrigerante entra no 11-43C Você acha que um sistema de bomba de calor será evaporador a °C com título de 23% e sai à pressão de entrada mais eficiente com relação ao custo em Nova York ou em Miami? como vapor saturado. Além disso, o refrigerante perde 300 W de Por quê? calor para a vizinhança à medida que escoa através do compressor, 11-44C que é uma bomba de calor com água como fonte de saindo dele a MPa à mesma entropia da entrada. Determine (a) calor? Compare o COP do sistema de bomba de calor com água os graus de sub-resfriamento do refrigerante no condensador: (b) a como fonte de calor ao COP de um sistema com ar como fonte vazão mássica do (c) a carga de aquecimento e o COP da bomba de calor: (d) a entrada de potência mínima teórica no de calor. compressor para a mesma carga de aquecimento. 11-45E Uma bomba de calor utiliza refrigerante-134a como Respostas: (a) 3,8 °C; (b) 0,0194 kg/s; (c) 3,07 kW; 4,68; fluido de trabalho e opera no ciclo de refrigeração por compressão (d) 0,238 kW de vapor ideal. A pressão no condensador é 100 psia, enquanto a temperatura no evaporador é °F. Qual é o COP dessa bomba de calor? QH 11-46 Uma bomba de calor opera no ciclo de refrigeração por compressão de vapor ideal e usa refrigerante-134a como fluido de 3 MPa Condensador trabalho. condensador opera a 1.000 kPa, e o evaporador, a 200 2 kPa. Determine o COP desse sistema e a taxa de calor fornecido Válvula para o evaporador, considerando que o compressor consome 6 kW. de expansão 11-47 Uma bomba de calor opera no ciclo por compressão de vapor ideal utilizando refrigerante-134a como fluido de trabalho. Evaporador Compressor Essa bomba de calor é utilizada para manter um espaço a 25 °C mediante a absorção de calor a uma taxa de 2,7 kW de água geotér- 4 1 mica que flui através do evaporador. evaporador opera a °C, 20 °C Vapor sat. e condensador opera a 1.400 kPa. compressor recebe trabalho igual a kJ por quilograma de refrigerante que escoa para ele. Água 40 °C (a) Faça um esboço dessa bomba de calor e do seu diagrama T-s. 50 °C (b) Determine a taxa da transferência de calor para o espaço FIGURA P11-49 aquecido a 25 °C. (c) Determine o COP da bomba de calor. 11-50 Refrigerante-134a entra no condensador de uma bomba de Dados do refrigerante-134a: T 20 °C: = 79,3 kJ/kg, = calor residencial a 800 kPa e a uma taxa de 0,018 kg/s, saindo 261,6 kJ/kg; P = 1.400 kPa: h₁ 127,2 kJ/kg, = 276,2 kJ/kg a 750 kPa sub-resfriado em refrigerante entra no compres- 11-48 Um edifício requer uma bomba de calor de duas toneladas sor a 200 kPa superaquecido em 4 °C. Determine (a) a eficiência para manter o espaço interior a 27 °C, sob uma temperatura exte- isentrópica do compressor, (b) a taxa de calor fornecida ao ambiente rior de °C. A bomba de calor opera no ciclo de refrigeração por aquecido e (c) o COP da bomba de calor. Determine também (d) o compressão de vapor normal e utiliza refrigerante-134a como flui- COP e a taxa de calor fornecido para o ambiente aquecido, conside- do de trabalho. As condições de funcionamento da bomba de calor rando que essa bomba de calor é operada no ciclo por compressão exigem uma pressão do evaporador de 240 kPa e uma pressão do de vapor ideal entre os limites de pressão de 200 kPa e 800 kPa. condensador de 1.600 kPa; o compressor tem uma eficiência isen- trópica de 85%. Os dados selecionados para o refrigerante-134a são na tabela seguinte. QH 800 kPa 750 kPa 55 °C P,kPa °C kJ/kg kJ/kg 240 -5,37 43 244 0,9222 3 2 Condensador 1.600 57,92 134 275 0,8982 Válvula ent Para refrigerante-134a a P 1.600 kPa e s 0,9222 de expansão h 285 kJ/kg. Além disso, uma tonelada = 211 kJ/min. Evaporador Compressor (a) Faça um esboço dessa bomba de calor e do seu diagrama T-s. (b) Determine a potência necessária para acionar a bomba de ca- em e o COP. Respostas: (b) kW; 3,29 4 11-49 Uma bomba de calor que utiliza o como fluido de trabalho é usada para manter um espaço a 25 °C, absor- vendo calor da água geotérmica que entra no evaporador a °C FIGURA P11-50648 Termodinâmica Sistemas de refrigeração inovadores rior e inferior correspondem a 0,4 MPa e 0,5 MPa, 11-51C que é a refrigeração em cascata? Quais são as vanta- Em ambos os ciclos, o refrigerante é líquido saturado, na saída do gens e desvantagens da refrigeração em cascata? condensador, e vapor saturado, na entrada do compressor, cuja ficiência isentrópica é de 80%. Considerando que a vazão mássica 11-52C Compare o COP de um sistema de refrigeração em cas- do refrigerante através do ciclo inferior é de 0,15 kg/s, determine cata ao COP de um ciclo simples por compressão de vapor que (a) a vazão mássica do refrigerante através do ciclo superior, (b) opera entre os mesmos limites de pressão. taxa de remoção de calor do espaço refrigerado e (c) o COP desse 11-53C Determinada aplicação exige a manutenção do espaço refrigerador. refrigerado a 32 °C. Você recomendaria um ciclo de refrigera- Respostas: (a) 0,212 kg/s; (b) 25,7 kW; (c) 2,68 ção simples com o refrigerante-134a ou um ciclo de refrigeração em cascata de dois estágios com um refrigerante diferente no ciclo inferior? Por quê? QH 11-54C Considere um ciclo de refrigeração em cascata de dois 7 estágios e um ciclo de refrigeração por compressão de dois está- Condensador gios com um separador de líquido. Ambos os ciclos operam entre 6 os mesmos limites de pressão e usam o mesmo refrigerante. Qual sistema você escolheria? Por quê? Válvula 11-55C Um sistema de refrigeração por compressão de vapor Compressor de expansão com um único compressor pode processar vários evaporadores que operam a diferentes pressões? Como? Evaporador 11-56C No processo de liquefação, por que os gases são compri- 8 5 midos a pressões muito altas? Calor 11-57 Um sistema de refrigeração por compressão de dois estágios opera com o refrigerante-134a entre 3 Condensador os limites de pressão 1,4 MPa e 0,10 MPa. refrigerante sai do 2 condensador como líquido saturado e é estrangulado até um se- parador de líquido que opera a 0,4 MPa. refrigerante que sai Válvula do compressor de baixa pressão a 0,4 MPa também é direciona- Compressor de expansão do para o separador de líquido. vapor do separador de líquido é comprimido até a pressão do condensador pelo compressor de Evaporador alta pressão, e o líquido é estrangulado até a pressão do evapora- dor. Considerando que o refrigerante sai do evaporador como vapor saturado e que ambos os compressores são isentrópicos, 4 1 determine (a) a fração do refrigerante que evapora à medida que ele é estrangulado até o separador de líquido, (b) a taxa de calor removida do espaço refrigerado, considerando uma vazão mássi- FIGURA P11-60 ca de 0,25 kg/s através do condensador e (c) o coeficiente de performance. 