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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ANÁLISE DA PERFORMANCE DO CICLO DE
REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE VAPOR
DE SIMPLES ESTÁGIO FUNCIONANDO COM
ISOBUTANO (R600a)
DOMINIQUE MARIA DOS SANTOS
NATAL- RN, 2019
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ANÁLISE DA PERFORMANCE DO CICLO DE REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE VAPOR
DE SIMPLES ESTÁGIO FUNCIONANDO COM ISOBUTANO (R600a)
DOMINIQUE MARIA DOS SANTOS
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado ao curso de Engenharia
Mecânica da Universidade Federal do
Rio Grande do Norte como parte dos
requisitos para a obtenção do título de
Engenheiro Mecânico, orientado pelo
Prof. Dr. Cleiton Rubens Barbosa.
NATAL - RN
2019
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ANÁLISE DA PERFORMANCE DO CICLO DE
REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE VAPOR
DE SIMPLES ESTÁGIO FUNCIONANDO COM
ISOBUTANO (R600a)
DOMINIQUE MARIA DOS SANTOS
Banca Examinadora do Trabalho de Conclusão de Curso
Prof. Dr. Cleiton Rubens Formiga Barbosa ___________________________Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Orientador
Prof. Dr. Ângelo Roncalli Oliveira Guerra ___________________________Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Avaliador Interno
Msc. Luiz Henrique Pinheiro de Lima ___________________________Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Avaliador Interno
NATAL, 25 de Junho de 2019.
1
Dedicatória
Dedico este trabalho a minha família que sempre me apoiou em especial a
minha vó, que tem me abençoado do céu, junto a Deus desde a metade do curso.
1
Agradecimentos
Este trabalho não poderia ser concluído sem a ajuda do meu orientador,
Professor Doutor Cleiton Rubens Formiga Barbosa, que sempre me apoiou no
decorrer do curso e me ensinou muito, sou muito grata a Deus pela sua vida.
1
Santos, M. Dominique. ANÁLISE DA PERFORMANCE DO CICLO DE REFRIGERAÇÃO POR COMPRESSÃO DE VAPOR DE SIMPLES ESTÁGIO FUNCIONANDO COM ISOBUTANO (R600a). 2019. 27 p. Trabalho de Conclusão
de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal do Rio
Grande do Norte, Natal-RN, 2019.
1
ResumoEste trabalho tem como objetivo analisar a performance de um refrigerador
funcionando com R600a no ciclo de refrigeração simples estágio através de
simulações realizadas com auxílio do software Coolpack, com relação as
variações dos parâmetros operacionais: temperatura de condensação;
temperatura de evaporação; temperatura de superaquecimento; temperatura de
sub-resfriamento; queda de pressão no condensador; queda de pressão no
evaporador; queda de pressão nas linhas de sucção, na linha de líquido e nas
linhas de descarga dos compressores; e a eficiência isentrópica do compressor.
Após a simulação dos diversos parâmetros operacionais infere-se que a eficiência
isoentrópica e as temperaturas de condensação de evaporação e condensação
são os parâmetros com maior sensibilidade no coeficiente de performance (COP)
do ciclo de refrigeração por compressão de vapor simples estágio funcionando
com R600a.
Palavras-chave: coeficiente de performance, ciclo de refrigeração, refrigerante
natural, R600a.
Santos, M. Dominique. ANALYSIS OF THE PERFORMANCE OF THE REFRIGERATION CYCLE BY STEAM COMPRESSION OF SIMPLE STAGE FUNCTIONING WITH ISOBUTANE (R600a). 2019. 27 p. Conclusion work project
1
(Graduate in Mechanical Engineering) - Federal University of Rio Grande do Norte,
Natal-RN, 2019.
AbstractThe objective of this work is to analyze the performance of a cooler running with
R600a in the single stage refrigeration cycle through simulations carried out with
the help of Coolpack software, regarding the variations of the operating
parameters: condensation temperature; evaporation temperature; superheat
temperature; subcooling temperature; pressure drop in the condenser; evaporator
pressure drop; pressure drop in the suction lines, the liquid line and the discharge
lines of the compressors; and the isentropic efficiency of the compressor. After the
simulation of the various operating parameters, it is inferred that the iso-entropic
efficiency and the condensation and evaporation condensation temperatures are
the parameters with the highest sensitivity in the performance coefficient (COP) of
the refrigeration cycle by single-stage steam compression running with R600a.
Keywords: coefficient of performance, refrigeration cycle,natural refrigerant, R600a.
