Ciclos de Produção de Frio

Transcrição

1 Ciclos de Produção de Frio Prof. José R. Simões Moreira EPUSP/PME/SISEA Julho/2003 COGEN Cogeração, auto-produção e produção independente

2 Pressão Princípio de Funcionamento ciclo de compressão a vapor diagrama de pressão de vapor (ou curva de saturação) de uma substância simples qualquer curva de pressão de vapor ou de saturação vapor liquido Baixa pressão e, portanto, baixa temperatura (P 1, T 1 ) P 2 P 1 vapor liquido Alta pressão e, portanto, alta temperatura (P 2, T 2 ) T 1 T 2 Temperatura

3 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 evaporação 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. Q Calor rejeitado ao ambiente W Fornecimento de trabalho (energia elétrica) ao compressor Calor retirado do ambiente Q Ambiente/ Sistema resfriado

4 Ciclo de Compressão a Vapor (componentes básicos)

5 Ciclo de Compressão a Vapor (ciclo padrão) O ciclo de compressão a vapor Consiste de 4 processos básicos, a saber: 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 Compressão adiabáticareversível 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

6 Efeito de Refrigeração e Capacidade de refrigeração - Definições Efeito de refrigeração, q R, 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: q R h h h kj/kg h4 Q R,q R Capacidade de refrigeração, Q R, 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: Q R m R qr kw m R vazão mássica de refrigerante kg/s

7 Efeito de Refrigeração e Capacidade de refrigeração Exemplo resolvido 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 o C: (a)um ciclo operando com isobutano (b)um ciclo operando com R134a Considere que o líquido retorne do condensador com temperatura de 35 o C. Pede-se calcular os efeitos refrigerantes e ass vazões mássicas de cada alternativa. SOLUÇÃO: (a) ISOBUTANO Refrigerante Entalpia h 1 (kj/kg) Entalpia h 3 (kj/kg) q R m R 678, , 277,3 kj/kg de isobutano 10* 3, , 3 (b) R134a q R m R 10* 3, , , kg de isobutano/s 253, 3 100, 8 152, 5 kj/kg de R134a 0, 231kg de R134a/s Nota: TR significa tonelada de refrigeração e vale 3,517 kw R134a 253,3 100,8 Isobutano R600a 678,6 401,3 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.

8 Trabalho de Compressão e Potência de Compressão 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: w kj/kg h 2 h 1 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 W m R w m R kw h 2 h 1

9 Coeficiente de Desempenho ou de Eficácia - COP 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, q R, 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, Q R, e a potência de compressão, W. Em qualquer caso sua expressão é dada por COP qr w Q W R h h 1 2 h h 4 1 h h 1 2 h h 3 1 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.

10 Ciclo de Compressão a Vapor (coeficiente de Desempenho - COP) Exemplo Refrigerante R134a é utilizado em um ciclo de compressão a vapor, tendo a temperaratura de evaporação 0 o C e de condensação 26 o C. 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: h 1 =247,23 kj/kg; h 2 =264,7 kj/kg; h 3 = h 4 =85,75 kj/kg (dados extraídos de uma tabela de propriedades termodinâmicas do refrigerante R-134a) Solução w comp h 2 h 1 264,7 247,23 17,47 kj/kg W comp m w comp 0,0817,47 1,4 kw 1,87 HP NOTA: q Q ref ref h 1 h 4 m q ref 247,2385,75 161,48 kj/kg 0,08161,48 12,93 kw 3,67 TR ** 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. COP q w ref comp 161,48 17,47 9,24*

11 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. Ciclo Real de Compressão a Vapor 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.

12 Componentes do ciclo: Compressor tipo alternativo 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 hermético Tipo aberto Permitem um eixo de acionamento externo (como na figura) que atravessa a carcaça do compressor Grande capacidade muito usado com amônia 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.

13 Outros tipos de compressores 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

14 Componentes do ciclo: VET Válvula de Expansão Termostática bulbo 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.

15 Princípio de Funcionamento Ciclos de Absorção de Calor

16 Ciclos de Absorção de Calor Coeficiente de Eficácia

17 Características do par refrigerante-absorvente

18 Características do par refrigerante-absorvente - cont

19 Características do par refrigerante-absorvente - cont 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.

20 Propriedades da concentração LiBr-Água

21 Exemplo de cálculo de um ciclo de absorção vazões mássicas 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

22 Exemplo de cálculo de um ciclo de absorção balanço térmico Para o ciclo de absorção anterior calcule q q, q a, q c, q e e o CDE Solução

23 Entalpia da Solução BrLi

24 Melhorando o ciclo com um Trocador de Calor Note que do exemplo resolvido, que a solução sai no ponto 1 a 30 o C (do absorvedor) e precisa ser aquecida até 100 o C (gerador) ponto 2, o que aumenta a quantia de calor a ser fornecida ao gerador, q g. Também precisa ser resfriada (ponto 3) de 100 o C para 30 o C (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.

25 Exemplo de melhora da eficiência do ciclo com um trocador de calor 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 o C. 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:

26 Exemplo de melhora da eficiência do ciclo com um trocador de calor. cont

27 Unidades de Absorção industriais - exemplos 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./Cm 2 ) 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