11-58 Repita o Prob. 11-57, considerando uma pressão do sepa- 11-61 Um sistema de refrigeração por compressão de dois rador de líquido igual a 0,6 MPa. evaporadores, como o mostrado na Fig. P11-61, utiliza refrige- 11-59 Reconsidere o Prob. 11-57. Usando o EES (ou outro rante-134a como fluido de trabalho. sistema opera a 0 °C no programa), investigue o efeito dos diversos refrige- evaporador 1, a -26,4 °C no evaporador 2, e a 800 kPa no con- rantes para eficiências de compressor de 80%, 90% e 100%. Com- densador. refrigerante circula pelo compressor a uma taxa de pare a performance do sistema de refrigeração, considerando os 0,1 kg/s, e o evaporador a baixa temperatura atende uma carga de diferentes refrigerantes. resfriamento de 8 kW. Determine a taxa de resfriamento do eva- 11-60 Considere um sistema de refrigeração em cascata de dois porador a alta temperatura, a potência requerida pelo compressor estágios operando entre os limites de pressão de 1,2 MPa e 200 kPa e o COP do sistema. refrigerante está como líquido saturado com o refrigerante-134a como fluido de trabalho. A rejeição de ca- na saída do condensador, e como vapor saturado na saída de cada lor do ciclo inferior para o ciclo superior ocorre em um trocador de evaporador; o compressor é isentrópico. calor contracorrente e adiabático no qual a pressão dos ciclos supe- Respostas: 6,58 kW; 4,50 kW; 3,24Capítulo 11 Ciclos de Refrigeração 649 + 2 2 Condensador 3 3 Condensador SRCV A 5 Evaporador I Trocador de calor 4 Válvula de redução de 4 6 7 pressão SRCV B 7 Evaporador 2 5 8 6 FIGURA P11-64 m₂ FIGURA P11-61 11-65 Faça uma análise de segunda lei do sistema em cascata do Prob. 11-64, considerando que o reservatório a baixa temperatura está a 30 °C e o reservatório a alta temperatura, a 30 °C. Onde 11-62E Um sistema de refrigeração por compressão de dois ocorre a maior destruição da exergia? evaporadores (como aquele mostrado na Fig. P11-61) utiliza 11-66 Considere um ciclo de refrigeração em cascata de dois está- refrigerante-134a como fluido de trabalho. sistema opera a 30 gios com uma câmara de flash (separador de líquido), como mostra- psia no evaporador 1, a 10 psia no evaporador 2 e a 180 psia no do na ele utiliza o refrigerante-134a como fluido de trabalho. condensador. A carga de resfriamento é de 9.000 Btu/h para o A temperatura do evaporador é de 10 e a pressão do condensa- evaporador 1 e de 24.000 Btu/h para o evaporador 2. Determine dor é de 1.600 kPa. refrigerante sai do condensador como líquido a potência necessária para operar o compressor e o COP desse saturado e é estrangulado até um separador de líquido que opera a sistema. refrigerante está como líquido saturado na saída do MPa. Parte do refrigerante evapora durante esse processo de condensador e vapor saturado na saída de cada evaporador, e o separação, e o vapor resultante é misturado ao refrigerante que sai compressor é isentrópico. do compressor de baixa pressão. A mistura é então comprimida até a 11-63E Repita o Prob. nesse caso considerando que o pressão do condensador pelo compressor de alta pressão. líquido evaporador a 30 psia é substituído por um evaporador a 60 psia para do separador de líquido é estrangulado até a pressão do evaporador atender a uma carga de refrigeração de 30.000 Btu/h. e resfria o espaço refrigerado à medida que é vaporizado no eva- 11-64 Um sistema de refrigeração em cascata de dois estágios porador. A vazão mássica do refrigerante através do compressor de deve proporcionar resfriamento a -40 °C enquanto opera no con- baixa pressão é de 0,11 kg/s. Considerando que o refrigerante sai densador a alta temperatura, que está a 1,6 MPa. Cada estágio do evaporador como vapor saturado e uma eficiência isentrópica de opera no ciclo de refrigeração por compressão de vapor ideal. A 86% para ambos os compressores, determine (a) a vazão mássica parte superior do sistema de refrigeração por compressão de vapor do refrigerante através do compressor de alta pressão, (b) a taxa da (SRCV) utiliza água como fluido de trabalho e opera seu evapora- refrigeração fornecida pelo sistema e (c) o COP desse refrigerador. dor a °C. o ciclo inferior utiliza refrigerante-134a como fluido de Determine também (d) a taxa da refrigeração e o COP, considerando trabalho e opera seu condensador a 400 kPa. Esse sistema produz agora que esse refrigerador é operado em um ciclo por compressão um efeito de resfriamento de 20 kJ/s. Determine a vazão mássica de de vapor de estágio único entre a mesma temperatura de evapora- refrigerante-134a e de água nos seus respectivos ciclos, bem como ção e pressão do condensador com a mesma eficiência do compres- COP geral desse sistema em cascata. sor e o mesmo fluxo calculado no item (a).650 Termodinâmica 11-74 Repita o Prob. 11-73, considerando uma eficiência isen. 5 trópica do compressor de 80% e uma eficiência isentrópica da tur. Condensador bina de 85%. 4 11-75 Reconsidere o Prob. 11-74. Usando o EES (ou outro programa), estude os efeitos das eficiências isen. trópicas do compressor e da turbina na taxa de refrigeração, à me- Válvula Compressor de dida que elas variam de 70 a 100%, a entrada líquida de potência de expansão alta pressão o COP. Trace o diagrama T-s do ciclo para o caso 6 11-76 Um ciclo de refrigeração a gás com uma razão de pressão 3 utiliza o hélio como fluido de trabalho. A temperatura do hélio é 9 de na entrada do compressor e na entrada da turbina. Câmara de flash Considerando uma eficiência adiabática de 80% para a turbina e (separador o compressor, determine (a) a temperatura mínima do ciclo, (b) de líquido) 3 coeficiente de performance e (c) a vazão mássica do hélio para uma 2 7 taxa de refrigeração de 18 kW. 11-77E Um ciclo ideal de refrigeração a gás utiliza ar como Válvula Compressor de fluido de trabalho. ar está a 5 psia e 10 °F quando entra no de expansão baixa pressão compressor com uma razão de compressão igual a 4. A tempera- Evaporador tura na entrada da turbina é de 100 °F. Determine o COP desse 8 1 ciclo. Considere calores específicos constantes à temperatura ambiente. 