Sumário
1
Dedicatória ...................................................................................................... i
Agradecimentos ..............................................................................................ii
Resumo.......................................................................................................... iii
Abstract.......................................................................................................... iv
Sumário.......................................................................................................... ix
1 Introdução....................................................................................................1
1.1 Fundamentação teórica.........................................................................3
2 Revisão Bibliográfica....................................................................................7
2.1 Fluido refrigerante Isobutano (R600a).................................................11
2.2 Exemplos de citações..........................................................................10
3 Metodologia................................................................................................14
4 Resultados e Discussões...........................................................................14
5 Conclusões................................................................................................26
6 Referências................................................................................................27
1
1 Introdução
A refrigeração é o processo pelo qual se extrai calor de um determinado corpo ou
meio, proporcionando a este um nível de temperatura mais baixo que o meio que o
circunda, seja por meios mecânicos ou naturais. O ciclo de refrigeração é um
sistema térmico que continuamente transfere energia térmica (calor) de uma região
de baixa temperatura para outra de alta temperatura. Como esse processo é
contrário ao fluxo natural do calor, só é possível através da absorção de trabalho
externo. A refrigeração está envolta dos mais diversos ramos da sociedade, sendo
aplicada em casas, indústrias, comércios etc. facilitando a vida moderna. Como uma
das vertentes da termodinâmica, a refrigeração consiste na transferência de calor de
uma região com temperatura mais baixa para outra com temperatura mais alta
(ÇENGEL, 2006).
A área de refrigeração e ar-condicionado faz parte das diversas atividades que o
engenheiro mecânico deve dominar. Tanto um projeto de refrigeração predial,
quando industrial, faz-se necessário o domínio do sistema de refrigeração e ar-
condicionado e de estudos que possam aumentar a eficiência do ciclo.
Na natureza a transferência de calor ocorre em função da diminuição da
temperatura. Com base nesse fato, estudos foram realizados de modo a inverter
esse processo e, para tal, foram criados os ciclos de refrigeração.
Os ciclos de refrigeração são ciclos termodinâmicos que operam com o advento
de refrigeradores – dispositivos cíclicos que utilizam um fluido de trabalho,
denominado gás refrigerante, no qual este passa por processos de mudanças de
fase (condensação/evaporação) até voltar ao seu estado inicial. Esses processos de
mudança de fase são responsáveis pelo efeito de refrigeração.
O ciclo de compressão mecânica de vapor é o processo mais comumente
utilizado, e compreende os processos de vaporização e condensação de um fluido
refrigerante.
2
Figure 1 - Representação esquemática e diagrama T-s do ciclo de refrigeração por
compressão mecânica de vapor.
Da Figura (1), pode-se descrever quatro processos:
Processo 1 – 2 ( Processo de compressão - Wc ) : O compressor comprime o
vapor superaquecido proveniente do evaporador, aumentando a sua pressão e,
consequentemente a sua temperatura.
Processo 2 – 3 ( Processo de condensação – Qc ) : O vapor é direcionado
para o condensador, onde irá liberar calor para o ambiente. Neste processo, o fluido
é condensado e descarregado no estado líquido. É importante que o líquido seja
sub-resfriado, para evitar que entre uma parcela de fluido no estado gasoso na
válvula de expansão.
Processo 3 – 4 ( Processo de expansão ) : O líquido sub-resfriado flui através
da válvula de expansão e é descarregado na forma de uma mistura saturada,
contendo líquido e vapor. Este componente funciona como uma restrição na
tubulação, que causa uma abrupta queda na pressão do fluido.
Processo 4 – 1( Processo de evaporação – Qo ) : Esta mistura de líquido mais
vapor saturados, entra no evaporador aonde irá receber o calor proveniente da
câmara frigorífica. Ao absorver este calor, o fluido no estado líquido evapora até o
3
estado de vapor saturado ou superaquecido. É importante que este vapor seja
superaquecido para evitar o risco de entrar líquido no compressor.
Os refrigerados são os equipamentos utilizados na produção do frio,
operando nos chamados ciclos de refrigeração. O ciclo de refrigeração mais usado é
o ciclo de refrigeração por compressão mecânica de vapor, no qual o refrigerante é
vaporizado e condensado alternadamente e é comprimido na fase de vapor
(ÇENGEL, 2006).
1.1 Fundamentação Teórica
Como é possível perceber, da análise do volume de controle nos dispositivos –
compressor, condensador, válvula de expansão e evaporador - observa-se que
existe fluxo de massa atravessando as fronteiras de cada um dos componentes,
onde a massa que entra é igual a massa que sai (me=ms=m). Considerando o ciclo
como ideal, ou seja, desprezando-se as irreversibilidades e tomando como base a
Eq.(1) da energia para o volume de controle podemos descobrir os fluxos de energia
do ciclo.