11-78E Refaça o Prob. 11-77E, nesse caso considerando a efi- ciência isentrópica do compressor igual a 87%, a eficiência isen- trópica turbina igual a 94% e a queda de pressão através de cada FIGURA P11-66 trocador de calor correspondente a 1 psia. Resposta: 0,364 11-79 Uma carga de resfriamento de 36 kJ/kg a deve ser Ciclo de refrigeração a gás atendida por um ciclo ideal de refrigeração a gás que utiliza ar como fluido de trabalho. Calor proveniente desse ciclo é rejeitado 11-67C Qual é a diferença entre o ciclo ideal de refrigeração a para a vizinhança a 25 °C. Na entrada do compressor, o ar está a gás e o ciclo Brayton? 85 kPa e 13 °C. Determine a razão de pressão mínima para que 11-68C Qual é a diferença entre o ciclo ideal de refrigeração a esse sistema funcione corretamente. Considere calores específicos gás e o ciclo de refrigeração de Carnot? constantes à temperatura ambiente. 11-69C Crie um ciclo de refrigeração que funciona baseado no 11-80 Um sistema de refrigeração a gás que usa o ar como fluido ciclo reverso Stirling. Determine também o COP desse ciclo. de trabalho tem uma razão de pressão igual a 5.0 ar entra no com- 11-70C Como o ciclo ideal de refrigeração a gás é modificado pressor a °C, enquanto o ar a alta pressão é resfriado até para o resfriamento de aviões? pela rejeição do calor para a vizinhança. refrigerante sai da tur- 11-71C Nos ciclos de refrigeração a gás, podemos substituir a bina a e, em seguida, absorve calor do espaço refrigerado antes de entrar no regenerador. A vazão mássica do ar é kg/s. turbina por uma válvula de expansão, como fizemos nos ciclos de refrigeração por compressão de vapor? Por quê? Considerando eficiências isentrópicas de 80% para o compressor e de 85% para a turbina, e utilizando calores específicos à temperatu- 11-72C Como atingimos temperaturas muito baixas com ciclos ambiente, determine (a) a eficácia do regenerador, (b) a taxa de de refrigeração a gás? remoção de calor do espaço refrigerado e (c) o COP do ciclo. De- 11-73 ar entra no compressor de um ciclo ideal de re- termine também (d) a carga de refrigeração e o COP, considerando frigeração a gás a 7 °C e 35 kPa, e na turbina, a agora que o sistema opera no ciclo de refrigeração a gás simples. 37 °C e 160 kPa. A vazão mássica do ar através do ciclo é de 0,2 Considere a mesma temperatura de entrada no compressor, a mes- kg/s. Considerando calores específicos variáveis para o ar, determi- ma temperatura de entrada na turbina e as mesmas eficiências do ne (a) a taxa de refrigeração, (b) a entrada de potência líquida e (c) compressor e da turbina. o coeficiente de performance. Respostas: (a) 0,434; (b) kW; (c) 0,478; (d) 24,7 kW; Respostas: (a) 15,9 (b) 8,64 kW; (c) 1,84 0,599Capítulo 11 Ciclos de Refrigeração 651 espaço a °C enquanto rejeita calor para o ar ambiente a °C. Trocador Argônio entra no compressor a a um fluxo de 0,08 kg/s. de calor Regenerador ciclo tem um razão de pressão igual a 5. A temperatura do argô- 6 nio diminui de 15 °C até °C no regenerador. As eficiências isentrópicas do compressor e da turbina são de 82%. Determine 3 1 (a) a carga de refrigeração e o COP, (b) o consumo mínimo de potência, a eficiência de segunda lei do ciclo e a destruição total 4 Trocador 2 da exergia do ciclo. As propriedades do argônio são 0,5203 5 de calor QH e k = 1,667. Sistemas de refrigeração por absorção Turbina Compressor 11-84C A água pode ser usada como refrigerante em aplicações de condicionamento de ar? Explique. 11-85C que é refrigeração por absorção? Qual é a diferença FIGURA P11-80 entre um sistema de refrigeração por absorção e um sistema de re- frigeração por compressão de vapor? 11-81 Um sistema de refrigeração a gás ideal com dois está- 11-86C Quais são as vantagens e desvantagens da refrigeração gios de compressão com resfriamento intermediário, como mostra por absorção? a Fig. P11-81, opera com ar entrando no primeiro compressor a 11-87C Nos ciclos de refrigeração por absorção, por que o fluido 90 kPa e 18 °C. Cada estágio de compressão tem uma razão de no absorvedor é resfriado e o fluido no gerador, aquecido? pressão igual a 4, e os dois resfriadores intermediários podem re- 11-88C Como é definido o coeficiente de performance de um frigerar o ar até 10 °C. Calcule o coeficiente de performance desse sistema de refrigeração por absorção? sistema e a taxa na qual o ar deve ser circulado por esse sistema 11-89C Quais são as funções do retificador e do regenerador em para atender uma carga de resfriamento de 75.000 kJ/h. Considere um sistema de refrigeração por absorção? calores específicos constantes à temperatura ambiente. Respostas: 1,19; 0,163 kg/s 11-90 Um sistema de refrigeração por absorção que recebe ca- lor de uma fonte a 95 °C e mantém o espaço refrigerado a °C tem COP igual a Considerando que a temperatura ambiente é °C, essa alegação pode ser válida? Justifique sua resposta. 2 3 4 5 11-91 Um sistema de refrigeração por absorção recebe calor de uma fonte a 120 °C e mantém o espaço refrigerado a °C. Con- siderando que a temperatura do ambiente é °C, qual é o COP máximo que esse sistema de absorção pode ter? 11-92 calor é fornecido para um sistema de refrigeração por Went absorção de um poço geotérmico a 130 °C a uma taxa de kJ/h. ambiente está a 25 °C, e o espaço refrigerado é mantido a °C. Determine a taxa máxima com a qual esse sistema pode 1 6 remover calor do espaço refrigerado. Resposta: 5,75 10⁵ kJ/h 11-93 Um refrigerador reversível por absorção consiste em uma máquina térmica reversível e um refrigerador reversível. sistema remove calor de um espaço resfriado a 15 °C a uma taxa de 70 kW. refrigerador opera em um ambiente a 25 °C. Considerando FIGURA P11-81 que o calor é fornecido ao ciclo por vapor saturado e condensado a 150 °C, determine (a) a taxa com a qual o vapor se condensa e (b) 11-82 Como variarão as respostas do Prob. 11-81 caso a eficiên- a entrada de potência no refrigerador reversível. (c) Considerando cia isentrópica de cada compressor seja igual a 85% e a eficiência que o COP de um resfriador (chiller) real por absorção nos mesmos isentrópica da turbina seja de 95%? limites de temperatura tem um COP de 0,8, determine a eficiência 11-83 Um ciclo regenerativo de refrigeração a gás que utili- da segunda lei da termodinâmica para esse resfriador. za argônio como fluido de trabalho é utilizado para manter um Respostas: (a) 0,0174 kg/s; (b) kW; (c) 42%652 Termodinâmica 11-101C Por que os materiais semicondutores são mais adequa. T₀ dos do que os metais para os refrigeradores termoelétricos? 11-102C A eficiência de um gerador termoelétrico é limitada pela eficiência de Carnot? Por quê? 11-103E Um gerador termoelétrico recebe calor de uma fonte a 340 °F e o rejeita para o ambiente a 90 °F. Qual é a máxima cia térmica que esse gerador termoelétrico pode ter? Rev. Rev. Resposta: 31,3% MT Ref. 11-104 Um refrigerador termoelétrico remove calor de um paço refrigerado a -5 °C a uma taxa de 130 W e o rejeita para um ambiente que está a °C. Determine o coeficiente máximo de per- formance que esse refrigerador termoelétrico pode ter e a entrada de potência mínima necessária. Respostas: 10,72; 12,1 W 11-105 Um resfriador termoelétrico tem um COP de 0,15 T₀ TL remove o calor de um espaço refrigerado a uma taxa de Determine a entrada de potência necessária no resfriador termo- FIGURA P11-93 elétrico, em W. 11-106E Um refrigerador termoelétrico tem um COP de 0,18, 11-94E Um ciclo de refrigeração por absorção de água-amônia potência fornecida a esse refrigerador é de 1,8 hp. Determine a taxa é usado para manter um espaço a 25 °F, sob uma temperatura am- de calor retirada do espaço refrigerado, em Btu/min. biente de 70 °F. Amônia pura entra no condensador a 300 psia e 11-107 Um refrigerador termoelétrico é movido por uma bate- 140 °F a uma taxa de 0,04 lbm/s. A amônia que sai do condensador ria de automóvel de 12 V que utiliza 3 A de corrente quando está como líquido saturado é expandida até 30 psia; já a amônia saindo funcionando. refrigerador se parece com uma pequena caixa de do evaporador é vapor saturado. Calor é fornecido ao gerador por gelo, e em doze horas deve resfriar até 3 °C nove latas de bebi- água geotérmica líquida que entra a 240 °F a uma taxa de 0,55 das de 0,350 L cada, cuja temperatura inicial Determine e sai a 200 °F. Determine (a) a taxa de resfriamento fornecida COP médio desse refrigerador. pelo sistema, em Btu/h, bem como o COP, e (b) a eficiência de se- gunda lei do sistema. As entalpias da amônia nos vários estados do sistema são: entrada do condensador h₂ = 665,7 entrada do evaporador 190,9 Btu/lbm, saída do evaporador h₁ 619,2 Btu/lbm. Considere também que o calor específico da água geotér- mica é 1,0 Tópico especial: geração de potência termoelétrica e sistemas de refrigeração 11-95C que é um circuito termoelétrico? 11-96C Descreva os efeitos de Seebeck e Peltier. FIGURA P11-107 11-97C Considere um fio de cobre circular formado pela cone- xão dos dois lados de um fio de cobre. ponto de conexão é aque- 11-108E Refrigeradores termoelétricos que podem ser ligados cido por uma vela acesa. Você espera que alguma corrente flua no acendedor de cigarros do carro estão disponíveis no mercado. pelo fio? Um desses refrigeradores supostamente refrigera uma bebida de 11-98C As extremidades de um fio de ferro e de um fio de cons- 12 onças (0,771 a partir de 78 °F até 38 °F ou aquece uma tantan são ligadas formando um circuito fechado. Em um dado xícara de café de 75 °F até 130 °F em cerca de 15 minutos em um momento, ambas as junções são aquecidas e mantidas à mesma suporte de copo bem isolado. Considerando um COP médio de temperatura. Você espera que alguma corrente elétrica flua por 0,2 no modo de resfriamento, determine (a) a taxa média de remo- esse circuito? ção de calor da bebida, (b) a taxa média de fornecimento de calor 11-99C Um circuito fechado é formado pela conexão das extre- para o café e (c) a energia elétrica consumida da bateria do carro, midades de um fio de cobre e um fio de constantan. Em um certo todas em W. momento, uma junção é aquecida por uma vela acesa, enquanto a 11-109 Um gerador termoelétrico deve ser usado junto com um outra é mantida à temperatura ambiente. Você espera que alguma coletor solar que possa fornecer calor a uma taxa de 7 X corrente elétrica flua por esse circuito? a 90 °C. calor dissipado deve ser rejeitado para o ambiente a 11-100C Descreva o funcionamento de um termopar como um 22 °C. Qual é a potência máxima que esse gerador termoelétrico dispositivo de medição da temperatura. pode produzir?Capítulo 11 Ciclos de Refrigeração 653 Problemas de revisão como fluido de trabalho. Essa bomba de calor tem um COP igual a 11-110 Considere um ciclo de refrigeração de Carnot em re- 6 nesse modo de resfriamento, e mantém um espaço a 25 °C quan- gime permanente que utiliza o refrigerante-134a como fluido de do absorve calor do espaço a uma taxa de 18 kW no evaporador. trabalho. As temperaturas máxima e mínima do ciclo são e evaporador opera a °C, e o condensador opera a 1.400 kPa. A respectivamente. título do refrigerante 0,15 no início água do solo tirada de um poço a uma taxa de 0,32 kg/s absorve o do processo de absorção de calor e de 0,80 ao final dele. Mostre o calor transferido do fluido refrigerante no condensador. ciclo em um diagrama T-s com as linhas de saturação e determine (a) Faça um esboço dessa bomba de calor e do seu diagrama T-s. (a) o coeficiente de performance, (b) as pressões do condensador e (b) Se a água do solo entra no condensador a °C, qual será do evaporador e (c) a entrada de trabalho líquido. a temperatura da água de resfriamento quando for retornada 11-111 As salas com áreas de piso de até 15 m² são resfriadas para o solo? Considere 4,18 para a água de res- adequadamente por condicionadores de ar de janela cuja capacida- friamento. de de resfriamento é de 5.000 Btu/h. COP do condicionador de (c) Determine o COP da bomba de calor. é dado e corresponde a 3,5. Determine a taxa de ganho de calor da sala em Btu/h, considerando que o condicionador de ar opera Dados do refrigerante-134a: T °C: = 79,3 kJ/kg, continuamente para manter uma temperatura constante nas salas. 