Q−W útil=dECV
dt+(h+1
2V
2+g⋅Δe )
s
ms−(h+ 12V
2+g⋅Δe )
e
me
Equation 1
Compressor:
Válvula de expansão:
Condensador:
Evaporador:
Tais fluxos de energia podem ser evidenciados no diagrama da Fig. (2)
4
Figura 2 - Diagrama P x h de ciclo ideal.
Em um ciclo de refrigeração o objetivo é a remoção de calor do ambiente, e seu
COP – coeficiente de performance representa a relação entre o calor retirado do
ambiente e o trabalho exercido pelo compressor para que tal efeito fosse possível.
Portanto, o COP se trata de uma medida de avaliar a eficiência energética de um
ciclo de refrigeração.
Quanto maior for o COP significa que menos energia está sendo gasta para
climatizar o ambiente. Porém alguns fatores podem influenciar na diminuição do
COP como: aumento da temperatura de condensação, diminuição da temperatura
de vaporização, diminuição do subresfriamento etc.
Para o cálculo do COP do ciclo de refrigeração, pode-se utilizar a equação
abaixo:
COP=QL
W c (2)
Escrevendo em termos das entalpias tem-se:
COP=¿¿ (3)
1. Compressor: Responsável por criar o fluxo de fluido refrigerante que
percorre todo o sistema e de aumentar a pressão do mesmo. Sempre
trabalhando com o fluido no estado gasoso (ar, vapor d’água, hidrogênio etc).
Nos compressores rotativos, os gases são comprimidos por elementos
5
giratórios. Outra particularidade desse tipo de compressor é, por exemplo, as
menores perdas mecânicas por atrito, pois dispensa um maior número de
peças móveis, a menor contaminação de ar com óleo lubrificante, a ausência
de reações variáveis sobre as fundações que provocam vibrações, o fato de a
compressão ser feita de modo contínuo e não intermitente, como sucedo nos
alternativos e a ausência de válvulas de admissão e de descargas que
diminui as perdas melhorando o rendimento volumétrico. Outro aspecto
importante para os diferentes tipos tem relação com a economia de energia,
com o rendimento volumétrico, associados a fugas, e aos movimentos
relativos entre as peças que constituem a máquina.
Figura 1 - Compressor Ar Condicionado Hyundai Elantra 1.8 2011 - 2012
2. Condensador: Transfere o calor do fluido refrigerante para o ambiente
externo. Sua finalidade é condensar vapores gerados pelo aquecimento de
líquidos em processos de destilação simples. Sendo dividido em duas partes:
a primeira parte é onde o vapor que se tem interesse em condensar passa, e
a outra onde passa o liquido resfriado para baixar a temperatura interna do
condensador. Um vapor aquecido entra no condensador e encontra uma
superfície com uma temperatura inferior ao seu ponto de ebulição, e então
condensa (ou liquefaz).
6
Figura 2 - Condensador Ar Condicionado Nissan Pathfinder 3.0 1993 - 1995
3. Evaporador: O evaporador é um trocador de calor que absorve o calor para o
sistema de refrigeração, ele recebe o líquido refrigerante frio de baixa
pressão, vindo do dispositivo de expansão e através da absorção do calor de
alguma substância vaporiza-o em seu interior. Essa substância pode ser o ar,
a água, outro fluido, ou mesmo um sólido. Logo, sua principal função é
transferir calor de um ambiente interno para o fluido refrigerante.
Figura 3 – Evaporador Ar condicionado Consul 10000 7MM 3 filas
4. Válvula de Expansão: É o dispositivo responsável pela queda de pressão do
fluido proveniente do condensador. Localizado entre a saída do condensador
e entrada do evaporador. O refrigerante com alta pressão e temperatura vinda
do condensador, entra no dispositivo de expansão e sai dele com uma
mistura de liquido e vapor de baixa pressão e baixa temperatura. Essa
mistura que entra no evaporador é conhecida como “flash gás”. É essa
diferença de pressão entre os lados de alta e de baixa pressão que faz com
que o refrigerante evapore no evaporador a uma temperatura suficientemente
baixa para absorver o calor do ar ambiente e que ele condense no
condensador a uma temperatura alta o suficiente para ele remover o calor
7
para o ar externo. Como não ocorre rejeição do calor no dispositivo de
expansão, apenas queda de temperatura, parte do calor sensível transforma-
se em calor latente. Dos diversos tipos de dispositivos existentes o tubo
capilar é o mais simples. Trata-se de um tubo de cobre de pequeno diâmetro
e comprimento fixo.
Figura 4 - VÁLVULA EXPANSÃO DANFOSS TEX2 N ROSCA 1.5M R22 S/ ORIFÍCIO
2 Revisão Bibliográfica
Nesta seção são abordadas metodologias e ferramentas amplamente utilizadas e
difundidas, mostrando diversos pontos de vistas de diferentes autores sobre os
sistemas de refrigeração por compressão mecânica de vapor.
Vários estudiosos e empreendedores contribuíram para a evolução da refrigeração
por compressão mecânica de vapor, seja descobrindo seus princípios físicos e/ou
desenvolvendo e construindo equipamentos.
O Dr. William Cullen era professor de química na Universidade de Endimburgo e
conhecia a sensação de resfriamento que o éter provocava quando evaporava em
contato com a pele. Em 1755, ele bombeou o vapor formado dentro de um vaso
hermético contendo éter líquido e mergulhado em água. A temperatura no vaso
baixava e a água congelava sobre sua superfície externa. Dois princípios
sustentavam esse fenômeno:
8
Todo líquido tende a se transformar em vapor: dentro de um vaso hermético o
líquido e seu vapor estão em equilíbrio termodinâmico na pressão de vapor
saturado. Se vapor é bombeado a pressão diminui e mais líquido evapora;
Para um líquido evaporar ele deve absorver calor: o calor absorvido pelo líquido na
mudança de fase sob pressão constante foi medido por Joseph Black e designado
de calor latente, pois não há variação de sua temperatura. Em termos modernos, o
calor latente é conhecido como entalpia de mudança de fase. Se uma fonte externa
não fornece calor, este é retirado do próprio líquido, que tem sua temperatura
reduzida.
Em 1834, Jacob Perkins, foi o primeiro a fazer uma descrição completa do ciclo de
refrigeração por compressão mecânica de vapor tal como o conhecemos hoje. A
máquina descrita e patenteada por Perkins é mostrada na Figura 1.3. O fluido volátil
(éter) evapora ao receber calor da água existente no tanque. A bomba manual
aspira e comprime o vapor até uma pressão em que ele possa ceder calor para a
água de resfriamento no condensador e liquefazer. O líquido condensado escoa
através do dispositivo de expansão, que mantêm a diferença de pressão entre o
condensador e o evaporador. A pequena bomba existente acima do dispositivo de
expansão serve para reposição da carga de refrigerante. Segundo relatos da época,
a máquina de Perkins não despertou qualquer interesse comercial devido ao seu
acionamento manual.
Somente em 1857, James Harrison e Daniel Siebe fabricaram a primeira máquina de
refrigeração por compressão mecânica de vapor que funcionou. Uma dessas
máquinas usadas para fabricação de gelo e cristalização de cera de parafina a partir
do óleo de xisto. O ponto de ebulição normal do éter (34,5°C) ocorre em pressões de
evaporação menores do que a pressão atmosférica. Por isso, há o perigo de entrada
de ar no sistema, que misturado ao éter resulta numa mistura potencialmente
explosiva. Em compensação, a pressão de condensação não é muita elevada; isso
permite construções leves e pouco robustas do condensador.
Em 1870, Carl Von Linde introduziu a amônia (NH3), que se tornou o refrigerante
mais importante em instalações de grande porte, depois que algumas limitações
9
mecânicas na construção do condensador foram superadas. Até a temperatura de –
33oC as pressões de evaporação eram superiores à pressão atmosférica (1atm =
101,325 kPa). Entretanto, para a condensação era necessária pressão superior a 10
atmosferas, o que encarecia bastante a construção do condensador.
Em 1886, Franz Windhausen de Berlim, introduziu o dióxido de carbono (CO2). A
pressão de condensação era elevadíssima − superior a 80 atmosferas − o que exigia
condensadores robustos e pesados. Entretanto, devido a seu baixo grau de
periculosidade tornou-se o principal refrigerante usado em navegação por mais de
50 anos, só sendo substituído por outros refrigerantes em 1955.
Nos anos 1929−30, Thomas Midgley, coordenou com uma equipe de pesquisadores
e obteve um refrigerante bastante promissor, que se tornaria um dos fatores
responsáveis pela expansão e consolidação da indústria da refrigeração: o
diclorodifluormetano (CCl2F2), com ponto de ebulição –29,8°C à pressão
atmosférica normal, tomou o nome comercial de Freon−12. Esses compostos
químicos, derivados do metano e do etano, denominados hidrocarbonetos cloro-
fluorados1, eram conhecidos desde o final do século 19; porém, suas propriedades
como refrigerante só então foram investigadas.
O ciclo de refrigeração ideal é um ciclo termodinâmico que possui dois reservatórios,
um de baixa temperatura e outro de alta, e necessita de trabalho para obter a
transferência de calor entre os mesmos (WYLEN, 2003).
Figura 5 - À esquerda: representação esquemática do refrigerador. À direita: Diagrama P-h
de um ciclo de refrigeração ideal de compressão por vapor.