261,6 kJ/kg; P 1.400 kPa: h₁ kJ/kg, 276,2 kJ/kg 11-112 Uma bomba de calor para aquecimento de água aquece 11-115 Uma unidade de refrigeração opera no ciclo ideal de re- a água absorvendo o calor do ar ambiente e transferindo-o para a frigeração por compressão de vapor e utiliza refrigerante-22 como água. A bomba de calor tem um COP de 3,4 e consome 6 kW de fluido de trabalho. As condições de operação para essa unidade eletricidade quando está em funcionamento. Determine se essa são a temperatura de saturação no evaporador igual a °C e a bomba de calor pode ser usada para atender as necessidades de res- temperatura de saturação no condensador igual a 45 °C. Os da- friamento de uma sala, na maior parte dos selecionados para o refrigerante-22 são fornecidos na tabela do tempo, o calor do ar da sala. A taxa de ganho de calor de uma seguinte. sala é normalmente inferior a 45.000 kJ/h. kPa kJ/kg kJ/kg Entrada Saída -5 421,2 38,76 248,1 de água de água 45 1.728 101 261,9 0,8682 fria quente Para o considere P 1.728 kPa e 0,9344 kJ/ Ar frio para a sala T 68,15 e h = 283,7 kJ/kg. Considere também 1,005 (a) Faça um esboço desse refrigerador e do seu diagrama T-s. (b) Determine o COP para essa unidade de refrigeração. (c) evaporador da unidade está localizado no interior do ali- mentador de ar do edifício. ar que flui pelo alimentador Aquecedor de água de ar entra a e é limitado a uma queda de temperatu- ra de °C. Determine a razão entre a vazão volumétrica e o fluxo de massa do refrigerante-22 através do alimentador de em Con- Ar aquecido sidere que a pressão do ar é 100 kPa. da sala 11-116 Um condicionador de ar opera no ciclo de refrigeração por compressão de vapor utilizando refrigerante-134a como fluido FIGURA P11-112 refrigerante. condicionador de ar é utilizado para manter um espa- ço a °C enquanto rejeita o calor para o ar ambiente a 37 °C. re- 11-113 Uma bomba de calor que opera no ciclo ideal por com- frigerante entra no compressor a 180 kPa superaquecido em 2,7 °C pressão de vapor e utiliza o é usada para aquecer a uma taxa de 0,06 kg/s, saindo do compressor a 1.200 kPa e 60 °C. uma casa. A vazão mássica do refrigerante kg/s. As pressões Refrigerante-134a é sub-resfriado em 6,3 °C na saída do condensa- do condensador e do evaporador são 900 kPa e 200 kPa, respec- dor. Determine (a) a taxa de resfriamento fornecida para o espaço, tivamente. Mostre o ciclo em um diagrama T-s com as linhas de em Btu/h, e o (b) a eficiência isentrópica e a eficiência da saturação e determine (a) a taxa de fornecimento de calor para a exergia do compressor; (c) a destruição de exergia em cada um dos casa, (b) a taxa de escoamento de volume do refrigerante na entrada componentes do ciclo e a destruição total da exergia no ciclo, e (d) do compressor e (c) o COP dessa bomba de calor. a potência mínima entregue e a eficiência de segunda lei do ciclo. 11-114 Uma bomba de calor acoplada ao solo opera segundo um 11-117 Considere uma indústria produtora de gelo que opera ciclo por compressão de vapor ideal utilizando refrigerante-134a no ciclo de refrigeração por compressão de vapor ideal e utiliza654 Termodinâmica refrigerante-134a como fluido de trabalho. As condições de ope- condensador. A carga de resfriamento do evaporador 1 é igual 0 ração do ciclo de refrigeração exigem que a pressão do evapora- dobro da carga do evaporador 2. Determine a carga de dor seja de 140 kPa e a que pressão do condensador seja igual a mento de ambos os evaporadores por unidade de fluxo através 1.200 kPa. Água de resfriamento escoa pela camisa de água em do compressor, assim como o COP desse sistema. o torno do condensador e é fornecida a uma taxa de 200 kg/s. A água te está como líquido saturado na saída do condensador e como de resfriamento tem um aumento de temperatura de à medida vapor saturado na saída de cada evaporador, e o compressor é que escoa pela camisa de água. Para produzir gelo, água potável é isentrópico. fornecida à seção de resfriador do ciclo de refrigeração. Para cada kg de gelo produzido, 333 kJ de energia devem ser removidos do + fornecimento de água potável. (a) Esboce um esquema para os três fluidos de trabalho desse sis- tema de refrigeração de fazer gelo e o diagrama T-s para o ciclo de refrigeração. 2 (b) Determine o fluxo de massa do refrigerante, em kg/s. (c) Determine o fluxo de massa do fornecimento de água potável, em kg/s. 3 Condensador 11-118 o congelamento rápido de frutas frescas requer ar a °C. Um refrigerador que utiliza como fluido Evaporador 1 5 de trabalho produz esse ar operando seu evaporador a e seu condensador a 1.200 kPa, enquanto rejeita calor para o ar ambiente Válvula de a 30 °C. Considerando que a eficiência isentrópica do compressor redução 4 é de 90% e o vapor que entra no compressor é superaquecido em de pressão °C, determine o processo que causa a maior quantidade de perda de exergia. Resposta: 22,5 kJ/kg (válvula de expansão) 11-119 Refaça o Prob. 11-118 com um sub-resfriamento de 7 Evaporador 2 6,3 °C na saída do condensador. 11-120 Considere um sistema de refrigeração de dois estágios que opera entre os limites de pressão 1,4 MPa e MPa. flui- 6 do de trabalho é o refrigerante-134a refrigerante sai do con- densador como líquido saturado e é estrangulado até um separa- dor de líquido que opera a 0,6 MPa. Parte do refrigerante evapora durante esse processo de separação, e esse vapor é misturado ao m₂ refrigerante que sai do compressor de baixa pressão. Em seguida, FIGURA P11-121E a mistura é comprimida até a pressão do condensador pelo com- pressor de alta pressão. líquido do separador de líquido é então estrangulado até a pressão do evaporador e resfria o espaço refri- 11-122E Reconsidere o Prob. 11-121E. sistema de refrigera- gerado à medida que é vaporizado no evaporador. Considerando ção do referido problema resfria um reservatório a 15 °F e outro a que o refrigerante sai do evaporador como vapor saturado e que 40 °F enquanto rejeita calor para um reservatório a 80 °F. Qual dos ambos os compressores são isentrópicos, determine (a) a fração processos tem a maior destruição de exergia? do refrigerante que evapora, à medida que ele é estrangulado no 11-123 Um sistema de refrigeração por compressão de dois es- separador de líquido; (b) a quantidade de calor removida do espa- tágios de uma unidade de separação de líquido-vapor ço refrigerado e o trabalho de compressão por unidade de massa