10
Quatro processos acontecem, em regime permanente, no ciclo:
Processo 1→2 - Compressão isoentrópica em um compressor;
Processo 2→3 - Rejeição de a calor a pressão constante em um condensador;
Processo 3→4 - Estrangulamento em um dispositivo de expansão
Processo 4→1 - Absorção de calor constante em um evaporador. A Figura 5 mostra
a representação esquemática do refrigerador e o diagrama termodinâmico de
pressão versus entalpia específica (Pxh) do ciclo ideal de refrigeração por
compressão de vapor.
Os fluidos refrigerantes se caracterizam por evaporarem a baixas pressões (baixas
temperaturas) e condensarem a altas pressões (altas temperaturas). Com essas
mudanças, o fluido refrigerante retira o calor de dentro do sistema de refrigeração
(evaporador) e libera para o ambiente externo (condensador), completando assim o
ciclo de refrigeração. Para manter a diferença de pressão entre a região de alta e a
de baixa, entram em cena dois importantes componentes: o elemento de controle e
o compressor. O elemento de controle pode ser o tubo capilar ou a válvula de expansão. Ele é
responsável por manter a diferença de pressão entre o condensador (alta pressão) e
o evaporador (baixa pressão). Ao criar uma resistência à circulação do fluido, o
elemento de controle faz com que o refrigerante, vindo do condensador, passe de
líquido aquecido a alta pressão para líquido resfriado a baixa pressão, indo em
direção ao evaporador.
No evaporador, ambiente de baixa pressão, o fluido passa do estado líquido para o
estado gasoso, absorvendo calor do ambiente interno nesse processo. Ao sair do
evaporador, o fluido refrigerante é succionado pelo compressor. Então, o
compressor comprime o gás, aumentando pressão e elevando a temperatura do
fluido.
Após isso, o refrigerante é bombeado para o condensador. No condensador, o
fluido sob alta pressão libera o calor para o ambiente e transforma-se em líquido.
Então, o fluido passa pelo filtro secador e segue para o elemento de controle, dando
continuidade ao ciclo.
11
2.1 Fluido refrigerante Isobutano (R600a)
Segundo a ASHRAE (2010), os ciclos de termodinâmica de refrigeração transferem
energia térmica do meio de temperatura fria, para o meio de temperatura mais alta.
Pode-se entender a lógica de funcionamento dos principais sistemas de refrigeração
atuais estudando o funcionamento de um refrigerador doméstico comum, é sistema
de compressão a vapor mais comum. Ele funciona a partir da aplicação dos
conceitos de calor e trabalho, utilizando-se um fluido refrigerante. Fluido refrigerante
é uma substância que, circulando dentro de um circuito fechado, é capaz de retirar
calor de um meio enquanto se vaporiza a baixa pressão. ( Jesué Graciliano, 2004).
Cada fluido refrigerante possui pressões específicas de trabalho. Os refrigeradores
mais modernos possuem fluido R600a e as pressões de trabalho desse refrigerante
são muito diferentes do R134a, fluido que normalmente era usado em sistemas
refrigeração. Por esse motivo, é importante estar alerta na hora de fazer uma carga
de gás, evitando carga em excesso.
O Protocolo de Montreal sobre Substâncias que destroem a Camada de Ozônio é
um tratado internacional que objetiva proteger a Camada de Ozônio por meio da
eliminação da produção e consumo das substâncias destruidoras do Ozônio (SDOs).
Foi adotado em 1987 em resposta à destruição da Camada de Ozônio que protege a
Terra contra a radiação ultravioleta emitida pelo Sol. O Protocolo de Montreal
estabeleceu metas de eliminação para todos os Países, respeitando o princípio das
responsabilidades comuns, porém, diferenciadas. Para prover assistência técnica e
financeira aos países em desenvolvimento, em 1990 foi instituído o Fundo
Multilateral para a Implementação do Protocolo de Montreal (FML).
Tendo como objetivo principal a preservação do meio-ambiente, e obedecendo ao
Protocolo de Montreal, foi adotado um fluido refrigerante natural para a prática das
simulações.
Em um circuito de refrigeração, o mesmo fluido refrigerante pode trabalhar com
diferentes pressões e temperaturas. Essa variação de condições permite que o
refrigerante mude de estado físico: de líquido para gasoso e de gasoso para líquido.
Para essa simulação foi escolhido o R600a , por ser um refrigerante natural e estar
de acordo com o protocolo de Montreal.
12
O principal motivo para a substituição do R134a para o R600a pela indústria esta
associado às características termodinâmicas e físicas dos dois fluidos refrigerantes.
No processo de compressão, o R600a alcança um nível de eficiência maior do que o
R134a. Isso significa que o compressor se torna mais eficiente energeticamente.
Além disso, o fluido refrigerante R134a é sintético e não é facilmente decomposto no
meio ambiente. Já o R600a é um refrigerante natural. Por esse motivo, quando é liberado no meio ambiente ele rapidamente se torna
água e gás carbônico, causando impacto mínimo no aquecimento global. Se
comparado com o R600a, o R134a possui impacto 476 vezes maior sobre o
aquecimento global. Em outras palavras, isso quer dizer que cada 1 kg de R134a no
meio ambiente (quantidade de fluido para sete refrigeradores domésticos) equivale a
476 kg de R600a (quantidade de fluido para 7933 refrigeradores domésticos). Por
não ter cloro na sua composição, o R600a também não causa dano nenhum na
destruição da camada de ozônio.
Figura 6 - Comparação da diferença de pressão de vapor com R134a
Como pode ser observado o isobutano (R600a) apresenta menores pressões de
vapor que o R134a em toda a faixa de temperatura. O R600a é compatível com os
principais materiais metálicos utilizados nos sistemas de refrigeração como aço,
cobre, latão e alumínio. Elastômeros como Viton, Neoprene, Nylon, Teflon, e alguns
tipos de borrachas nitrílicos são adequadas para o uso com o R600a. Entretanto,
borracha natural e silicone não são recomendados.
13
3 Metodologia
Nesta pesquisa foi utilizado o software de simulação de ciclos de refrigeração
“Coolpack” que utiliza como base a plataforma “EES” (Engineering Equation Solver).
Este software foi desenvolvido pelo departamento de engenharia mecânica da
Universidade Técnica da Dinamarca (DTU).
As simulações termodinâmicas realizadas tinham como propósito inicial investigar a
performance do ciclo de refrigeração por compressão a vapor de simples estágio
funcionando com o refrigerante isobutano (R600a). Foi objeto também da presente
pesquisa verificar a sensibilidade das principais variáveis operacionais no coeficiente
de performance (COP) do ciclo de refrigeração.
A Tabela 1 mostra os valores do ciclo de referência (em negrito) e o intervalo das
variáveis operacionais que foram considerados nas simulações. Estes valores foram
adotados com base nos dados da literatura de sistemas de refrigeração empregados
com baixas temperaturas de evaporação.
Tabela 1 – Ciclo de referência e intervalo de simulação das variáveis
VARIÁVEIS INTERVALO CICLO DE REFERÊNCIA
Temperatura de evaporação (0C) 10 a 10 0Temperatura de condensação (0C) 25 a 35 30Superaquecimento útil (K) 0 a 10 5
Sub-resfriamento (K) 1 a 5 3
Queda de pressão no evaporador (bar) 0,1 a 0,5 0,3Queda de pressão no condensador (bar) 0,1 a 0,5 0,3
Queda de pressão na linha de sucção (bar) 0,1 a 0,5 0,3
Queda de pressão na linha de líquido (bar) 0,1 a 0,5 0,3
Queda de pressão linha de descarga (bar) 0,1 a 0,5 0,3
Eficiência isentrópica (%) 0,5 a 0,7 0,6
Na simulação de cada ciclo termodinâmico, foram arbitrados pelo menos 05 (cinco)
valores de cada variável, de modo que possibilitasse a varredura completa do
intervalo de valores das variáveis definidos na Tabela 1. Os dados obtidos das
simulações com o software Coolpack foram posteriormente apresentados na forma
de gráficos, para melhor visualização e análise comparativa da performance do ciclo
de refrigeração de simples estágio funcionando com R600a.
14
4 Resultados e Discussões
Na simulação do ciclo de refrigeração por compressão mecânica de vapor de
simples estágio funcionando com o refrigerante R600a (Iso-butano), realizado com
auxílio do software Coolpack, foi possível averiguar a sensibilidade do coeficiente de
performance (COP) do ciclo em relação aos principais parâmetros operacionais.
O coeficiente de desempenho, COP, é um parâmetro fundamental na análise de
sistemas de refrigeração. A capacidade de retirar calor sobre a potência consumida
pelo compressor deve ser a maior possível. Quando maior o COP menores os
custos operacionais.
15
Figura 6 - Ciclo de Referência
Figura 7 - Dados iniciais
Figura 8 - Valores Base de comparação
I. SIMULAÇÃO: Variando a temperatura no Evaporador -10ºC a +10ºC.
A partir do ciclo padrão foi feita a primeira simulação variando a
temperatura do evaporador de -10 a 10 obtemos os seguintes
resultados:
16
Figura 9 – Representação gráfica do primeiro Ciclo
Legenda:
Ciclo 1 RosaCiclo 2 AmareloCiclo 3 PretoCiclo 4 LaranjaCiclo 5 Vermelho
A linha rosa indica ( T= -10ºC, COP = 2,62), a linha amarela ( T = -5ºC , COP=
3,15),a linha preta (T= 0º, COP = 3,81) , a linha laranja ( T= +5ºC , COP = 4,69 ) , a
linha vermelha ( T = +10ºC, COP = 5,92 ).