como esse mostrado a seguir na Fig. P11-123, utiliza refrigeran- do refrigerante que escoa pelo condensador e (c) o coeficiente de te-134a como fluido de trabalho. sistema opera a -32 °C no performance. evaporador, a 1.400 kPa no condensador e a 8,9 °C no separador. Respostas: (a) 0,253; (b) 121 kJ/kg; 36,4 kJ/kg; (c) 3,31 refrigerante é circulado pelo condensador a uma taxa de kg/s. 11-121E Um sistema de refrigeração por compressão de dois Determine a taxa de resfriamento e a potência necessária para esse evaporadores, como o que é mostrado na Fig. P11-121E, utiliza sistema. refrigerante está como líquido saturado na entrada de refrigerante-134a como fluido de trabalho. sistema opera com cada válvula de expansão e como vapor saturado na entrada de cada 30 °F no evaporador 1, -29,5 °F no evaporador 2 e 160 psia no compressor; os compressores são isentrópicos.Capítulo 11 Ciclos de Refrigeração 655 sidere uma variação de 50 °C a 250 °C para a temperatura da fonte. Trace a taxa mínima de fornecimento de calor como fun- ção da temperatura da fonte e discuta os resultados. 2 11-128 Um sistema de refrigeração a gás que usa o ar como fluido de trabalho tem uma razão de pressão igual a 5. o ar entra no compressor a °C. ar a alta pressão é resfriado até 35 °C pela rejeição do calor para a vizinhança. refrigerante sai da 3 I Condensador turbina a °C e entra no espaço refrigerado, no qual absor- ve calor antes de entrar no regenerador. A vazão mássica do ar é Separador de 0,4 kg/s. Considerando eficiências isentrópicas de 80% para 8 o compressor e de 85% para a turbina e utilizando calores espe- 4 cíficos variáveis, determine (a) a eficácia do (b) a taxa de remoção de calor do espaço refrigerado e (c) o COP do 5 ciclo. Determine também (d) a carga de refrigeração e o COP caso m6 o sistema operasse em um ciclo de refrigeração a gás simples. 7 Considere a mesma temperatura de entrada do compressor, a mes- ma temperatura de entrada da turbina e as mesmas eficiências do compressor e da turbina. 6 Trocador Evaporador de calor Regenerador FIGURA P11-123 6 3 11-124 Qual processo do ciclo no Prob. 11-123 tem a maior taxa de destruição de exergia quando o reservatório de baixa temperatu- 5 4 Trocador 2 está a °C e o reservatório de alta temperatura está a °C? de calor QH Resposta: 26,2 kW (condensador) 11-125 Considere um ciclo regenerativo de refrigeração a gás Turbina que usa o hélio como fluido de trabalho. hélio entra no compres- Compressor sor a 100 kPa e 10 °C e é comprimido até 300 em seguida, é resfriado até 20 °C pela água. Ele então entra no regenerador, onde é resfriado adicionalmente antes de entrar na turbina. o hélio FIGURA P11-128 finalmente sai do espaço refrigerado a °C e entra no regene- rador. Considerando que a turbina e o compressor são isentrópicos 11-129 sistema de refrigeração da Fig. P11-129 outra varia- determine (a) a temperatura do hélio na entrada da turbina, (b) o ção do sistema básico de refrigeração com compressão de vapor coeficiente de performance do ciclo e (c) a entrada de potência lí- que tenta reduzir o trabalho de compressão. Nesse sistema, um quida necessária para uma vazão mássica de kg/s. trocador de calor é usado para sobreaquecer o vapor que entra no 11-126 Um sistema de refrigeração por absorção deve remover compressor enquanto sub-resfria o líquido que sai do condensa- calor do espaço refrigerado a e a uma taxa de 28 enquanto dor. Considere um sistema desse tipo que utiliza refrigerante-134a opera em um ambiente a calor deve ser fornecido de um como refrigerante e opera o evaporador a °C e o condensa- coletor solar a 95 °C. Qual é a taxa mínima de fornecimento de dor a 800 kPa. Determine o COP do sistema, considerando que o calor necessária? Resposta: 12,3 kW trocador de calor fornece °C de sub-resfriamento na entrada 11-127 Reconsidere o Prob. 11-126. Usando o EES (ou da válvula de estrangulamento. Considere que o refrigerante sai outro programa), investigue o efeito da tempera- do evaporador como vapor saturado e o compressor é isentrópico. tura da fonte sobre a taxa mínima de fornecimento de calor. Con- Resposta: 5,23656 Termodinâmica de uma turbina, como no ciclo reverso Brayton). Ele foi inventado e patenteado por Ranque em 1931 e aperfeiçoado por Hirsch em 1945, e pode ser encontrado comercialmente em diversos tamanhos 2 tubo vórtex, ou tubo de vórtices, é um tubo circular equipado com um bocal, como mostra a Fig. P11-132. gás comprimido à temperatura T₁ e pressão P₁ é acelerado no bocal e expande-se até Condensador 3 aproximadamente a pressão atmosférica. Ele é introduzido no tubo tangencialmente a uma velocidade muito alta (em geral supersôni- ca) para produzir um movimento de turbilhão (vórtex) dentro do tubo. gás em movimento giratório sai por toda a extensão do tubo que se estende para a direita, e a vazão mássica é controlada por uma válvula localizada cerca de 30 diâmetros abaixo. Uma quan- tidade menor de ar na região central pode escapar para a esquerda 4 por uma pequena abertura no centro. Observa-se que o gás que está na região central e escapa pela abertura central é frio, enquanto 0 6 gás que está na região periférica e escapa pela extensão do tubo é quente. Considerando que a temperatura e a vazão mássica da corrente fria são e respectivamente, a taxa de refrigeração no tubo vórtex pode ser expressa por 5 tubo vórtex Evaporador onde é o calor específico do gás e T₁ Tc é a queda de tempe- FIGURA P11-129 ratura do gás no tubo vórtex (o efeito de resfriamento). As quedas de temperatura de até 60 °C (ou 108 °F) são obtidas a altas taxas de pressão aproximadamente iguais a 10. coeficiente de perfor- 11-130 Repita o Prob. considerando que o trocador de mance de um tubo vórtex pode ser definido como a relação entre calor fornece °C de sub-resfriamento. a taxa de refrigeração dada anteriormente e a potência utilizada para comprimir o gás. Ele varia de cerca de 0,1 até 0,15, o que 11-131 Um sistema de refrigeração a gás ideal com três estágios está bem abaixo dos COPs dos refrigeradores por compressão de de compressão com resfriamento intermediário opera com ar que vapor comuns. entra no primeiro compressor a 50 kPa e 30 °C. Cada compressor Esse interessante fenômeno pode ser explicado da seguinte nesse sistema tem uma razão