Nessa primeira simulação variando a temperatura do evaporador que o melhor COP
foi de +10ºC no evaporador de 5,92. Percebe-se uma redução do COP com o
decréscimo da temperatura, uma vez que ocorre o acréscimo do trabalho de
compressão. Analisamos também que a área do ciclo aumentou, dessa forma já é
esperado a diminuição do COP.
17
II. SIMULAÇÃO: Variando a temperatura no Condensador: +25ºC a +35ºC :
A partir do ciclo padrão foi feita a simulação variando a temperatura do
condensador de +25ºC a +35ºC obtemos os seguintes resultados:
Figura 10 - Representação gráfica do segundo Ciclo
Legenda:
Ciclo 1 RosaCiclo 2 LaranjaCiclo 3 PretoCiclo 4 VermelhoCiclo 5 Azul
A linha rosa indica ( T = +25º C , COP = 4,46 ), a linha laranja ( T = +27,5C , COP =
4,11), a linha preta ( T = +30ºC , COP = 3,81), a linha vermelha ( T= + 32,5º, COP =
3,54), e a linha azul ( T = +35ºC, COP = 3,30) . Percebemos também pelo gráfico
que quanto menor a área , maior será o COP do ciclo.
18
Na Fig. 12 tem-se que o aumento na temperatura do condensador resulta num
decréscimo do COP do ciclo de refrigeração.
III. Variando o Superaquecimento de 0K a +10K.
A partir do ciclo padrão foi feita a simulação variando a temperatura de
superaquecimento de 0K a +10K obtemos os seguintes resultados:
Figura 11 - Representação gráfica do terceiro ciclo
Legenda
Ciclo 1 RosaCiclo 2 VerdeCiclo 3 PretoCiclo 4 AzulCiclo 5 Vermelha
A linha rosa indica ( T = 0K , COP = 3,79 ), a linha verde ( T = +2,5K , COP = 3,80),
a linha preta ( T = +5K , COP = 3,81), a linha azul ( T= + 7K, COP = 3,82), e a linha
vermelha ( T = +10K , COP = 3,83) .
19
Na Fig. 13 tem-se que o aumento na temperatura de superaquecimento resulta no
aumento do COP, mesmo com o aumento do trabalho do compressor, há também o
aumento do Qe.
IV. Variando a temperatura sub-resfriamento de +1K a +5K.
Figura 12 - Representação gráfica do quarto ciclo
Legenda
Ciclo 1 RosaCiclo 2 VerdeCiclo 3 PretoCiclo 4 AzulCiclo 5 Vermelha
A linha rosa indica ( T = 1 K , COP = 3,75 ), a linha verde ( T = 2 K, COP = 3,78 ), a
linha preta ( T = 3K , COP = 3,81), a linha azul ( T= + 4K , COP = 3,84), e a linha
vermelha ( T = +5K COP = 3,87) . Na Fig. 15 tem-se que o aumento na temperatura
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de subresfriamento resulta no aumento do COP, mesmo não havendo alteração no
trabalho do compressor, há o aumento do Qe, o que aumenta o COP.
V. Variando a queda de pressão no evaporador (Bar) de 0,1 a 0,5.
Figura 13 – Representação gráfica do quinto ciclo
Legenda
Ciclo 1 RosaCiclo 2 VerdeCiclo 3 PretoCiclo 4 AzulCiclo 5 Vermelha
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A linha rosa indica ( P = 0,1 bar , COP = 3,81 ), a linha verde (P = 0,2 bar , COP =
3,81), a linha preta (P = 0,3 bar , COP = 3,81), a linha azul (P = 0,4 bar , COP =
3,81), e a linha vermelha (P = 0,5 bar , COP = 3,81) . Na Fig. 15 tem-se que a
variação da pressão no evaporador não provoca nenhuma alteração no COP do
ciclo.
VI. Variando a queda de pressão no condensador (Bar): 0,1bar a 0,5bar.
Figura 14 - Representação gráfica do sexto ciclo
Legenda
Ciclo 1 RosaCiclo 2 VerdeCiclo 3 PretoCiclo 4 AzulCiclo 5 Vermelha
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A linha rosa indica ( P = 0,1 bar , COP = 3,76 ), a linha verde (P = 0,2 bar , COP =
3,78), a linha preta (P = 0,3 bar , COP = 3,81), a linha azul (P = 0,4 bar , COP =
3,84), e a linha vermelha (P = 0,5 bar , COP = 3,87) . Na Fig. 16 tem-se que a
variação da pressão no condensador provoca aumento no COP do ciclo, à medida
que a pressão aumenta.