de pressão igual a 7. e a temperatura maneira: a força centrífuga cria um gradiente de pressão radial no do ar à saída de todos os resfriadores intermediários é de 15 °C. vórtex e, portanto, o gás da periferia é pressurizado e aquecido pelo Calcule o COP desse sistema. Considere calores específicos cons- gás da região central que, como resultado, é resfriado. Da mesma tantes à temperatura ambiente. forma, a energia é transferida das camadas internas na direção das camadas externas à medida que estas retardam as camadas inter- nas devido à viscosidade do fluido que tende a produzir um vór- tex sólido. Ambos esses efeitos causam a diminuição da energia 2 3 4 5 6 7 portanto, da temperatura do gás na região central. A conservação da energia exige que a energia do fluido nas camadas externas au- mente com quantidade equivalente. tubo vórtex não tem partes móveis; por isso, é inerentemen- te confiável e durável. A disponibilidade do ar comprimido a pres- sões de até 10 atm na maioria das instalações industriais torna 0 tubo vórtex particularmente interessante nessas situações. Apesar 8 da baixa eficiência, esse efeito encontrou aplicações em operações industriais de resfriamento local e de pequena escala, como o res friamento de partes soldadas ou de componentes eletrônicos funda- mentais, bem como no resfriamento de água potável e de uniformes de funcionários em ambientes quentes. FIGURA P11-131 Considere agora um tubo vórtex que recebe ar comprimido 500 kPa e 300 K e fornece 25% dele como ar frio a 100 kPa e 278 K. ar ambiente está a 300 K e 100 kPa, e o compressor tem uma 11-132 o tubo vórtex (também conhecido como tubo de Ranque eficiência isentrópica de 80%. ar sofre uma queda de pressão ou Hirsch) é um dispositivo que produz um efeito de refrigeração de 35 kPa no pós-resfriador e nas linhas de ar comprimido entre expandindo gás pressurizado como o ar em um tubo (em vez compressor e o tubo vórtex.Capítulo 11 Ciclos de Refrigeração 657 (a) Sem executar cálculos, compare o COP do efeito vórtex com líquido saturado durante o processo de rejeição de calor. A entrada o COP de um sistema real de refrigeração de ar com base no de trabalho líquido para esse ciclo é ciclo reverso Brayton para a mesma taxa de pressão. Compare (a) 28 kJ/kg (b) 34 kJ/kg (c) 49 kJ/kg também as temperaturas mínimas que podem ser obtidas pelos (d) 144 kJ/kg dois sistemas para a mesma temperatura e pressão de entrada. (e) 275 kJ/kg 11-138 (b) Considerando que o efeito vórtex é adiabático e usando os Um refrigerador retira calor de um espaço refrigerado a calores específicos à temperatura ambiente, determine a tem- 0 °C a uma taxa de 2,2 kJ/s e rejeita-o a um ambiente a 20 °C. A potência mínima de entrada necessária é peratura de saída da corrente de fluido quente. (a) 89 W (b) W (c) 161 W (c) Mostre com cálculos que esse processo não viola a segunda lei da termodinâmica. (d) 557 W (e) 2.200 W (d) Determine o coeficiente de performance desse sistema de re- 11-139 Um refrigerador funciona no ciclo ideal de refrigeração frigeração e compare-o ao COP de um refrigerador de Carnot. por compressão de vapor utilizando refriferante-134a como fluido de trabalho entre os limites de pressão de 120 kPa e 800 kPa. Con- siderando que a taxa de remoção de calor do espaço refrigerado é Ar comprimido 32 o fluxo de massa do refrigerante será (a) 0,19 kg/s (b) kg/s (c) 0,23 kg/s (d) 0,28 kg/s (e) 0,81 kg/s 11-140 Uma bomba de calor opera no ciclo ideal de refrigera- ção por compressão de vapor utilizando refrigerante-134a como fluido de trabalho entre os limites de pressão de 0,32 MPa e 1,2 MPa. Considerando que o fluxo de massa do refrigerante é de Ar frio Ar quente 0,193 kg/s, a taxa de fornecimento de calor pela bomba de calor para o espaço aquecido é FIGURA P11-132 (a) kW (b) 23 kW (c) 26 kW (d) 31 kW (e) 45 kW 11-141 Um ciclo ideal de refrigeração por compressão de vapor 11-133 Repita o Prob. 11-132 considerando uma pressão de 600 que utiliza refrigerante-134a como fluido de trabalho opera entre os kPa na entrada do tubo vórtex. limites de pressão de 120 kPa e 700 kPa. A fração de massa do refri- 11-134 Usando o EES (ou outro programa), investigue o gerante que se encontra na fase líquida na entrada do evaporador é efeito da pressão do evaporador sobre o COP de (a) 0,69 (b) (c) 0,58 um ciclo de refrigeração ideal por compressão de vapor que utiliza (d) (e) 0,35 0 refrigerante-134a como fluido de trabalho. Considere que a 11-142 Considere uma bomba de calor que opera no ciclo ideal de pressão do condensador é mantida constante a 1,4 MPa, enquanto refrigeração por compressão de vapor que utiliza refrigerante-134a a pressão do evaporador varia de 100 kPa até 500 kPa. Trace o como fluido de trabalho entre os limites de pressão de 0,32 MPa e COP do ciclo de refrigeração em relação à pressão do evaporador 1,2 MPa. coeficiente de performance dessa bomba de calor é discuta os resultados. (a) 0,17 (b) 1,2 (c) 3,1 11-135 Usando o EES (ou outro programa), investigue o efeito da pressão do condensador sobre o COP de (d) 4,9 (e) 5,9 um ciclo ideal de refrigeração por compressão de vapor que utiliza 11-143 Um ciclo ideal de refrigeração a gás que utiliza ar como 0 refrigerante-134a como fluido de trabalho. Considere que fluido de trabalho opera entre os limites de pressão de 80 kPa e 280 pressão do evaporador é mantida constante a 150 enquanto a kPa. ar é resfriado até °C antes de entrar na turbina. A tempe- pressão do condensador varia de 400 kPa a 1.400 kPa. Trace o COP ratura mais baixa do ciclo é do ciclo de refrigeração em relação à pressão do condensador e (a) (b) (c) discuta os resultados. (e) 11-136 Deduza uma relação para o COP do sistema de refrigera- 11-144 Considere um ciclo ideal de refrigeração a gás que utiliza ção de dois estágios com uma câmara de separação, como mostrado hélio como fluido de trabalho. gás entra no compressor a 100 kPa na Fig. em relação à entalpia e ao título do estado 6. Consi- dere uma massa unitária no condensador. e e é comprimido até 400 kPa. hélio é, em seguida, resfria- do até °C antes de entrar na turbina. Para uma vazão mássica de Problemas de múltipla escolha 0,2 kg/s, a entrada de potência líquida necessária é (a) 28,3 kW 11-137 Considere uma bomba de calor que opera no ciclo