VII. Variando a queda de pressão na sucção (Bar): 0,1bar a 0,5bar.
Figura 15 - Representação gráfica do sétimo ciclo
Legenda
Ciclo 1 RosaCiclo 2 VerdeCiclo 3 PretoCiclo 4 AzulCiclo 5 Vermelha
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A linha rosa indica (P = 0,1 bar , COP = 4,37 ), a linha verde (P = 0,2 bar , COP =
4,08 ), a linha preta (P = 0,3 bar , COP = 3,81), a linha azul (P = 0,4 bar , COP =
3,55), e a linha vermelha (P = 0,5 bar , COP = 3,31) . Na Fig. 17 tem-se que a
diminuição na pressão na queda de pressão aumenta o COP, pois diminui o trabalho
do compressor.
VIII. Variando a pressão na queda de pressão da linha de liquido (Bar): 0,1bar a 0,5bar.
Figura 16 - Representação gráfica do oitavo ciclo
Não houve alteração do COP com a mudança da pressão, na linha de pressão de
líquido. O trabalho de compressão e o Qe mantiveram-se inalterados.
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IX. Variando a queda de pressão linha de descarga (bar): 0,1bar a 0,5bar.
Figura 17 - Representação gráfica do nono ciclo
Legenda
Ciclo 1 RosaCiclo 2 VerdeCiclo 3 PretoCiclo 4 AzulCiclo 5 Vermelha
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A linha rosa indica (P = 0,1 bar, COP = 3,96 ), a linha verde (P = 0,2 bar , COP =
3,88 ), a linha preta (P = 0,3 bar , COP = 3,81), a linha azul (P = 0,4 bar , COP =
3,74), e a linha vermelha (P = 0,5 bar , COP = 3,67) .
Na Fig. 19 tem-se que a diminuição na pressão na linha de descarga diminui o COP,
pois diminui o trabalho de compressão, e mantêm-se o Qe inalterado.
X. Variando a eficiência isoentrópica de 0,5 a 0,7 %.
Figura 18 - Representação gráfica do décimo ciclo
Legenda
Ciclo 1 RosaCiclo 2 VerdeCiclo 3 PretoCiclo 4 AzulCiclo 5 Vermelha
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A linha rosa indica ( Eficiência = 0,5 , COP = 3,17 ), a linha verde ( Eficiência = 0,55 ,
COP = 3,49 ), a linha preta ( Eficiência = 0,6 , COP = 3,81 ), a linha azul ( Eficiência
= 0,65 , COP = 4,13 ), e a linha vermelha ( Eficiência = 0,7 , COP = 4,44) .
Na Fig. 20 tem-se que o aumento na eficiência isoentrópica aumentará o COP.
Havendo diminuição no trabalho de compressão.
5 Conclusões
Após a simulação do ciclo de refrigeração mecânica de simples estágio de
compressão funcionando com o refrigerante R600a, pode-se concluir que:
a) O COP do ciclo de refrigeração com R600a é fortemente influenciado
pela temperatura de condensação, temperatura de evaporação e
eficiência isoentrópica do compressor;
b) O COP do ciclo de refrigeração funcionando com R600a é menos
sensível à variação do superaquecimento e subresfriamento;
c) A queda de pressão na linha de líquido e no evaporador não modifica
o COP do ciclo de refrigeração;
d) A queda de pressão nas linhas de descarga e sucção modifica em
menor grau o COP do ciclo de refrigeração.
e) Quanto menor a área do ciclo, maior será o COP, pela análise gráfica
é possível fazer uma estimativa do COP, se aumentará ou diminuirá.
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6 Referências
Çengel, Y. A. e Boles, M.A. , 2011, Termodinâmica. 7ª edição. São Paulo:
McGraw-Hill.
Wylen, G.; Sonntag, R.; Borgnakke, C., 1994. Fundamentos da Termodinâmica clássica, Blücher , 4.ed. São Paulo.
Shapiro, H. N., 2006, “Fundamentals of Engineering Thermodynamics”, 5th edition, John Wiley and Sons, 847p
Graciliano, S. Jesué, 2004 , Introdução á Tecnologia de Refrigeração e Climatização, 2. Ed. São Paulo.
Verdério, S. A. J., “Ciclo de Refrigeração por Compressão de Vapor”.
Universidade Estadual Paulista Faculdade de Engenharia, Bauru.