de (b) 40,5 kW (c) 64,7 kW Carnot reverso utilizando como fluido de traba- (d) kW (e) 113 kW lho executado na região de saturação entre os limites de pressão de 11-145 Um sistema de condicionamento de ar por absorção deve 140 kPa e 800 kPa. Refrigerante-134a muda de vapor saturado para remover calor de um espaço condicionado a 20 °C a uma taxa de658 Termodinâmica 150 kJ/s durante a operação em um ambiente a 35 °C. Calor deve atender a uma parte significativa dos requisitos de resfriamento de ser fornecido de uma fonte geotérmica a 140 °C. A taxa mínima de uma casa padrão. fornecimento de calor é (a) 86 kJ/s (b) 21 kJ/s (c) 30 kJ/s (d) 61 kJ/s (e) 150 kJ/s Gerador Sol 11-146 Considere um refrigerador que opera no ciclo de refrige- termoelétrico ração por compressão de vapor, utilizando refrigerante-134a como fluido de trabalho. refrigerante entra no compressor como vapor Calor saturado a 160 kPa, saindo a 800 kPa e e deixando o conden- rejeitado Energia solar sador como líquido saturado a 800 kPa. coeficiente de perfor- mance desse refrigerador é (a) 2,6 (b) 1,0 (c) 4,2 (d) 3,2 (e) 4,4 Problemas que envolvem projetos, experimentos e Corrente redação de textos elétrica 11-147 Escreva um ensaio sobre as bombas a ar, água e solo. Refrigerador termoelétrico Discuta as vantagens e desvantagens de cada sistema. Consideran- do cada sistema, identifique as condições sob as quais esta bomba é preferida em relação aos outras. Em quais situações você não reco- mendaria um sistema de aquecimento com bomba de calor? 11-148 Desenvolva e discuta técnicas que aplicam o princípio de FIGURA P11-152 regeneração para melhorar o desempenho de sistemas de refrigera- ção por compressão de vapor. 11-153 Um refrigerador que usa o R-12 como fluido de trabalho 11-149 calor fornecido por uma bomba de calor, utilizado para mantém o espaço refrigerado a 15 °C em um ambiente a manter a temperatura de um edifício, geralmente é completado por Você deve projetar novamente esse refrigerador substituindo o outra fonte de calor direta. A fração do calor total necessário, forne- R-12 pelo refrigerante-134a, que não prejudica a camada de ozô- cida pelo aumento de calor suplementar, aumenta conforme a tem- nio. Quais modificações nos níveis de pressão poderiam ser sugeri- peratura do ar ambiente (que serve como o sumidouro a baixa tem- das para esse novo sistema? Compare o COP do novo sistema com peratura) diminui. Desenvolva um esquema de calor suplementar o COP do sistema antigo. como uma função da temperatura do ar ambiente que minimiza a energia necessária suplementar total e a energia da bomba de calor 11-154 Células solares ou fotovoltaicas (FV) convertem luz do para atender o edifício. sol em eletricidade e normalmente são usadas para alimentar cal- culadoras, satélites, sistemas de comunicação remota e até mesmo 11-150 Considere um sistema de refrigeração por compressão de bombas. A conversão da luz em eletricidade é chamada de efeito vapor em cascata que utiliza o mesmo fluido de trabalho em ambos fotoelétrico. Ele foi descoberto em 1839 pelo francês Edmond Be- os sistemas. Existe uma pressão de operação específica para o tro- cquerel, e o primeiro módulo FV, que consistia em diversas células cador de calor que otimizará o COP global? conectadas entre si, foi construído em 1954 pela Bell Laboratories. 11-151 Considere uma usina com coletor solar que opera em Hoje, os módulos FV têm eficiências de conversão de cerca de 12 um ciclo fechado de Rankine. Usando o refrigerante-134a como a 15%. Assim, considerando que a incidência da energia solar em fluido de trabalho, especifique as temperaturas e pressões opera- uma superfície normal da Terra ao meio-dia é de aproximadamente cionais do ciclo, estimando ainda a vazão mássica necessária do 1.000 W/m² durante um dia claro, os módulos FV de uma refrigerante-134a para uma potência produzida de 50 kW. Estime cie de 1 m² podem fornecer até 150 W de eletricidade. A incidência também a área da superfície do coletor para esse nível de produção anual de energia solar média diária em uma superfície horizontal contínua de potência. Considere que a energia solar incide no co- nos Estados Unidos varia de cerca de 2 até 6 kWh/m². letor a uma taxa de 500 W por m² de área do coletor ao meio-dia Uma bomba a FV deve ser usada no Arizona para bombear e que o coletor pode armazenar 15% da energia solar incidente na água de uma profundidade de 180 m a uma taxa média de 400 L/ zona de armazenamento. dia. Considerando uma eficiência razoável para o sistema de bom- 11-152 uso de um sistema termoelétrico solar instalado no te- beamento, a qual pode ser definida como a relação entre o aumento lhado é proposto para resfriar prédios residenciais. sistema con- da energia potencial da água e a energia elétrica consumida pela siste em um refrigerador termoelétrico alimentado por um gerador bomba, e definindo a eficiência de conversão das células FV como de potência termoelétrico, cuja superfície superior é um coletor 0,13, para adotar uma hipótese conservadora, determine o tamanho solar. Discuta a possibilidade e o custo de tal sistema, e determi- do módulo FV (em m²) que precisa ser instalado para atender às ne se o sistema proposto instalado em um lado do telhado pode necessidades da bomba.Capítulo 11 Ciclos de Refrigeração 659 11-155 Uma empresa tem um sistema de refrigeração cuja capa- Sol cidade é de 200 toneladas de refrigeração (1 tonelada de refrigera- ção = 211 e você deve projetar um sistema de resfriamento de ar forçado para frutas cujos diâmetros não excedam 7 cm, sob as Painel FV seguintes condições: as frutas devem ser resfriadas de 28 °C até uma temperatura média de 8 °C; a temperatura do ar deve permanecer acima de e abaixo de 10 °C, em todos os a velo- cidade do ar próximo às frutas deve permanecer abaixo de 2 m/s, e a Água seção de resfriamento pode ter até 3,5 m de largura e 2 m de altura. Considerando valores razoáveis para a densidade média das fru- tas, calor específico e porosidade (a fração de volume de ar em uma caixa), recomende valores razoáveis para (a) a velocidade do ar que se aproxima da seção de refrigeração, (b) a capacidade de resfriamento de produto do sistema, em e (c) a vazão volumétrica do ar. Bomba alimentada por células FV FIGURA P11-154